激光透射焊接PA66数值模拟与实验研究

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激光透射焊接是一种新兴的塑料连接方式,以其焊接精度高、焊缝质量好、便于控制、对工件破坏小等优点,在生物医学、微器件制造、汽车零部件、产品包装等领域得到越来越广泛的应用,已成为国际上的研究热点。迄今为止,激光透射焊接在实验工艺方面的研究已经相对完善,相比之下,数值模拟方面的研究还有许多方面有待深入和完善。  本文以汽车行业广泛使用的PA66为研究对象,基于体热源建立了考虑界面接触状态的激光透射焊接温度场模型,通过模拟与实验相结合的手段探究了界面接触状态对焊接结果的影响;随后又针对PA66焊后拉伸测试建立了拉伸有限元模型,分析了拉伸测试过程中拉伸件的受力变形情况。  在探究界面接触状态对焊接结果的影响方面:首先,基于比尔-朗伯定律构建了与下层PA66相匹配的体热源并将热接触传导引入到温度场模型之中,使用ANSYS中的APDL语言编程建立了可以反映界面接触状态影响的接触传导模型;接着,采用接触传导模型对无间隙下的激光透射焊接温度场进行了模拟,将模拟结果与实验结果进行了对比,发现接触传导模型不仅可以得到与实际结果更加吻合的热影响区形貌,而且能同时对上、下层热影响区深度和宽度作出准确预测;随后,进一步采用接触传导模型对间隙存在下的温度场进行了模拟并与实验结果进行了对比,发现接触传导模型也能对间隙存在时的温度场及焊缝形貌变化作出合理的预测和解释;最后,进一步研究了界面接触状态对最大拉伸载荷的影响,发现焊缝宽度的减小和上下材料在焊缝处的融合程度的减弱,是间隙存在时拉伸件最大拉伸载荷减小的原因。  在拉伸模拟方面:首先,针对PA66的焊后拉伸测试过程建立了三维静力学模型,模拟得到了拉伸试样的载荷-位移曲线和变形情况;随后,探究了焊接界面处的剪切应力及Von Mises应力分布规律,并对拉伸件的起始失效位置及失效路经进行了预测。研究结果表明,拉伸模型可以良好的预测拉伸过程中拉伸件的弯曲变形,模拟得到的载荷-位移曲线也与实验结果具有良好的一致性;模拟还发现,拉伸过程中界面处的剪切应力和Von Mises应力具有相似的分布规律:应力沿焊缝长度方向上整体分布比较均匀,但是沿焊缝宽度方向上,焊缝边界处明显承受更大的应力;拉伸模拟也能对厚度方向上的裂纹扩展以及焊缝长度方向上的失效路径进行合理预测。  本文的研究表明,激光透射焊接数值模拟可以对焊接和拉伸过程中的相关现象和机理作出合理的解释和揭示,对焊接工艺过程具有重要的指导意义。
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