论文部分内容阅读
激光透射焊接技术在聚合物连接工艺中应用广泛。在激光透射焊接中,材料的热降解对焊接强度有很大的影响。当温度过高时,由于材料热降解的发生导致材料焊接强度下降。因此,对材料在焊接过程中的热降解的研究有着重要的理论意义和实际工业应用价值,并为焊接工艺参数的选择和优化奠定了理论基础。本文选择工程中应用最为广泛的POM作为实验材料,对本色POM和含有质量分数为0.2%碳黑(CB)的黑色POM进行焊接实验研究,建立了POM在激光透射焊接过程中基于体热源的热分析模型和POM的热解动力学模型,将以上两个模型结合对POM在激光透射焊接过程中的热降解行为进行研究。首先,采用半导体激光器对本色POM和黑色POM进行激光透射焊接实验研究,在扫描速度、夹紧力固定的条件下,探讨了激光功率对焊缝宽度和焊接强度的影响;通过超景深显微镜对拉断后的焊缝组织形貌进行分析,对POM在焊接过程中的焊接缺陷和拉伸剪切失效形式进行研究。结果表明,随着激光功率的增大,焊缝宽度呈现递增趋势,而焊接强度呈现先增大后减小趋势,为后文不同功率条件下POM的热降解量与焊接强度的对比奠定基础。其次,分别采用功率计和紫外-可见-近红外分光光度计对本色POM的透射率和黑色POM的反射率进行测试,并运用该光学属性数据构建体热源模型。运用ANSYS软件,采用APDL语言实现体热源的移动加载,建立POM在激光透射焊接过程中基于体热源的热分析模型,对POM在激光透射焊接过程中的温度场变化进行模拟。结果表明,在不同激光功率下焊缝宽度的模拟值与实验值变化趋势基本吻合,证明了该热分析模型的可靠性与准确性;该模型能够预测最高温度点的温度-时间关系函数,为后文的热降解研究奠定了基础。最后,分别运用差示扫描量热仪和热失重分析仪对本色POM和黑色POM做DSC实验和TGA实验,探究碳黑对POM的热学性能和热稳定性的影响,研究发现碳黑对POM的热学性能和热稳定性影响不大。以黑色POM为对象,用MATLAB软件,采用n阶模型,运用Freeman-Carroll法对升温速率为10K/min的TGA数据进行求解,得出POM的热解动力学参数,建立POM的热解动力学模型,该模型能够很好的预测POM的转化率。将热分析模型中的最高温度点的温度-时间关系函数与POM的热解动力学模型相结合,对POM热降解进行研究。研究表明,POM开始降解的预测功率与POM焊接强度开始下降的功率近乎一致,本文所建立的模型能够预测POM在激光透射焊接过程中的热降解,为激光透射焊接过程中工艺参数的选择和优化提供参考。