热塑性塑料激光穿透焊接技术的研究.pdf

迓计,研究
《电加工与模具》2013年第6期
热塑性塑料激光穿透焊接技术的研究
焦俊科,江桦锐2,张文武
(1.中国科学院宁波材料技术与工程研究所,浙江宁波315201
2.广州中国科学院工业技术研究院,广东广州511458)
摘要:为了解热塑性塑料激光穿透焊接的物理杌理,掌握相关焊接エ艺,对PMMA材料的激光
焊接技术从理论和实验上进行系统的研究分析,建立了数学模型,利用 ANSYS对焊接温度场和应
力场进行了计算分析,从理论上找到了焊接参数对焊缝的影响规律。同时进行了激光穿透焊接实
验,对焊接时出现的物理现象进行了分析,找到了最佳エ艺参数,实现了良好的焊接封装
关鍵词:激光加工;激光穿透焊接;热塑性塑料;PMMA; ANSYS
中图分类号:TC456.7文献标识码:A文章编号:1009-279X(2013)06-0055-04
Study on Thremal Plastics Laser Transimisson elding
1a0 Junke".Jlar
ng
darul
Zhang Wenwu
1. Ningbo Institute of Material Technology & Engineering. Chinese Academy of
Sciences, Ningbo 315201, China
2. Institute of Industry Technology. Guangzhou Chinese Academy of
Science, Guangzhou 511458, China
Abstract: In order to understand the physical principle and technics of thermal plastic laser
transmission welding, PMMA laser welding was investigated systematically in theoretics and
experiments. A mathematical model of laser transmission welding was proposed, and the temperature
and thermal stress distribution was calculated by ANSYS. The theoretical effect of laser parameters to
the welding was founded. Meanwhile, experimental research was carried out, and the welding
phenomenon was analyzed. The best welding parameter was founded in the experiment, and an excellent
welding of PMMA was realized
Key words: laser machining; laser transmission welding; thermal plastics; PMMA ANSYS
热塑性塑料以其优越的性能在汽车、电子、医单一的焊接工艺或数值模拟上,无论是理论分析还
疗等领域被广泛使用。同时,现代工业对塑料焊接是工艺研究等方面都与国外存在一定的差距。
的强度、精度、洁净度、美观度等都提出了更高的要
本文对PMMA材料的激光焊接技术进行系统
求。近年来,采用激光对热塑料进行焊接成为研究的分析,在充分考虑穿透层与吸收层激光吸收的基
的热点,国外众多学术研究机构对塑料的激光焊接础上建立数学模型,利用 ANSYS对焊接温度场和
理论、焊接工艺、激光微焊接等方面进行了深入广应力场进行了计算分析,从理论上找到了焊接参数
泛的研究,为塑料激光焊接技术的发展与工业推广对焊缝的影响规律。同时进行了PMMA焊接的实验
奠定了基础。从21世纪初开始,国内的一些科研机研究,对爆接时出现的物理现象进行了分析,找到
构对塑料激光焊接技术进行了研究?,主要集中在了最佳焊接工艺参数,实现了良好的焊接封装。
收稿日期:2013-09-30
理论模型
第一作者简介:焦俊科,男,1981年生,高级工程师
11传撚数学模型
《电加工与模具》2013年第6期
设计·研究
热塑性塑料激光穿透焊接过程中,90%以上的的温度分布是不均匀的,由于各处的温度不同,每
能量穿过穿透层被吸收层吸收。为简化数学模型,一部分因受到不同温度的相邻部分的影响,不能自
般都是把激光热源作为面热源来处理,但这与由伸缩,就会产生热应力。热应力方程为
实际情况有些出入。为了使数学模型更贴近实际,
本文把穿透层内的激光作为体热源处理,而到达吸
=,-)?+
收层的激光作为面热源来处理,在此基础上,建立
:=rlo, -(0, +o, )1+84r
了热塑性塑料激光穿透焊的数学模型
(3)
L=k V T
G
;y
G
OT
E
=(x,y,2,の,
2(1+)
ッで?ー)ew-a,、()式中:o(=x,y,x)为正应力ッ为剪应变;7为剪应
22
ge, y, :-(-ROP-
カ;r为温度改变量:B为材料的膨胀系数;E为杨
Tr
氏模量(拉压弹性模量);ル为泊松比;G为剪切弹性
2
s,y,)=(-P
-)[1-exp(-ax)
模量。
2数值分析
式中:p、c、k分别为塑料的密度、比热、热传导系数;
q为塑料内体热源的生热率;T和t分别为温度和时
本文使用 ANSYS对PMMA激光穿透焊接过程
间;R为塑料表面对激光的反射率;n为吸收系数;P
中的温度场和应力场进行计算分析。两块长、宽、厚
为激光功率;r为光斑半径;zo为塑料板厚度。
分别为40、20、3mm的PMMA板搭接在一起进行
其他表面满足对流的边界条件:
穿透焊接,有限元模型单元为8节点6自由度的
维实体单元 solid70,单元大小为0.6mmx0.6mm
an=h(7.-70)
2)
另外,计算中用到的PMMA物理特性见表1。
式中:h为表面热对流系数;为环境温度,也是塑
表1 PMMA的物理特性数
料的初始温度;为塑料表面的温度。
项目
数值
塑料激光穿透焊接的热量分布及传递见图1。
密度(kgm)
1186~1190
在穿透层,一部分激光能量在塑料内部传输过程中
玻璃化温度/C
100~118
被吸收并转换为热量,以内部生热率的形式加载给
热解温度/C
270
塑料,该部分的激光能量符合 Lambert定律。在吸收
比热「J?(kg-K]
1900
层,穿过上层的激光被涂在吸收层表面的吸收剂完
热导率W-(m-K)
0.194-0.196
全吸收,转化为热量并以热传导的形式迅速向上下
杨氏模量/Pa
3.L6x10°
层塑料扩散,使其熔化。
泊松比
0.32
压力激光
线膨胀系数K
8.3×10
穿透层
焊接时选用的激光参数为:P=50