摘 要

近期以来，碳纤维增强等类型聚合物以及金属合金在航空航天、汽车、化工等领域的零部件等轻量化设计中的应用逐渐增加，这使得对聚合物和金属合金进行连接成为一种重要且必需的趋势，激光直接连接金属与聚合物由于具有效率高、经济环保、加工柔性好的特点，已经成为目前轻量化设计领域的一个研究热点。然而较高的研究成本和复杂的实验工艺使得实验的进行受到阻碍，所以通过计算机对实验的模拟研究成为可能。本文通过COMSOL Multiphysics对激光直接照射铜和环氧玻璃布层压板进行连接的温度场进行仿真模拟.这其中包含了：光源打在金属表面→金属吸热向下传递→聚合物吸热发生熔化→熔池逐渐长大→扫描结束→材料自然冷却。材料的连接质量主要通过聚合物材料的融化深度进行判断。在此仿真模拟计算过程中，使用的热源是高斯脉冲，设定激光功率为3 kW、光斑半径为2.5 mm、激光移动周期为0.1 s，并设置计算步长为0.01 s，总时间为1 s，进行有限元数值模拟计算。后处理时针对实际的工艺参数：扫描次数、光斑半径、激光功率以及扫描速率这四个方面进行有限元数值模拟计算。最后得到的激光连接金属和聚合物连接的最佳工艺参数为激光功率3 kW、光斑半径2.5 mm、激光移动周期为0.1 s、扫描次数为8次。

关键词：激光直接连接；COMSOL Multiphysics；仿真模拟；温度场；最佳工艺参数。

ABSTRACT

Recently, application of carbon fiber reinforced polymer(CFRP) and metal alloy in the lightweight design of components in various fields like automobile, aerospace and chemical has increased gradually. This makes joining of polymer and metal alloy being one necessary and important trend. Due to the properties of environmentally friendly, high efficiency and good flexibility, laser direct joining polymer and metal has becoming one hotspot in the field of lightweight design. However, the high cost of this research and complex experiment process made the proceeding of the experiment blocked. Therefore it’s possible to simulate the process through the computer. In this dissertation, the finite element analysis software COMSOL Multiphysics was employed to simulate the temperature field of laser direct joining between copper and epoxy glass cloth laminate. The laser direct joining polymer and metal through the mobile laser is a dynamic process: laser beam shine the surface of metal→the metal absorbs heat and transfers it down→the polymer absorbs heat and melt→Molten pool gradually grew up→scan ends→material cools naturally. The connection quality of materials mainly evaluated by the melting depth of the polymer material. In this simulation, the laser source is gauss pulse, the power is 3 kW, the radius of laser beam is 2.5 mm, the cycle of mobile laser is 0.1 s, and the step length is 0.01 s, the total time is 1 s. Then do the finite element numerical simulation. During the simulation, four process parameter is studied: scan times, radius of laser beam, laser power, and scanning speed. The result of the simulation is the best process parameters are: the laser power is 3 kW, radius of laser beam is 2.5 mm, the cycle is 0.1 s, and the scan times is 8.

Key words: laser direct joing; COMSOL Multiphysics; simulation; temperature field; best process parameter.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 金属和聚合物的连接方法 2

