激光透射连接PA66的实验研究及数据模拟

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尼龙材料具有较高的强度、韧性及优良的耐磨性,大量应用于航空航天、汽车、建筑和电子电气中。随着尼龙制品应用的增加,如何经济高效地制造尼龙件及实现构件之间的连接是当前急需解决的难题之一。在各种各样的聚合物连接技术中,具有效率高、柔性好、经济环保等优点的激光透射连接已经被广泛应用和研究。  以尼龙66(PA66)为实验材料,使用半导体激光器进行了激光透射连接PA66的光学属性研究和工艺实验研究,并使用ANSYS进行了连接过程中温度场的数值模拟。  首先,分析了激光与聚合物的相互作用机理。阐述了激光透射连接过程中激光透射和吸收的原理;测量了PA66、PA66GF30的热分解性能;研究了材料厚度及玻纤增强剂对PA66的透射率、反射率和吸收率的影响。  其次,研究了激光透射连接中上层聚合物的光散射特性。使用刀刃法测量了半导体激光器在工作距离117mm、120mm和123mm下沿Y方向的归一化光束功率通量分布;采用非接触式线扫描实验定性地比较了2mm PA66、2.5mm PA66和2mm PA66GF30的光散射;引入了描述激光穿过光散射型聚合物后在连接界面处光束功率通量分布的数学模型,通过编写Matlab程序得到了上层聚合物的光散射参数,确定了连接界面处沿Y方向的连续完整的归一化光束功率通量分布。聚合物的光学属性研究为激光透射连接中制定合理的连接工艺参数及精确的温度场数值模拟奠定了理论基础。  再次,进行了激光透射连接PA66的工艺实验研究。讨论了激光功率、扫描速度和夹紧力对连接质量的影响;采用响应面法对激光透射连接PA66进行了实验设计,建立了激光功率、扫描速度和夹紧力与连接宽度和连接强度之间的数学模型,并采用方差分析验证了模型的有效性;分析了连接工艺参数对连接质量的交互式影响;确定了两种优化准则下的最佳连接工艺参数组合,从而有效提高连接质量和连接效率。  最后,采用ANSYS中的APDL语言进行了激光透射连接PA66过程中的温度场模拟。考虑到上层材料PA66的光学属性对激光光束特性的影响,测量了连接界面处的激光功率和光斑直径;建立了连接界面处的体热源模型;得到了连接温度场随时间变化的趋势;计算了不同激光功率和扫描速度下的连接区域的温度场分布及连接宽度,从结果可以看出模拟值和实验值的变化趋势一致,从而验证了有限元模型的准确性,为减小实验量和使用有限元分析优化工艺参数提供了保障。  本文的研究成果为激光透射连接的基础理论研究奠定了基础,同时也为尼龙材料在工业中的广泛应用提供了技术支持。
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