麻明章-研究方向课-学习报告

沈阳工业大学硕士研究生研究方向课学习报告题目：高分子材料激光加工学习报告学科、专业：材料工程研究方向：材料成形技术及过程控制硕士生姓名：麻明章导师姓名：徐国建成绩：报告时间：2013年11月29日目录1绪论-----------------------------------------------------------------------------------------------------12高分子材料及相关课题研究进展----------------------------------------------------------------32.1塑料焊接方法------------------------------------------------------------------------------32.1.1超声波焊接------------------------------------------------------------------------------32.1.2摩擦焊接---------------------------------------------------------------------------------32.1.3振动焊接---------------------------------------------------------------------------------32.1.4热板焊接---------------------------------------------------------------------------------42.2塑料的激光焊接特性---------------------------------------------------------------------42.3塑料激光焊接的实例---------------------------------------------------------------------62.3.1汽车产业---------------------------------------------------------------------------62.3.2其他产业---------------------------------------------------------------------------82.4高分子材料激光焊接的可行性分析---------------------------------------------------93高分子材料激光焊接的重大意义---------------------------------------------------------------9高分子材料激光加工学习报告11绪论现在中国正在普及利用激光加工机进行钣金加工。与日本以及欧美相比，中国的激光加工机普及速度非常快。几乎所有的产业部门都在研究讨论引进激光加工机到生产现场，相信不久的将来，激光加工一定会成为钣金加工行业中主要的加工方式。激光加工是将能量聚焦到微小的空间，利用这一高密度的能量进行非接触、高速度、高精度的加工方法。这是一种摆脱传统的机械加工、热处理加工之类的全新加工方法。它也是一种通过与数控装置、高刚性加工工作台相结合，使市场所要求的质量得以保证和生产效率有飞跃性提高的加工方法。激光加工机作为今后承担加工产业化(FA，FactoryAutomation)的主要手段倍受期待。但是，随着激光加工机市场的急剧扩大，在使用加工机的现场也出现了各种各样的问题。客户就激光加工方面所提出的问题也随着时代的变化越来越复杂。由于加工材质或板厚的多样化、生产效率的提高、环保问题的对策等原因，对激光加工机的要求也相应提高。再加上，现在要求激光加工机与一般机床具有同样的运转效率，但不允许像过去那样在设定加工条件上花费很长时间，这就使现场的工作人员感到非常为难。而高分子材料以质轻、耐腐蚀、成型加工性能优良、装饰性及手感好等特点，在过去的几十年中大量取代了传统材料(如钢铁)，被广泛应用于汽车制造领域等。在现代车辆上,无论是外装饰件(如保险杠、挡泥板、车轮罩、灯罩、导流板等)、内装饰件(如仪表板、车门内板、副仪表板、杂物箱盖、座椅、后护板等),还是功能与结构件(油箱、散热器水室、空滤器罩、风扇叶片等),都有高分子材料制品。目前,现代汽车上100kg的高分子材料材料取代了原先需200～300kg的传统金属材料,减重效果十分突出,这对于节约能源,降低温室气体排放具有重要意义。如汽车高分子材料制进气歧管，由激光焊接技术取代以往铆接技术可减轻质量40%～60%,且表面光滑流动阻力小,可提高发动机性能,并在提高燃烧效率、降低油耗、减振降噪方面都起到一定作用。据统计,汽车用高分子材料制品种类到目前为止已达几十种,平均每辆汽车的高分子材料用量已占汽车自重的高分子材料激光加工学习报告25%～10%,随着汽车轻量化的发展要求和汽车高分子材料技术的扩大应用,高分子材料的单车用量今后还将会进一步增加。高分子材料激光加工学习报告32高分子材料及相关课题研究进展2.1塑料焊接方法到目前为止，约有15种以上方法应用于热塑性塑料的焊接。以下对具有代表性的方法做以介绍。2.1.1超声波焊接超声波焊接是利用高频振荡波(通常是20～40kHz)在塑料件的接合面产生的摩擦热进行的焊接。两个焊接件分别放置在振荡器和台座上，在施加一定压力的同时加振。超声波振荡器使焊接件在接合界面上进行摩擦并产生摩擦热，使焊接件加热、融化（软化），在一定压力作用下焊合。该方法适用于小范围的焊接，焊接长度一般被限定在数厘米左右以内。这种方法主要应用于电子管、过滤器、盒式录音带、汽车零部件、除尘器等方面的焊接。2.1.2摩擦焊接与金属的摩擦焊接具有同样的原理。