1.2.1 胶接连接^[10] 2

1.2.2 机械紧固 2

1.2.3 焊接工艺 4

1.3 激光焊接 8

1.3.1 激光焊接原理 8

1.3.2 激光焊接的特点^[25] 10

1.3.3 激光焊接金属和聚合物的发展情况^[27] 10

1.3.4 激光焊接直接连接金属和聚合物存在的问题^[34] 13

1.4 课题研究的主要内容及意义 13

第2章 激光焊接的有限元分析理论 14

2.1 有限元分析 14

2.2 焊接过程有限元分析特点^[37] 14

2.3 激光焊接温度场分析理论 15

2.3.1 传热的基本模式^[38] 15

2.3.2 温度场的基本方程^[39] 16

2.4 COMSOL Multiphysics软件简介^[41] 17

第3章 COMSOL激光连接模型的建立 19

3.1 研究对象 19

3.2 模型的建立 19

3.2.1 热源的引入 19

3.2.2 几何体的建立 20

3.2.3 初始和边界热源条件 21

3.2.4 材料的选择 21

3.2.5 网格划分 22

3.3 数值模拟方案 22

第4章 激光连接聚合物和金属材料的数值模拟结果及分析 23

4.1 不同扫描次数下的计算结果及分析 23

4.2 不同光斑半径下的计算结果及分析 25

4.3 不同激光功率下的计算结果及分析 27

4.4 不同扫描速率下的计算结果及分析 29

第5章 结论与展望 31

5.1 研究结果总结 31

5.2 展望 31

致谢 32

参考文献 33

第1章 绪论

长期以来，人们不断地研究改进原有材料，并研究出许许多多新的材料，并且积累了丰富的应用材料的经验。但是，人们也发现在这个过程中，任何一种单一材料有其若干突出的优点，但也存在一些明显的缺点。近三十年来，科学技术的发展非常迅速，对材料的要求也越来越严格，单靠经验和摸索来研制新材料已经远远不能满足快速发展社会的需求，开始按照预定性能研制新材料的方向发展。人们发现，将两种或两种以上单一材料按照一定的方式复合，可以制得新材料。这些新材料不仅保留了原有组分的优势，而且克服或弥补了缺点，并显现出一些新的性能，这就是复合材料^[1]。复合材料的出现和发展就是新材料设计方面的一个突破。在众多材料中，金属材料具有很多可贵的性能，例如铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能以及热处理性能等工艺性能，但是却容易被腐蚀和氧化；而非金属材料抗腐蚀和氧化性能好^[2]，聚合物基复合材料热固性好，比强度和比刚度高，电性能和热性能良好，耐疲劳性好，减震性优良等优异性质。对航天与航空飞行器来说，非常注重减轻飞行器的结构重量，因此具有高的比强度、比模量的复合材料是飞行器的理想结构材料。近期以来，碳纤维增强等类型的聚合物和金属合金在航空航天、汽车、化工等领域的零部件轻量化设计中的应用逐渐增加，这使得对聚合物和金属合金进行连接成为一种重要且必需的趋势^[3]。

1.1 前言

在信息如此发达的现代社会，得益于小型轻质移动电子设备的不断发展，作为电子工业血液的印刷电路板的出现是至关重要的因素，而印刷电路板的基材是覆铜板，故而它作为芯板，它的性能决定了设备性能，因此它曾被专家美誉为电子信息产业大厦的“地基”，有着非常重要的地位。覆铜箔层压板覆铜箔层压板的（Copper Clad Laminate，CCL，简称覆铜板）制造方法是将增强材料浸以树脂，一面或两面覆以铜箔，经过热压而成的一种板状材料^[4]。环氧树脂具有优异的机械性能、耐热性、粘接性、电气绝缘性，与其他高性能树脂相比具有低成本性优异加工性和易于改性的突出特点，玻璃纤维布采用玻璃纤维纱作为经纬纱，在织布机上交织而成，绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域，是一种性能优异的无机非金属材料。将上述两种电绝缘材料相结合，就是环氧玻璃布层压板，是以经过化学处理的电工用无碱玻璃纤维布为基材，以环氧树脂作粘合剂经热压而成的层压制品。高温下机械强度高，高湿下电气性能稳定性好，是优质覆铜板常用的基底材料。环氧玻纤布覆铜板是覆铜板所有品种中用途最广、用量最大的一类，它广泛用于移动通信、数字电视、卫星、雷达等产品中^[5-6]。

PCB（印刷电路板）用环氧-玻纤布基CCL（覆铜板），在提高耐热性方面，表现在将FR-4提高到相当于FR-5的耐热性上，这是新兴发展起来的积层法多层板以及有有机封装基板等应用领域所迫切希望的。为了适应印制电路板的发展需要，环氧玻纤布覆铜板产品已由单一型过渡到系列化，功能也趋向多面化，向着高Tg、UV阻挡型、高尺寸稳定性、低介电常数的覆铜板发展，各种新材料、新工艺也势在必行^[7-8]。对覆铜板而言，传统制造方法是热压成型，容易产生基片精度不够高、不均匀、由于内应力打造成的基板翘曲等缺点，而且热压树脂流出，不环保^[9]。从长远发展来看，由于对安装技术中环保要求更加严格，无铅焊接将会得到很大发展。