塑料激光焊接技術 王傳洋 喬海玉 9787030761170 【台灣高等教育出版社】

內容簡介
塑料激光焊接技術是一種新型的無接觸綠色塑料連接方式，具有焊接速度快、熱影響區小、無殘渣、鍵合強度高、焊縫變形小等諸多優點，廣泛應用於汽車零件、醫療器械、電子封裝等領域。《塑料激光焊接技術》系統闡述了塑料激光焊接過程中涉及的原理、技術與裝備，具體包括塑料激光焊接方法及原理、裝備及系統，可焊接塑料性質、焊接工藝參數及被焊樣品表面質量對焊接性能的影響，焊接過程模擬模擬及監控技術等內容，部分內容反映了作者研究團隊的前沿研究工作。

目錄

目錄
前言
第1章 緒論 1
1 1 塑料激光焊接技術的應用 1
1 2 塑料激光焊接技術發展現狀及趨勢 3
1 2 1 塑料激光焊接技術發展現狀 3
1 2 2 塑料激光焊接技術發展趨勢 6
1 3 塑料激光焊接技術分類 7
1 3 1 輪廓焊接 7
1 3 2 同步焊接 8
1 3 3 准同步焊接 9
1 3 4 掩膜焊接 9
1 3 5 放射狀焊接 9
1 3 6 球形焊接 10
1 3 7 衍射焊接 11
1 3 8 輻射焊接 11
1 3 9 複合光焊接 11
1 4 激光透射焊接原理及關鍵參數 12
1 4 1 焊接原理 12
1 4 2 關鍵參數 14
第2章 激光透射焊接裝備及系統 15
2 1 激光的物理特性 15
2 1 1 激光產生的基本原理 15
2 1 2 激光技術的特點 15
2 1 3 激光光束的特性 16
2 2 激光器種類 16
2 2 1 Nd:YAG激光器 17
2 2 2 半導體激光器 18
2 2 3 光纖激光器 19
2 2 4 CO2激光器 20
2 3 塑料激光焊接裝備及系統組成 21
2 3 1 塑料激光焊接裝備發展現狀 21
2 3 2 塑料激光焊接系統的組成 25
2 3 3 典型塑料激光焊接裝備 28
第3章 塑料的物理性質及可焊性 32
3 1 塑料的分類 32
3 1 1 根據應用領域分類 32
3 1 2 根據受熱性質分類 38
3 1 3 根據凝聚態結構分類 39
3 1 4 根據透光性分類 39
3 2 塑料的物理性能及表徵 40
3 2 1 密度 40
3 2 2 光學性質 40
3 2 3 力學性能 42
3 2 4 熱性能 44
3 2 5 流動能力 49
3 3 塑料與激光的相互作用 51
3 3 1 面加熱 51
3 3 2 體加熱 52
3 3 3 激光作用下材料的物態變化 53
3 4 塑料的可焊性分析及常用添加劑 57
3 4 1 塑料的可焊性分析 57
3 4 2 添加劑的種類 59
3 4 3 添加劑的加入方式 65
3 5 塑料與塑料焊接的應用實例 66
3 5 1 添加炭黑焊接PMMA 66
3 5 2 添加玻璃纖維和炭黑焊接PBT 68
3 5 3 添加金屬顆粒焊接PC和PASF 70
3 6 塑料與其他材料焊接及應用實例 77
3 6 1 塑料與金屬焊接 77
3 6 2 塑料與陶瓷/玻璃焊接 80
3 6 3 塑料與木材焊接 83
第4章 焊接工藝參數對焊接性能的影響 85
4 1 激光功率對焊接性能的影響 85
4 1 1 影響機理分析 85
4 1 2 對力學性能的影響 86
4 1 3 對焊縫宏觀形貌的影響 88
4 1 4 對焊縫微觀形貌的影響 90
4 1 5 對殘餘應力的影響 92
4 2 掃描速度對焊接性能的影響 95
4 2 1 影響機理分析 95
4 2 2 對力學性能的影響 96
4 2 3 對焊縫宏觀形貌的影響 98
4 2 4 對焊縫微觀形貌的影響 99
4 2 5 對殘餘應力的影響 101
4 3 光束整形對焊接性能的影響 102
4 3 1 影響機理分析 102
4 3 2 對力學性能的影響 103
4 3 3 對焊縫宏觀形貌的影響 103
4 3 4 對焊縫微觀形貌的影響 104
4 4 夾緊力對焊接性能的影響 105
4 4 1 影響機理分析 105
4 4 2 對力學性能的影響 105