一侧的零部件固定，另一侧零部件旋转的同时加压。利用摩擦热使塑料加热、熔融（软化）；停止摩擦后塑料将冷却、凝固（固化）；在一定压力的继续作用下，完成塑料的焊接。这种焊接工艺方法能得到单纯良好的焊接接头质量，且再现性高。但是，该种方法较适合焊接圆筒或圆柱形状的零部件。2.1.3振动焊接振动焊接方法是以适当的频率(一般100~240Hz)、振幅(一般1~5mm左右)振动摩擦两个零部件，使塑料加热、熔化（软化）；振动摩擦停止之后，零部件被冷却、凝固（固化）；在一定压力的继续作用下，完成焊接过程。这种方法的优点是能够实现大型零部高分子材料激光加工学习报告4件高效焊接。2.1.4热板焊接热板焊接是最单纯的大量的生产技术。该方法是将热板夹在两块塑料接合面之间，通过热板使两块塑料接合面表面加热、熔化（软化）(根据塑料的材质和厚度的不同，一般地将塑料的接合面加热到180~230℃)；然后，撤掉热板，塑料开始冷却、凝固（固化），在一定压力的继续作用下，完成焊接过程。有关塑料的普通焊接技术和激光焊接技术的比较结果如表2.1所示。与普通焊接技术相比，激光焊接技术能实现高速、自动化、高质量的焊接，且适用的领域广泛。表2.1塑料焊接的普通焊接技术和激光焊接技术的结果比较2.2塑料的激光焊接特性到目前为止，激光焊接塑料的方法可以分为两种，一种是利用远红外CO2激光焊接塑料-非接触激光焊接(Non-contactLaserWelding)；另一种是利用近红外激光焊接热塑性塑料-透过激光塑料焊接。2.2.1非接触式激光焊接(Non-contactLaserWelding，以下简称NCLW)振动焊接热板焊接激光焊接形状、尺寸、结构的制约三维空间形状一般较差好中空体较差较好较好大型零部件较好较差较好零部件的内部较差较差好焊接接头外观较差较差好焊接可靠性较好较好较好工程自动化较好一般好高分子材料激光加工学习报告5NCLW是应用于热塑性塑料制离合器部件的连接(特别是对接)方法，是与热板焊接类似的连接施工方法。即利用激光热源使塑料加热、软化（熔化）；然后撤掉激光热源，塑料开始冷却、凝固（固化）；在一定压力的继续维持下，实现热塑性塑料的焊接。2.2.2透过激光塑料焊接TTLW(Through-transmissionLaserWelding)和上述NCLW比较，TTLW能得到更广泛的应用。TTLW逐渐被汽车离合器、刹车零部件、发动机盖体等的焊接所利用。（1）TTLW的焊接原理：TTLW的焊接示意图如图2.1所示。图2.1透过激光塑料焊接（TTLW）的示意图所要焊接塑料的一侧是透过激光的透过材料，另一侧是吸收激光的吸收材料。为了提高吸收材料的吸收性能，常常添加石墨等染料。另外，为了提高透过材料的激光透过性能，也常添加激光透过性高的染料。与以往的塑料焊接方法相比较，TTLW焊接方法是热塑性塑料焊接的一种新生的工艺方法。许多研究者对焊接接头机械性能的改善、优化及对塑料材料的吸收特性、透过特性等作了一些有益的研究。基于上述的研究，下文对TTLW的焊接特征进行概述。透过材料加热⇒吸收材料熔融⇒透过材料熔融⇒冷却・焊合压力激光透过激光塑料吸收激光塑料高分子材料激光加工学习报告6（2）塑料焊接与金属焊接的差异是热塑性塑料加热后可以软化，也可以熔融，金属焊接与塑料焊接主要存在以下几个方面的差异。金属不仅吸收近红外波长的激光，而且吸收几乎所有波长的激光。另外，金属焊接时热传导性好，并且焊接局部需要非常高的热输入。与金属焊接相比，许多塑料对近红外波长的激光是可以透过的，而且热传导性也不好。另外，热塑性塑料在比较低的加热温度下开始软化、甚至熔融。所以，与金属相比较，塑料在完全液化熔融的状态前，具有更高的软化状态，这一点更有利于热可塑性塑料的焊接。通过上述的分析，TTLW的原理（如图2.1所示）是首先将透过激光塑料和吸收激光塑料在一定的压力下相接触，然后激光从透过激光塑料侧照射，激光束穿过透过激光塑料而到达吸收激光塑料的表面，吸收激光塑料的表面被加热而软化、熔融，与此同时，由于热传导透过激光塑料侧也被加热而软化、熔融，当融核的尺寸达到规定要求时，撤掉激光热源，在一定压力的继续作用下，实现热塑性塑料的焊接。该种焊接方法即能满足搭接接头的焊接，也能满足对接接头的焊接。但是，相比之下，应用到搭接接头的焊接比较多一些。2.3塑料激光焊接的实例下面介绍已经报道了和已经应用于制造业中的激光塑料焊接实例。2.3.1汽车产业为了降低汽车车身的重量，达到减少能源消耗和减少环境污染的目的，塑料材料及铝合金材料等逐步被应用于汽车车身和汽车零部件的制造。一台普通的小型轿车其制造用的主要原材料的构成比例的历史发展情况如图2.2所示。详细的原材料构成比例见表2.2。由统计数据可知，在30年间塑料的使用量确实逐步地得到了大幅提高。高分子材料激光加工学习报告7汽车钥匙汽车尾灯汽车进给连通器图2.2一台普通的小型轿车中的主要原材料的构成比例[38](引自：日本汽车工业协会)表2.2一台普通的小型轿车中的主要原材料的构成比例（引自：日本汽车工业协会）高分子材料激光加工学习报告8图2.3塑料零部件的激光焊接实例已经报道的树脂激光焊接实例如下，部分焊接零部件照片如图的2.3所示：(1)汽车钥匙及启动部件激光焊接；(2)尾灯等照明灯激光焊接；(3)仪表栅格激光焊接；(4)进给连通器激光焊接；(5)各种传感器(油，温度，加速踏板等)激光焊接；(6)防振、隔音用橡胶垫激光焊接；(7)燃料罐及燃料送给系统激光焊接；(8)过滤器激光焊接。采用激光焊接不仅仅是实现高生产率，而且可以获得焊接一体的零部件，结构重量也可以得到大幅度地降低。同时能够减少其零部件的加工工序数，从而也降低了成本。2.3.2其他产业与在汽车产业中的应用量相比较，在其它产业中的应用量相对较少一些。不过，在医疗器械制造领域，塑料激光焊接实例也有很多报道。比如：(1)药品、医疗用具的杀菌包装器具的激光焊接；(2)注射器的激光焊接；(3)微泵(部件微细连接)的激光焊接；(4)输液用医疗器械