數(shù)值模擬驅(qū)動(dòng)的激光透射焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化研究.pdf

1、激光透射焊接技術(shù)以其焊接質(zhì)量好、焊件殘余應(yīng)力小、容易控制、焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)、汽車(chē)零部件、電動(dòng)工具、產(chǎn)品包裝等領(lǐng)域。隨著人們對(duì)該項(xiàng)技術(shù)研究的深入，如何科學(xué)合理的尋求最佳焊接工藝參數(shù)來(lái)提高焊接質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
　　本文選擇生物醫(yī)學(xué)上常用的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和鈦(Ti)以及汽車(chē)零部件上常用的含10％玻纖的增強(qiáng)聚丙烯(PPGF)和20％碳纖的增強(qiáng)聚丙烯(PPCF)作為激光

2、透射焊接的材料。由于利用實(shí)驗(yàn)方式獲得焊接材料的最佳焊接工藝參數(shù)時(shí)間長(zhǎng)成本高，本文提出了一種數(shù)值模擬驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、焊接工藝參數(shù)建模與優(yōu)化的方法，對(duì)激光透射焊接PET與Ti、PPGF與PPCF進(jìn)行了焊接工藝參數(shù)優(yōu)化的研究。
　　對(duì)于PET與Ti的焊接:首先，使用有限元分析軟件ANSYS對(duì)PET與Ti焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布及變化規(guī)律，研究了焊縫區(qū)的熔池形貌，并通過(guò)焊接實(shí)驗(yàn)與熔池形貌的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了有

3、限元模型的可靠性;其次，基于數(shù)值模擬結(jié)果的驅(qū)動(dòng)，采用中心復(fù)合旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)(CCRD)對(duì)PET與Ti的焊接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用響應(yīng)曲面法(RSM)建立了焊接工藝參數(shù)（激光功率、焊接速度、離焦量）與焊接結(jié)果之間（溫度、焊縫寬度、熔深）的數(shù)學(xué)模型，采用方差分析檢驗(yàn)了數(shù)學(xué)模型的合適性，討論了焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫寬度、熔深的交互式影響，并將模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了焊接工藝數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性;最后，基于數(shù)值模擬結(jié)果的驅(qū)動(dòng)，采用滿意度函數(shù)

4、和遺傳算法(GA)相結(jié)合的方法，進(jìn)行了焊接工藝參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化的預(yù)測(cè)結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果兩兩間均取得了較好的一致性。
　　對(duì)于PPGF與PPCF的焊接:首先，考慮到半結(jié)晶型PPGF的散射特性對(duì)激光功率和光斑直徑的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量出焊接接觸面的實(shí)際激光功率以及實(shí)際光斑直徑，基于測(cè)量的結(jié)果，對(duì)PPGF與PPCF焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布以及熔池形貌，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好一致性;其次，

5、基于數(shù)值模擬結(jié)果和拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驅(qū)動(dòng)，采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)(CCD)對(duì)PPGF與PPCF的焊接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用RSM建立了焊接工藝參數(shù)（激光功率、焊接速度、離焦量）與焊接結(jié)果之間（焊縫寬度、熔深、剪切強(qiáng)度）的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了方差分析，討論了焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接結(jié)果的交互式影響，給出了上下層材料的熔深與材料的厚度（整個(gè)焊接材料的厚度）比（即深厚比）與剪切強(qiáng)度的匹配曲線;此外，基于數(shù)值模擬結(jié)果和拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驅(qū)動(dòng)，采用RSM進(jìn)行了焊接工藝參數(shù)