基于三维真实表面形貌的热塑性塑料激光透射焊接机理及方法研究

Accroding to laser transimission welding thermoplastics process, a study idea taking real 3-D topography of contact area into account is proposed. The method for rough contact surface modeling and conducting research on influence for laser energy transfer and heat dispersion is studied. Mechanism analytical model and expression of interaction between laser and thermoplastics,developing the mathematical model of laser scattering attenuation and heat source are established. Understanding of heating, melt flowing and cooling in the process of welding under thermal-mechanical coupling effect. Furthermore, establishing mathematical physics model to characterize properties of heating, melt flowing and cooling is conducted. Proper numerical simulation methods and incorporating experimental study to investigate coupling relationship between temperature field, strain field and stress field is developed. Under different physical factors including pressure and temperature,different thermal physical properties including heat transfer rate and specific heat capacity,and different welding parameters including laser power, welding speed and wedling pressure, thermal-mechanical relationship, thermal-flow relationship and mechanical-flow relationship were established. Aim of this research is to solve key mechanisms restrict the application of bonding technique,to clarify common mechanisms and key physical and chemical issues under different operation parameters. This research has significant theoretical meaning and important engineering value in developing and investigating precise, high efficiency and low cost polymeric microfluidic chips bonding techniques and equipments.

针对热塑性塑料激光透射焊接成型过程，提出考虑结合面三维真实表面形貌的研究思路。深入探讨材料粗糙表面的建模方法以及其对激光能量传递和热流分布的影响；系统探索激光与热塑性材料之间的相互作用机制，建立激光散射衰减数学模型和热源模型；深化对热－机械力耦合作用下的焊接过程中加热、熔融流动及凝固过程的认识，并建立刻画这三个方面特性的数学物理模型，发展适合的数值模拟方法，结合试验研究，探讨温度场、应变场以及应力场之间的耦合关系；研究不同物理因素(压力、温度)、热物性参数（导热系数、比热）以及焊接工艺（激光功率、焊接速度、焊接压力）作用下，建立热力间联系、热流间联系、力流间联系的方法和规律。本研究旨在解决束缚该工艺走向应用的关键机理问题，明晰不同工艺参数激光焊接过程中的共性机理问题。本课题对研究与发展精确、高效、低成成本的激光透射焊接工艺和装备具有重要的理论意义和工程应用价值。

本项目提出考虑结合面三维真实表面形貌的研究思路，对热塑性塑料激光透射焊接成型过程进行了深入研究，为解决束缚该工艺走向应用的关键机理问题，研究与发展精确、高效、低成本的激光透射焊接工艺和装备具有重要的理论意义和工程应用价值。本项目采用分形方法建立了三维真实接触表面模型，研究了粗糙表面对激光能量传递和热流分布的影响，结果表明：降低焊接试件的表面粗糙度，能够有效的提高吸光试件的吸光率。探讨了激光与热塑性材料之间的相互作用机制，建立了激光散射衰减数学模型和热源模型，探明了产热机制和能量传输与转换机理。采用单因素实验法与响应曲面法相结合的方式研究了焊接工艺参数对焊接质量的影响，并对焊接工艺参数进行优化，得到了最佳焊接工艺参数组合。建立了基于接触热导率的热传递模型，研究了不同焊接工艺（激光功率、焊接速度、焊接压力）作用下焊接温度场分布和流场分布，使得焊缝宽度预测误差在3.3%左右，提高了焊缝宽度的预测精度。建立了热-流耦合模型、挤压熔融模型、热-机械力耦合模型，得到了不同物理因素(压力、温度)、热物性参数（导热系数、比热）以及焊接工艺（激光功率、焊接速度、焊接压力）作用下的焊接温度场、流场、应力场分布和焊接试件最大变形量，建立了热力间联系、热流间联系和力流间联系，获取了不同物理因素、热物性参数及工艺参数对焊接工艺的影响规律，进一步深化了对焊接过程中加热、熔融流动及凝固过程的认识。利用动静态应变仪测试系统，采用钻孔法及粒子群算法进行了熔池凝固热-机械力耦合作用研究，获取了温度变化对残余应力的影响规律，得到了不同焊接工艺参数下的残余应力。建立了反映焊接强度、焊接残余应力和焊接工艺参数之间关系的数学模型，进行了工艺参数优化，得到了最高焊接强度和最小焊接残余应力下的最佳工艺参数。

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