CN113740210B - 一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属与塑料连接领域，公开了一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的装置及方法，所述装置包括环形导轨、载物架；所述环形导轨上设置载物架，所述载物架的一侧设置荧光屏，另一侧设置摄像机；所述荧光屏与摄像机之间放置金属；所述荧光屏下方设置与环形导轨连接的滑块；所述滑块带动金属沿环形导轨运动，所述金属经过的路径下方分散设置多种热源。本发明满足在不同热源下对金属与塑料连接的润湿行为及润湿角的测量，构思巧妙，设计合理，适应性强。
Description
技术领域
本发明涉及金属与塑料连接领域，更具体地涉及一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的装置与方法。
背景技术
随着国家对结构轻量化的日益增长的需求，异种材料复合结构轻量化先进理念被引入。采用金属与热塑性塑料混合连接代替原金属结构将大大减轻结构重量，实现复合结构轻量化。目前，金属与塑料连接的新方法层出不穷，例如感应焊、激光焊和热压焊等。但是由于熔点、分解温度和热膨胀系数等热物理性能以及分子结构有着巨大差异，金属与塑料很难形成高强度的可靠连接。国内外学者在研究中发现，塑料对金属的润湿性是控制连接强度的重要因素之一。因此，为实现金属与塑料的可靠连接，需关注塑料在金属表面的润湿行为及润湿性。
目前测定润湿角的方法主要有：座滴法、落至液滴法、悬滴法等，对于不同热源下达成连接的金属与塑料的润湿行为研究，这些方法不能满足。由于塑料的分解温度较金属熔点低，通常金属与塑料连接通过金属被不同热源加热，通过热导方式促使塑料熔化而后凝固达成连接。目前，没有专用于塑料与金属润湿行研究的装置。为探究加热过程中塑料在金属表面的润湿行为，本发明实现一种可以用于探究塑料在金属表面润湿行为的方法，并满足焊接方法的热源要求，设计一种适用于不同热源的测定塑料在金属表面润湿性及润湿行为的装置。
发明内容
为解决现有技术无法满足在不同热源下对金属与塑料连接的润湿行为及润湿角的测量问题，本发明提供一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的装置与方法。
本发明采用的具体方案为：一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的装置，所述装置包括环形导轨、载物架；所述环形导轨上设置载物架，所述载物架的一侧设置荧光屏，另一侧设置摄像机；所述荧光屏与摄像机之间放置金属；所述荧光屏下方设置与环形导轨连接的滑块；所述滑块带动金属沿环形导轨运动，所述金属经过的路径下方分散设置多种热源。
所述环形导轨下方设置导轨支架。
所述金属上方设置塑料。
所述热源选自感应线圈、加热平台、激光头。
所述金属经过的路径下方分散设置感应线圈、加热平台、激光头。
所述感应线圈、加热平台、激光头等间距分布。
所述加热平台下方设置升降平台。
所述摄像机下方设置底座。
所述底座为伸缩底座。
另一方面，本发明提供一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)调整热源的位置，使热源沿圆周均匀分布；
(2)将塑料置于表面处理后的金属上方，使塑料位于摄像机视野中央；
(3)打开荧光屏，调整摄像机底座高度，使摄像机视野中出现金属与塑料；
(4)将环形导轨上金属旋转至热源正上方，根据实验要求设置参数；
(5)打开摄像机，打开控制热源的电源，开始进行在热源作用下塑料在金属表面润湿行为的实验；
(6)根据实验要求的热源加热时间对金属下表面进行加热，热量通过热传导传至金属上表面，并加热塑料，塑料被加热熔化，熔化润湿过程被摄像机记录；
(7)关闭热源电源，待塑料冷却后关闭摄像机，取下实验平台上的金属与塑料；
(8)提取摄像机录制的塑料熔化过程中润湿角的变化绘制表格或图像，得到塑料在该热源作用下的在金属表面的润湿行为及润湿角变化过程；提取塑料冷却后的图像，提取润湿角，得到塑料在该热源作用下在金属表面的润湿性。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
1.本发明通过在环形导轨上设置载物架，在载物架上放置金属，又在金属上方设置塑料，在环形导轨带动金属途径的路径下方设置不同热源，适应不同焊接方法的热源要求，能够实现利用一套装置，实现在不同热源下的金属与塑料连接的润湿行为的测定，本发明在载物架的另一端设置摄像机，能够清楚完整的反应塑料在金属表面润湿行为，为准确测定塑料在金属表面的润湿角提供了基础，满足在不同热源下对金属与塑料连接的润湿行为及润湿角的测量。
2.本发明提供的金属与塑料连接的润湿行为及润湿角的测量方法，能够方便的对金属及塑料的润湿行为进行测量，操作简便，设计合理，适应性强。
附图说明
图1为本发明所述装置结构示意图；
图2为本发明感应线圈加热金属示意图；
图3为本发明激光头加热金属示意图；
图4为本发明加热平台加热金属示意图；
图5为实施例1润湿行为图；
图6为实施例1润湿角测量示意图。
