基于响应曲面法的激光透射连接聚合物工艺参数优化.pdf
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1、基于响应曲面法的激光透射连接聚合物工艺参数优化姜敏凤1, 2 许贞凯2 刘会霞2* 李 品2 宋新华2 王 凯2(1无锡职业技术学院机械技术学院, 江苏 无锡 214121;2江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013)摘要 激光透射连接以其快速、 精确、 柔性、 较强环境适应性的局部连接和封装工艺, 在工业、 医学领域具有良好的应用前景。应用 Dilas 公司 Compact130/140 型半导体激光器对聚碳酸酯薄板进行了激光透射连接实验。使用响应曲面法进行实验设计, 建立激光透射连接工艺参数的数学模型, 并进行优化与分析。讨论了激光功率、 激光扫描速度、 模具压紧力、 扫描次数等激
2、光加工工艺参数对连接强度和接头连接区域宽度的交互影响趋势。结果表明, 激光功率与激光扫描速度交互影响较大; 增加激光功率, 减小激光扫描速度, 增加模具压紧力与扫描次数有利于提高连接质量。关键词 激光技术; 激光透射连接; 响应曲面; 工艺参数; 连接质量中图分类号 O436 文献标识码 A doi: 10. 3788/LOP48. 071408Optimization of Laser Transmission Joining Process Parametersfor Thermoplastic Using Response Surface MethodologyJiang Minfeng
3、1,2 Xu Zhenkai2 Liu Huixia2* Li Pin2 Song Xinhua Wang Kai21School of Mechanical Technology , Wuxi Institute of Technology , Wuxi, Jiangsu 214121, China2School of Mechanical Engineering , Jiangsu Univer sity , Zhenjiang , Jiangsu 212013, ChinaAbstract Laser transmission joining process has potential
4、prospects in industry and medical areas because of itsspeed, precision, flexibility and strong environmental adaptability. Polycarbonate sheets are joined using lasertransmission joining technology with Compact130/140 laser diode of Dilas. The joining process is optimized inresponsesurfacemethodolog
5、y. The interaction effect of key parameters including laser power, scanning speed, clamppressure, scanning number on joint quality is researched. The results show that the interaction of laser power andscanning speed is relatively large. Increasing laser power, reducing scanning speed, increasing th
6、e mold clampingforce and the scanning number can be helpful to the joint quality. The morphology of the joiningareais observedwithan optical microscope. Based on this research, process parameters of laser transmission joining of polycarbonate areobtained.Key words laser technique; laser transmission
7、 joining; response surface; process parameter; joint qualityOCIS codes 140. 2020; 140. 3460; 140. 3510; 350. 33901 引 言激光透射连接聚合物的两被连接零件为热塑性聚合物, 其中一层材料为透射层材料, 能够透过激光光束, 而另一层材料为吸收层, 能够吸收激光能量。激光束能量穿过透射层材料, 在两零件接触面被吸收层材料吸收, 形成热作用区; 热作用区中的聚合物材料被熔化, 熔融状态下的聚合物大分子在模具压紧力的作用下匀相扩散, 产生范德瓦耳斯力, 在凝固的过程中己熔化的材料形成连接区域
8、, 两个零件即被连接起来 1 3。激光透射连接技术具有速度快、 精度高、 柔性、 环境适应性强、 热影响区小等优点, 为更精密的连接加工工艺提供了条件 4 7。目前已有学者对激光透射连接聚合物材料进行了研究, 研究表明激光透射连接零件的强度取决于材料本身的性质( 如厚度、 透射率、 吸收率等) 和连接过程的工艺参数 8 11。其中聚合物材料制备中的添加物对材料透射率和吸收率都有影响, 如玻璃纤维、 添加色素等 12, 13, 此外材料的厚度以及材料本身的晶体状态对材料的光学性能也有一定的影响 14 17。大部分学者对激光透射连接质量的实验研究集中在单工艺参数对连接质量的影响。近年来, Ache
