数值模拟驱动的激光透射焊接工艺参数的优化研究

摘要

激光透射焊接技术以其焊接质量好、焊件残余应力小、容易控制、焊接效率高等优点，被广泛应用在生物医学、汽车零部件、电动工具、产品包装等领域。随着人们对该项技术研究的深入，如何科学合理的寻求最佳焊接工艺参数来提高焊接质量和降低生产成本已成为当前国内外学者研究的热点。
　　本文选择生物医学上常用的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和钛(Ti)以及汽车零部件上常用的含10％玻纤的增强聚丙烯(PPGF)和20％碳纤的增强聚丙烯(PPCF)作为激光透射焊接的材料。由于利用实验方式获得焊接材料的最佳焊接工艺参数时间长成本高，本文提出了一种数值模拟驱动实验设计、焊接工艺参数建模与优化的方法，对激光透射焊接PET与Ti、PPGF与PPCF进行了焊接工艺参数优化的研究。
　　对于PET与Ti的焊接:首先，使用有限元分析软件ANSYS对PET与Ti焊接过程进行数值模拟，分析了焊接过程中的温度场分布及变化规律，研究了焊缝区的熔池形貌，并通过焊接实验与熔池形貌的模拟结果进行对比，验证了有限元模型的可靠性;其次，基于数值模拟结果的驱动，采用中心复合旋转设计(CCRD)对PET与Ti的焊接进行实验设计，利用响应曲面法(RSM)建立了焊接工艺参数（激光功率、焊接速度、离焦量）与焊接结果之间（温度、焊缝宽度、熔深）的数学模型，采用方差分析检验了数学模型的合适性，讨论了焊接工艺参数对焊缝宽度、熔深的交互式影响，并将模型的预测结果与数值模拟的结果进行比较，验证了焊接工艺数学模型的准确性;最后，基于数值模拟结果的驱动，采用满意度函数和遗传算法(GA)相结合的方法，进行了焊接工艺参数的多目标优化，优化的预测结果、数值模拟结果以及实验结果两两间均取得了较好的一致性。
　　对于PPGF与PPCF的焊接:首先，考虑到半结晶型PPGF的散射特性对激光功率和光斑直径的影响，通过实验测量出焊接接触面的实际激光功率以及实际光斑直径，基于测量的结果，对PPGF与PPCF焊接过程进行数值模拟，分析了焊接过程中的温度场分布以及熔池形貌，数值模拟结果与实验结果具有较好一致性;其次，基于数值模拟结果和拉伸实验结果的驱动，采用中心复合设计(CCD)对PPGF与PPCF的焊接进行实验设计，利用RSM建立了焊接工艺参数（激光功率、焊接速度、离焦量）与焊接结果之间（焊缝宽度、熔深、剪切强度）的数学模型，并进行了方差分析，讨论了焊接工艺参数对焊接结果的交互式影响，给出了上下层材料的熔深与材料的厚度（整个焊接材料的厚度）比（即深厚比）与剪切强度的匹配曲线;此外，基于数值模拟结果和拉伸实验结果的驱动，采用RSM进行了焊接工艺参数的多目标优化，并对优化结果进行了验证;最后，采用优化的焊接工艺参数对PPGF与PPCF的焊接进行了应力场的数值模拟，分析了焊接过程中及冷却阶段的应力分布及变化规律，应力场的模拟为指导以后焊接实验中改善应力分布、提高焊接质量创造了有利条件。
　　上述研究表明，运用数值模拟驱动实验设计、焊接工艺参数建模与多目标优化是一种有效方法，为有效指导焊接实验、提高焊接质量和降低生产成本开辟了新途径。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 激光透射焊接的国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题的提出和意义

1．4 本课题主要研究内容和方法

1．5 课题来源

第二章 激光透射焊接有限元热、应力分析理论基础及实验优化方法

2．1 激光透射焊接有限元热分析理论基础

2．1．1 激光透射焊接热过程的特点

2．1．2 激光透射焊接的热传导

2．1．3 激光透射焊接温度场的有限元求解

2．2 激光透射焊接有限元应力分析理论基础

2．2．1 激光透射焊接应力模拟分析的必要性

2．2．2 温度对热塑性塑料力学性能的影响

2．2．3 激光透射焊接热应力的数学模型

2．2．4 激光透射焊接应力模拟的热-应力耦合

2．3 实验优化方法

2．3．1 响应曲面法RSM

2．3．2 满意度函数法DF

2．3．3 遗传算法GA

2．4 本章小结

第三章 实验设备及实验材料

3．1 实验设备

3．1．1 Copmact130／140型半导体激光器

3．1．2 UTM4104型微机控制电子万能试验机

3．1．3 VHX-1000C型基恩士超景深电子显微镜

3．1．4 UP55N-300F-H12-D0型激光功率计

3．1．5 KQ3200E型数控超声波清洗器

3．1．6 DB-3828型电子干燥箱

3．1．7 QG-100Z型金相全自动试样切割机

3．2 焊接材料

3．2．1 聚对苯二甲酸乙二醇醋(PET)的特性介绍

3．2．2 钛(Ti)的特性介绍

3．2．3 聚丙烯(PP)的特性介绍

3．3 本章小结

第四章 数值模拟驱动的激光透射焊接PET与Ti的工艺参数优化研究

4．1 温度场的数值模拟及分析

4．1．1 建模过程

4．1．2 数值模拟结果及分析

4．1．3 熔池形貌的数值模拟结果与实验结果的对比

4．2 数值模拟驱动的实验设计与数学建模

4．2．1 数值模拟驱动的实验设计

4．2．2 数值模拟驱动的数学建模与分析

4．2．3 焊接工艺参数对熔池形貌的交互式影响

4．2．4 焊接工艺数学模型的验证

4．3 数值模拟驱动的焊接工艺参数多目标优化

4．3．1 满意度函数的建立

4．3．2 优化结果的验证

4．4 本章小结

第五章 数值模拟驱动的激光透射焊接PPGF与PPCF的工艺参数优化研究

5．1 温度场的数值模拟及分析

5．1．1 焊接件接触面焊接工艺参数的测量

5．1．2 建模过程

5．1．3 数值模拟结果及分析

5．1．4 熔池形貌的数值模拟结果与实验结果的对比

5．2 数值模拟驱动的实验设计与数学建模

5．2．1 数值模拟驱动的实验设计

5．2．2 数值模拟驱动的数学建模与分析

5．2．3 焊接工艺参数对熔池形貌、剪切强度的交互式影响

5．2．4 深厚比对剪切强度的影响

5．2．5 焊接工艺数学模型的验证

5．3 数值模拟驱动的焊接工艺参数多目标优化

5．3．1 优化准则的建立及优化结果

5．3．2 优化结果的验证

5．4 应力场的数值模拟及分析

5．4．1 焊接过程中不同时刻的应力分布与分析

5．4．2 冷却阶段不同时刻的应力分布与分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究结果总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间承担科研情况及主要成果

致谢