激光透射焊接纤维增强尼龙的实验研究与数值模拟

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随着塑料材料的发展和产品轻量化设计的需求,纤维增强尼龙(FRPA)作为尼龙材料中极其重要的一个系列,在电气、建筑、宇航、汽车、电动工具等领域中具有非常广阔的应用前景。而从制造加工方面来看,FRPA型材或构件的连接成为一个亟需解决的问题。目前,在众多塑料连接方法中,激光透射焊接是一种经济、高效、环保的塑料焊接新技术,已经成为当前国际前沿与研究热点。   因此,本文采用激光透射焊接技术对FRPA的连接进行了系统的实验与数值模拟研究。   首先,以激光与塑料之间相互作用的相关理论为依据,选择玻纤增强尼龙66(PA66GF)与碳纤增强尼龙66(PA66CF)进行了激光透射焊接实验,对焊缝区域横截面形貌进行了观测,分析了激光对FRPA的热作用影响;为后续的研究奠定坚实的理论基础。   其次,基于中心复合设计法(CCD)和响应曲面法(RSM)的实验统计设计方法,采用扫描振镜激光器系统对激光透射焊接PA66GF与PA66CF进行了系统的实验,并对焊接强度和焊缝宽度进行了测量。通过实验数据处理,得到了焊接过程工艺参数对焊接质量的影响曲线;建立了工艺参数与焊接强度和焊缝宽度的关系模型,清晰地反映了工艺参数对焊接质量影响的内在规律;并利用以上模型对工艺参数进行了数值优化,有效地提高了焊接质量与效率。   此外,采用YAG脉冲激光器系统对激光透射焊接材料性质差异巨大的纤维增强尼龙材料(PA66GF)与金属材料(AISI304)进行了实验研究,得到了强度较高、焊缝质量较好的连接;同样通过实验的统计设计方法,得到了焊接工艺参数对焊接质量的影响曲线,建立了工艺参数与焊接强度和焊缝宽度之间的关系模型,并采用数值优化的方法,对工艺参数进行了优化,以提高焊接质量与效率。   最后,利用ANSYS软件建立了激光透射焊接三维热传导模型,获得了焊接过程中的温度场分布;通过与实验结果进行对比,验证了温度场模型的准确性和可靠性;根据模拟结果,分析了激光透射焊接过程中温度场的分布与变化规律,可以为实际实验与工业应用提供有效的指导。   本文的研究成果为纤维增强尼龙材料在工业中的扩大应用提供了技术支撑。
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