9、rjee 等 13应用曲面响应法研究了聚甲基丙烯酸甲酯的激光透射连接工艺,对功率、 速度、 压力、 离焦量等参数以及连接强度和连接区域宽度进行了研究, 建立了实验数学模型, 讨论了部分实验参数的交互影响趋势。国内对此方面的研究主要集中在单工艺参数对连接质量的影响, 对不同工艺参数组合对连接质量的交互影响进行的研究较少。在激光透射连接工艺研究中科学合理的工艺参数选择方法的缺乏将严重制约激光透射连接工艺的实际推广应用。本文采用响应曲面法( RSM) 对 1 mm 厚聚碳酸酯材料的激光透射连接工艺参数进行研究。研究了激光功率、 加工扫描速度、 实验压力、 扫描次数等主要工艺参数对连接接头尺寸和接头强
10、度的交互影响, 并建立数学模型, 对工艺参数进行优化。2 响应曲面实验设计方法RSM 是数学方法和统计方法结合的产物, 用于对感兴趣的响应受多个变量影响的问题进行建模和分析, 以优化这个响应 18。通常认为响应曲面方法包括实验设计、 模型拟合和过程优化等环节。在响应曲面问题中, 响应和自变量之间的关系是未知的, 这样需要求得一个响应值 y 和自变量( F1, F2, , Fk) 之间真实函数关系的逼近式y = f (F1, F2, , Fk) + E ,(1)其中真实响应函数 f 的形式未知, E表示系统误差, 表示由其他变异来源造成的 f 所无法解释的方差。 E包括了各种影响, 如响应的测量
11、误差、 系统或者过程自身的其他变异来源、 其他变量的作用等。 E是一种统计意义上的误差, 通常假设均值为 0, 方差为 R2。 那么E(y) = G= E f ( F1, F2, , Fk) + E(E ) = f ( F1, F2, , Fk) ,(2)式中的变量( F1, F2, ,Fk) 通常是独立变量, 因为它们用测量值的自然单位表示, 如温度、 压力等。在许多响应曲面方法问题中, 通常把这些独立变量转化为规范变量 (X1, X2, , XK), 这些规范变量一般是没有量纲的, 均值为 0, 具有标准方差。在规范化变量的情况下, 真实响应函数( 2) 式可以写为G= f ( X1, X
12、2, , XK).(3) 响应曲面方法的具体设计方法很多, 其中最常用的方法是中心组合设计和 Box -Behnken 设计。中心组合设计是拟合二阶响应曲面中应用最广泛的实验设计, 适合于三因素水平以上的实验设计, 能够对分析结果进行优化, 建立非线性影响存在时的数学模型。其二阶模型为y = B0+Eki- 1Bixi+Eki- 1Biix2i+Ei jEBijxixj+ E.(4)3 实验设计方案3. 1 试样准备与实验设备实验连接材料为 1 mm 厚聚碳酸酯, 试样尺寸均为 25 mm 80 mm 1 mm, 本文采用的聚碳酸酯为高透光性材料, 同时使用了炭黑涂料作为激光能量的吸收剂。连接
13、前使用超声波清洗机对材料进行清洁, 最后用酒精轻微擦拭, 并放在干燥箱内干燥 12 h, 以消除聚合物中的水分对连接质量的影响。实验激光器采用 Dilas 公司 Compact130/ 140 型半导体连续激光器, DL. S20P 扫描振镜。激光器最大输出功率 130 W, 输出波长 980 nm ? 10 nm, 激光器冷却系统采用内置的风冷系统, 工作温度 15 e 35 e 。采用全程光纤传输模式, 光纤的芯径 D = 400 Lm, 数值孔径 dNA= 0. 22 Lm; 扫描振镜工作范围为140 mm 140 mm, 光斑直径为 2. 8 mm。3. 2 实验方法实验采用搭接方式。
14、影响连接接头质量的主要工艺参数包括: 激光器功率, 加工速度, 夹具夹紧压力, 扫图 1 拉伸实验示意图Fig. 1 Schematic diagram of tensile test描次数等。本实验中, 夹持层采用 K9玻璃, 夹具最大夹紧压力选取 1 MPa。对连接接头质量评价指标主要有:1) 连接接头强度; 2) 连接区域宽度; 3) 美观度等。本实验主要以接头强度和连接区域宽度来评价连接接头质量。按照国家技术标准局颁布的 GB/ T 1447 -83 标准, 采用了微机控制电子万能实验机进行拉伸实验, 如图 1 所示;微机控制 WDW -20kN 电子式万能实验机, 拉伸速度0 500
15、 mm/ min, 负荷分辨力 0. 01 N, 有效拉伸 650 mm, 电源功率 750 W。并采用上海光学仪器厂生产的XT Z -FG 型体视显微镜进行了接头形貌的观测, 在微观形貌下测量了连接区域的宽度, 如图 2( a) , ( b) 所示为连接聚合物零件的宏观与微观形貌及连接区域宽度。图 2 样件形貌图。( a)宏观形貌; (b)微观形貌Fig. 2Sample morphology. ( a) M acrography of sample; (b) microgram of sample在实验的基础上, 确定了实验参数的一个合适取值范围, 表 1 是实验参数的选择范围, 表 2
16、是实验过程中通过响应曲面法设计的实验参数组合表, 以分析各因素之间对实验响应结果的影响。表 1实验参数范围T able 1 Process control parameters and limitsFactorUnitCodeExtreme value- 2- 1012PowerWW9. 22131. 541. 651. 6Velocitymm/ minV120300540780960Clamp pressureMPaP00. 250. 50. 751Scanning number)N12345表 2 材料实验设计数据表T able 2 Design matrix and measured r
17、esponsesInformationParameterResultNumberExperimental numberW / WV / (mm/ s)P /MPaNTensile strength /M PaWidth /Lm12920. 950. 25236. 07333347. 9722541. 650. 25239. 44833774. 7831220. 9130. 25225. 84422976. 354941. 6130. 25230. 753452. 585320. 950. 75236. 38463386. 2661641. 650. 75242. 25423786. 04762