其中，附图标记分别为：
1-环形导轨；2-荧光屏；3-载物架；4-摄像机；5-底座；6-塑料；7-金属；8-感应线圈；9-激光头；10-加热平台；11-升降平台；12-导轨支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明提供一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的装置，所述装置包括环形导轨1、载物架3；所述环形导轨1上设置载物架3，所述载物架3的一侧设置荧光屏2，另一侧设置摄像机4；所述荧光屏2与摄像机4之间放置金属7；所述荧光屏2下方设置与环形导轨1连接的滑块；所述滑块带动金属7沿环形导轨1运动，所述金属7经过的路径下方分散设置多种热源，所述热源均与电源连接。在一种实施方式中，所述金属通过夹具夹在载物架上。
所述金属固定至载物台，保证与水平线平行，长宽范围20mm-100mm。
所述热源选自感应线圈8、加热平台10、激光头9。
所述金属7经过的路径下方分散设置感应线圈8、加热平台10、激光头9。感应线圈8、加热平台10、激光头9均与电源连接。
所述加热平台10下方设置升降平台11。所述升降平台为带动加热平台升降的支座，所述加热平台为将电能转化为热能的加热台。
所述环形导轨1下方设置导轨支架12。
所述金属7上方设置塑料6。进一步的，所述塑料为塑料块。
底座5上方放置摄像机4。所述摄像机为高速摄像机。
所述感应线圈8、加热平台10、激光头9等间距分布于金属7经过的路径下方。
所述底座5为伸缩底座。所述伸缩底座上放置摄像机，能够根据要求调整摄像机的高度。
另一方面，本发明提供一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)调整热源的位置，使热源沿圆周均匀分布。
(2)将表面处理后的塑料置于金属上方，使塑料位于摄像机视野中央。
(3)打开荧光屏，调整摄像机底座高度，使摄像机视野中出现金属与塑料。将待测塑料加工成正方体小块，边长5mm，75℃烘干5小时。将铝合金表面进行碱洗加酸洗处理清除表面氧化膜，在铝合金表面进行激光毛化处理，碱洗加酸洗去掉表面毛刺与氧化膜，50℃烘干10分钟。
(4)将环形导轨上金属旋转至热源正上方，根据实验要求设置参数；若待用热源为感应热源，则实验平台旋转至感应线圈正上方，根据实验要求设置参数。若待用热源为激光热源，则实验平台旋转至激光头正上方，根据实验要求设置参数。若热源为热压平台热源，则实验平台旋转至加热平台正上方，调整升降平台高度，使加热平台上表面与待测金属下表面直接接触，根据实验要求设置参数。
(5)打开摄像机，打开控制热源的电源，开始进行在热源作用下塑料在金属表面润湿行为的实验；
(6)根据实验要求的热源加热时间对金属下表面进行加热，热量通过热传导传至金属上表面，并加热塑料，塑料被加热熔化，熔化润湿过程被摄像机记录。
(7)关闭热源电源，待塑料冷却后关闭摄像机，取下实验平台上的金属与塑料。
(8)提取摄像机录制的塑料熔化过程中润湿角的变化绘制表格或图像，得到塑料在该热源作用下的在金属表面的润湿行为及润湿角变化过程；提取塑料冷却后的图像，提取润湿角，得到塑料在该热源作用下在金属表面的润湿性。
实施例1
一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的装置，所述装置包括环形导轨1、载物架3；所述环形导轨1上设置载物架3，所述载物架3的一侧设置荧光屏2，另一侧设置底座5；所述荧光屏2与底座5之间放置金属7，所述金属的形状为金属片；所述荧光屏2下方设置与环形导轨1连接的滑块；所述滑块带动金属7沿环形导轨1运动，所述金属7经过的路径下方分散设置多种热源，所述热源均与电源连接。在一种事实方式中，所述金属通过夹具夹在载物架上。所述金属固定至载物台，保证与水平线平行，长宽为20mm。所述热源依次为感应线圈8、加热平台10、激光头9且间距分布于金属7经过的路径下方。所述金属7经过的路径下方分散设置感应线圈8、加热平台10、激光头9。感应线圈8、加热平台10、激光头9均与电源连接。所述环形导轨1下方设置导轨支架12；所述金属7上方设置塑料6。所述底座5上方放置摄像机。
本发明提供一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)调整感应线圈8、加热平台10、激光头9的位置，使感应线圈8、加热平台10、激光头9源沿圆周均匀分布；
(2)将表面处理后的塑料，材质为聚醚醚酮(PEEK)置于金属上方，使塑料位于摄像机视野中央；
(3)打开荧光屏，调整摄像机底座高度，使摄像机视野中出现金属与塑料。将待测塑料加工成正方体小块，边长5mm，75℃烘干5小时。将铝合金表面进行碱洗加酸洗处理清除表面氧化膜，在铝合金表面进行激光毛化处理，碱洗加酸洗去掉表面毛刺与氧化膜，50℃烘干10分钟；
(4)将环形导轨上金属旋转至感应线圈8、加热平台10、激光头9正上方；
(5)打开摄像机，打开控制热源的电源，开始进行在热源作用下塑料在金属表面润湿行为的实验；打开摄像机，打开激光器，持续出光1s，关闭激光器；