4 5 選擇*優工藝參數的試驗 106
4 5 1 響應*面法 106
4 5 2 基於CCD的響應*面試驗 108
4 5 3 基於Box-Behnken設計的響應*面試驗 115
第5章 樣品厚度和表面質量對焊接性能的影響 123
5 1 樣品厚度對焊接性能的影響 123
5 1 1 樣本厚度對激光透過率的影響 123
5 1 2 樣品厚度對激光散射率的影響 124
5 1 3 樣品厚度對焊接件質量的影響 125
5 2 表面粗糙度對激光吸收和傳熱的影響 127
5 2 1 表面粗糙度對焊接過程中熱量吸收的影響 127
5 2 2 表面粗糙度對焊接過程中熱量傳遞的影響 128
5 2 3 表面粗糙度的表徵 130
5 2 4 表面粗糙度對焊接斷面的影響 132
5 2 5 表面粗糙度對焊接質量的影響 133
第6章 焊接過程模擬模擬及監控技術 135
6 1 焊接過程模擬模擬概述 135
6 1 1 研究重點及解決方案 135
6 1 2 控制方程 136
6 1 3 邊界條件 137
6 1 4 數值計算流程 138
6 2 焊接過程中的溫度場模擬 139
6 2 1 熱源模型 139
6 2 2 以銅膜為吸收劑焊接PC過程中的溫度場模擬 141
6 2 3 以炭黑為吸收劑焊接PMMA過程中的溫度場模擬 146
6 2 4 以金屬粉末為吸收劑焊接塑料過程中的溫度場模擬 154
6 2 5 考慮接觸熱阻的熱量傳遞機制 165
6 2 6 PA66和5182鋁合金焊接過程中的溫度場模擬 169
6 3 熱降解行為分析 178
6 3 1 PMMA熱學性能與熱穩定性 178
6 3 2 PMMA熱降解動力學 184
6 3 3 工藝參數與熱降解行為的函數關係 191
6 4 熱流耦合分析 193
6 4 1 焊接熔池流體流動規律與基本假設 193
6 4 2 以炭黑為吸收劑的焊接流場分佈 195
6 4 3 以鋅粉為吸收劑的焊接流場分佈 195
6 4 4 以銅膜為吸收劑的焊接流場分佈 196
6 5 熱力耦合分析 197
6 5 1 熱彈性力學 197
6 5 2 熱黏彈性本構方程 198
6 5 3 熱應力變化規律 200
6 5 4 殘餘應力分佈規律 201
6 5 5 焊接工藝參數對殘餘應力的影響 202
6 6 焊接過程的監控 206
6 6 1 紅外熱成像 206
6 6 2 高溫計 207
6 6 3 光學相干層析成像 207
6 6 4 可見光成像 208
6 6 5 紅外成像 209
6 6 6 光譜分析 209
參考文獻 211

精彩書摘
第1章緒論
塑料激光焊接技術是一種新型的無接觸綠色塑料連接方式，在新能源汽車、醫療器械、通信及微電子等領域具有廣闊的應用前景。因此，本章最先介紹塑料激光焊接的應用領域、發展現狀及趨勢；然後介紹激光焊接技術的分類；最後以激光透射焊接為例，介紹焊接原理等內容。
1 1塑料激光焊接技術的應用
塑料是一種非金屬材料，具有質量輕、力學性能好、易加工等優良特性，廣泛應用於航空航天、交通運輸、微機電系統、包裝和醫療等領域的零件設計及製造。隨著低成本、減重理念在全球工業生產中的貫徹以及精益製造技術的迅猛發展，塑料部件越來越廣泛地取代了傳統的金屬部件[1]。
注塑和擠壓都是比較傳統的塑料生產工藝，不適用於一些大尺寸、形狀不規則、結構複雜的塑料件的一次成型。為了降低生產成本、縮短加工周期、實現複雜結構塑料件製造，可以將原料注塑成多個簡單塑料件，然後經過連接組合成複雜塑料件，由此塑料連接技術應運而生。塑料連接的方式主要有鉚接、膠接及焊接。鉚接的密封性較差且強度和表面質量不易達標；膠接的工藝效率較低，污染較大；相較於這兩種連接方式，焊接通過對零件接觸面進行加熱使塑料發生熔融，最後實現冷卻凝固成型，具有強度高、壽命長、無污染、密封性好等優點，兼具優越的工業屬性[2]。塑料焊接技術主要包括熱板焊接法[3]、熱氣焊接法[4]、電磁感應焊接法[5]、電阻感應焊接法[6]、摩擦焊接法[7]、超聲波焊接法[8，9]、射頻焊接法及激光焊接法[10，11]。