18、0. 9130. 75226. 41473106. 9881141. 6130. 75241. 77673583. 9091520. 950. 25436. 31083470. 1610441. 650. 25442. 31424069. 70111320. 9130. 25440. 513240. 37122441. 6130. 25443. 49583877. 82132020. 950. 75436. 98833464. 53143041. 650. 75441. 9154110. 36(续表 2)InformationParameterResultNumberExperiment nu
19、mberW / WV / (mm/ s)P /MPaNTensile strength /M PaWidth /Lm151720. 9130. 75430. 07923157. 09162641. 6130. 75443. 70223662. 1617199. 290. 5325. 23882599. 3518151. 690. 5336. 11173814. 76192331. 520. 5340. 81754170. 04202131. 5160. 5329. 76333342. 91212831. 590. 0342. 39953352. 48221831. 591. 0330. 933
20、578. 51232731. 590. 5127. 96963345. 47241431. 590. 5545. 08213714. 5325531. 590. 5343. 82723514. 4526731. 590. 5344. 92633589. 5327231. 590. 5343. 75043490. 43282231. 590. 5345. 15253532. 0929831. 590. 5344. 19423622. 18301031. 590. 5338. 02083556. 254 实验结果与分析激光器功率为 27. 3 W、 加工速度为 540 mm/ min 时, 所得的
21、样品宏观图片如图 2 所示。从实验样件的宏观与微观形貌图片可以看出, 样品成形美观, 表面无破损, 连接接头均匀平滑、 无明显缺陷, 实现了聚碳酸酯聚合物之间的激光透射连接。4. 1 拉伸强度方差分析与数学模型通过 Design Expert 软件对表 2 中的实验数据进行分析、 计算获得与实验模型最相符的数学模型, 通过对计算结果的分析可以得知, 对拉伸强度较合适的数学模型为二阶模型。通过对建立模型的方差分析, 发现模型 Prob 大于 F 的值为 0. 0021, 其值小于 0. 05表明模型影响显著( Prob 大于 F 值的大小表示模型及各个因素的显著水平) 。对拉伸强度进行方差分析(
22、 ANOVA) , 可以得到方差分析数据表 3。通过方差分析表可以看到, 连接工艺参数功率 W、 速度 V 、 压力 P、 扫描次数 N, 二阶值功率( W2) 、 速度( V2) 、 压力( P2) 、 扫描次数( N2) , 以及交互影响值功率 速度( W V ) 、 功率 压力( W P) 、 功率 扫描次数( W N) 、 速度 压力( V P) 、 速度 扫描次数( V N) 、 压力 扫描次数( P N) 在拉伸强度响应曲面模型中都是有意义的。其信噪比为10. 08085, 反映了模型的识别率; 失拟值为 2. 584649, 说明模型选择合适( 失拟值表示模型预测值与实际值不拟合
23、的概率 19) 。通过对模型进行拟合, 具有相同设计的模型二阶方程式可以表示为代码形式方程式S = 41. 62+ 4. 98W - 2. 32V - 0. 24P + 2. 98N + 0. 86WV + 1. 31WP - 0. 15WN -0. 17VP + 1. 68VN - 1. 48PN - 2. 19W2- 1. 79V2+ 0. 26P2- 1. 53N2,(5)实际参数形式方程式S = 2. 4+ 1. 42W - 0. 07V - 0. 68P + 11. 23N + 0. 03WV + 0. 57WP - 0. 02WN -0. 19VP + 0. 48VN - 5. 9
24、2PN - 0. 03W2- 0. 15V2+ 4. 11P2- 1. 53N2,(6)式中 S 为拉伸强度。4. 2 连接区域宽度的方差分析与数学模型通过 Design Expert 软件对实验数据表 2 进行分析, 同样可以得知对拉伸区域宽度较合适的数学模型为二阶模型。通过分析, 发现模型 Prob 大于 F 的值小于 0. 05, 表明模型具有显著影响。对连接接头区域宽度进行方差分析, 可以得到方差分析数据表 4。其信噪比为 26. 23148; 失拟值为3. 468108, 说明模型选择合适。表 3 拉伸强度模型方差分析表T able 3 ANOVA analysis for tens
25、ile strength modelSourceSum of squaresdfMean squareF valueProb exceeding FModel992. 50491470. 893214. 893310. 0021SignificantW454. 0161454. 01631. 33786 0. 0001V121. 54531121. 54538. 3895060. 0111P35. 55465135. 554652. 4541130. 1381N161. 8451161. 84511. 171140. 0045W V17. 13449117. 134491. 1826860.
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