(6)根据实验要求的热源加热时间对金属下表面进行加热，热量通过热传导传至金属上表面，并加热塑料，塑料被加热熔化，熔化润湿过程被摄像机记录；
(7)关闭热源电源，待塑料冷却后关闭摄像机，取下实验平台上的金属与塑料；
(8)提取摄像机录制的塑料熔化过程中润湿角的变化绘制表格或图像，得到塑料在该热源作用下的在金属表面的润湿行为及润湿角变化过程；提取塑料冷却后的图像，提取润湿角，得到塑料在该热源作用下在金属表面的润湿性。
本发明中感应焊装置，包括感应线圈，感应焊机，能够使具有铁磁性的金属表面形成涡流并加热，通过热导熔化塑料小块；激光焊装置，包括激光头、激光器，能够将激光束射至金属下表面，通过热导将金属上方塑料小块熔化。
所述环形导轨、导轨支架、伸缩支架材料为不锈钢，载物台材料为耐高温氧化物陶瓷，避免影响热源对金属及塑料小块的加热。所述金属材料为不锈钢、铝合金、钛合金及镁合金中的一种，其表面可做各种处理包括但不限于机械打磨、喷砂、激光毛化、微弧氧化、阳极氧化等。进一步，所述塑料为聚醚醚酮(PEEK)、尼龙(PA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、碳纤维增强聚醚醚酮(CF-PEEK)、碳纤维增强尼龙(CF-PA)、碳纤维增强聚对苯二甲酸乙二酯(CF-PET)、碳纤维增强聚苯硫醚(CF-PPS)、玻纤维增强聚醚醚酮(GF-PEEK)、玻纤维增强尼龙(GF-PA)、玻纤维增强聚对苯二甲酸乙二酯(GF-PET)或玻纤维增强聚苯硫醚(GF-PPS)。
目前，随着异种材料复合结构轻量化先进理念被引入，金属与热塑性塑料混合连接代替原金属结构的热连接方法层出不穷。例如，激光连接、感应连接热压连接等。为实现金属与塑料的可靠连接，应探究其连接机理。因此，对塑料在金属表面的润湿性及其在热源作用下在金属表面的润湿行为的探究极为重要。目前尚未有专用于测量塑料在金属表面润湿性的装置与方法，更没有特定热源下润湿性为观察的装置。本发明所述方法与装置实现了不同热源下塑料在金属表面润湿性为及润湿性的观察与测定，填补了该领域的空白，为探究塑料与金属界面连接机理提供帮助，从而利于实现金属与塑料的可靠高强度连接。
本发明实现了在满足焊接方法的热源的条件下，探究塑料在金属表面润湿行为以及润湿角度的测量，且装置结构简单、方法便于操作，成本低。
Claims (5)
1.一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的测量方法，其特征在于，测量方法依托实现的一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的装置包括环形导轨（1）、载物架（3）；所述环形导轨（1）上设置载物架（3），所述载物架（3）的一侧设置荧光屏（2），另一侧设置摄像机（4）；所述荧光屏（2）与摄像机（4）之间放置金属（7）；所述荧光屏（2）下方设置与环形导轨（1）连接的滑块；所述滑块带动金属（7）沿环形导轨（1）运动，所述金属（7）经过的路径下方设置多种热源；
所述金属（7）上方设置塑料（6）；
所述热源选自感应线圈（8）、加热平台（10）、激光头（9）；感应线圈（8）、加热平台（10）、激光头（9）等间距分布在金属（7）经过的路径下方；
所述方法包括如下步骤：
（1）调整热源的位置，使热源沿圆周均匀分布；
（2）将表面处理后的塑料置于金属上方，使塑料位于摄像机视野中央；
（3）打开荧光屏，调整摄像机底座高度，使摄像机视野中出现金属与塑料；
（4）将环形导轨上金属旋转至热源正上方，根据实验要求设置参数；
（5）打开摄像机，打开控制热源的电源，开始进行在热源作用下塑料在金属表面润湿行为的实验；
（6）根据实验要求的热源加热时间对金属下表面进行加热，热量通过热传导传至金属上表面，并加热塑料，塑料被加热熔化，熔化润湿过程被摄像机记录；
（7）关闭热源电源，待塑料冷却后关闭摄像机，取下实验平台上的金属与塑料；
（8）提取摄像机录制的塑料熔化过程中润湿角的变化绘制表格或图像，得到塑料在该热源作用下的在金属表面的润湿行为及润湿角变化过程；提取塑料冷却后的图像，提取润湿角，得到塑料在该热源作用下在金属表面的润湿性。
2.根据权利要求1所述的测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的测量方法，其特征在于，所述环形导轨（1）下方设置导轨支架（12）。
3.根据权利要求2所述的测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的测量方法，其特征在于，所述加热平台（10）下方设置升降平台（11）。
4.根据权利要求3所述的测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的测量方法，其特征在于，所述摄像机（4）下方设置底座（5）。
5.根据权利要求4所述的测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的测量方法，其特征在于，所述底座（5）为伸缩底座。
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