熱板焊接法通過熱傳導、熱對流和熱輻射加熱等方式促使塑料件表面熔融並形成焊縫，最終實現塑料件之間的連接，該方法的局限性在於焊接速度慢、焊接材料容易和熱板黏結在一起。熱氣焊接法通過焊槍加熱將壓縮氣體或惰性氣體噴到塑料表面，使得塑料熔融並結合，該方法適用於焊接大型複雜構件，不足之處在於焊接質量過度依賴操作人員的經驗。電磁感應焊接法利用金屬導體在磁場作用下產生的熱量促進被焊接材料的熔融，待材料熔化后填充待焊表面從而形成焊縫，該方法的缺點在於嵌入物的存在會影響焊接強度。電阻感應焊接法利用電流通過焊接件及接觸處產生的電阻熱作為熱源對塑料件進行局部加熱，同時加壓進行焊接，該方法的缺點是焊接件的接頭力學性能不高。摩擦焊接法利用熱塑性塑料之間相互摩擦所生成的摩擦熱使摩擦面受熱熔融，經加壓並冷卻后，最終實現塑料連接，該方法的缺點是焊接過程中的溢料不容易控制。超聲波焊接法是將高頻振動波傳遞到兩個需焊接的塑料表面，在加壓的情況下，使兩個塑料表面相互摩擦並形成分子層之間的熔合，該方法的缺點是焊接過程的參數檢測難度較大。射頻焊接法不需要中間介質且加熱快，但使用高頻會對人和周圍環境造成污染。
激光焊接法，即塑料激光焊接技術，是一種新型的無接觸綠色塑料連接方式，具有焊接速度快、熱影響區小、連接強度高、焊縫變形小等優點。相比于傳統的機械連接，激光焊接無須打孔，避免了對基體的破壞，同時避免了使用連接部件導致的零件增重。相比于膠接，激光焊接沒有引入新物質，且無揮發物，更加安全。因此，塑料激光焊接技術在汽車零件、醫療器械、電子元件及包裝容器等領域廣泛應用[12]。激光透射焊接技術是讓激光透過上層塑料件，被上層塑料件和下層塑料件(添加一定量的吸收劑)的接合面或者塑料件內部的塑料吸收並轉化成熱量，塑料在熱集中區域熔化，熱熔融狀態下的塑料大分子在鍵合壓力和熱膨脹的作用下相互擴散和纏結，產生范德瓦耳斯力並形成強的鍵合。因此，塑料激光焊接技術在巨大的塑料需求市場中具有良好的應用前景。
1 汽車行業
塑料激光焊接技術具有自動化水平高、焊縫美觀、熱影響區小等特點，因此適用於汽車零件的製造，如閥體、儀錶盤、保險杠、渦流風扇、360°攝像頭、自動門鎖、電子駐車控制器、燃油噴嘴、變擋機架、發動機傳感器、駕駛室機架、液壓油箱、過濾架、前燈和尾燈等。該技術在汽車方面的應用還包括進氣歧管、排氣歧管以及輔助水泵的製造。圖1 1為汽車零件實物圖。
圖1 1汽車零件實物圖
2 醫療器械
由於塑料激光焊接技術具有非接觸、無污染和綠色環保的特點，故在醫療器械領域得到了廣泛的應用，如醫療微流控晶元、血液分析儀、液體儲槽、液體過濾器材、醫療軟管連接頭、造口術袋子、助聽器、移植體和腸衣等的製造。圖1 2為醫療器械實物圖。
圖1 2醫療器械實物圖
3 電子行業
塑料激光焊接技術不僅可以保障塑料件的強度，同時具有較好的導電性和密封性，不會對精密的電子元器件造成損害，因此多用於製造連接傳感器和開關的部件、攝像頭、滑鼠、行動電話、連接器以及電子外殼等。圖1 3為電子器件實物圖。
圖1 3電子器件實物圖
1 2塑料激光焊接技術發展現狀及趨勢
1 2 1塑料激光焊接技術發展現狀
塑料激光焊接技術最早出現在20世紀70年代，可以在某些特定領域有效彌補傳統焊接方法的不足，屬於精密高質量塑料焊接方法。隨著材料、產品結構、夾具、激光系統以及工藝水平的發展，塑料激光焊接技術目前已經取得廣泛應用。國內外關於塑料激光焊接技術的研究主要集中在以下五個方面。
1)焊接機理
對焊接機理的研究有助於探究激光光束與聚合物、激光光束與吸收劑、聚合物與吸收劑之間的相互反應過程，為實際研究和數值模擬提供相應的理論指導。焊接機理涵蓋焊接中涉及的數學解析模型、光學模型、熱傳導模型、移動熱源模型、接頭成型原理等，此外還有材料光學參數(透射率、反射率、散射率、吸收率)和熱物理特性參數(密度、熱傳導率、比熱容、熱擴散係數)隨溫度的變化規律。
2002年，Becker等[13]發現聚丙烯(polypropylene，PP)吸光試件表面的光束能量呈高斯分佈，通過構建相應的體熱源模型建立有限