[發(fā)明專利]激光攪拌焊接中氣孔抑制的工藝參數(shù)優(yōu)化方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110573507.6
• 申請(qǐng)日: 2021-05-25
• 公開（公告）號(hào): CN113305435B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔣平;楊文;耿韶寧;韓楚
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K26/24
• 分類號(hào): B23K26/24;B23K26/70
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 劉洋洋

1.一種激光攪拌焊接中氣孔抑制的工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，獲取向后弦長(zhǎng)、向前弦長(zhǎng)、前進(jìn)步長(zhǎng)以及平均能量密度與焊接工藝參數(shù)的關(guān)系，激光攪拌焊接過(guò)程中光束運(yùn)動(dòng)軌跡和焊縫中心相鄰兩交點(diǎn)間的距離為弦長(zhǎng)，其中，矢量方向與焊接方向相異的為向后弦長(zhǎng)，與焊接方向相同的為向前弦長(zhǎng)，軌跡點(diǎn)運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期后變化的距離長(zhǎng)度為前進(jìn)步長(zhǎng)；所述向后弦長(zhǎng)Lb與所述工藝參數(shù)的關(guān)系式為：

其中，A_x為該攪拌軌跡下焊接方向的攪拌振幅，f_x為焊接方向的攪拌頻率，v為焊接速度，f為攪拌頻率，為焊接方向的初始相位；

所述向前弦長(zhǎng)Lf與所述工藝參數(shù)的關(guān)系式為：

所述前進(jìn)步長(zhǎng)Step與所述工藝參數(shù)的關(guān)系式為：

獲取平均能量密度與焊接工藝參數(shù)的關(guān)系的步驟為：

獲取激光光束的光強(qiáng)分布，其中，所述光強(qiáng)分布I的表達(dá)式為：

其中，η為焊接母材對(duì)激光能量的吸收率，P為激光功率，r₀為激光光斑半徑，x和y為激光束在X和Y方向的坐標(biāo)值；

對(duì)所述光強(qiáng)分布進(jìn)行積分獲取所述光強(qiáng)的能量分布，所述光強(qiáng)的能量分布E(x,y)的表達(dá)式為：

其中，E(x,y)為板材在(x,y)處的能量密度，I(x,y,t)為t時(shí)刻點(diǎn)(x,y)處的光強(qiáng)強(qiáng)度；

對(duì)焊縫中心區(qū)域的能量分布取平均即為所述平均能量密度，所述平均能量密度的表達(dá)式為：

其中，y＝0；

S2，建立所述向后弦長(zhǎng)、向前弦長(zhǎng)、前進(jìn)步長(zhǎng)以及平均能量密度的優(yōu)化約束條件；

S3，獲取所述工藝參數(shù)的預(yù)設(shè)范圍；

S4，將所述預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的工藝參數(shù)值代入所述向后弦長(zhǎng)、向前弦長(zhǎng)、前進(jìn)步長(zhǎng)以及平均能量密度的優(yōu)化約束條件，則同時(shí)滿足所述向后弦長(zhǎng)、向前弦長(zhǎng)、前進(jìn)步長(zhǎng)以及平均能量密度的優(yōu)化約束條件的工藝參數(shù)組合為優(yōu)化后的工藝參數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述工藝參數(shù)包括激光功率、焊接速度、攪拌頻率以及攪拌振幅。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光束運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

其中，x和y為t時(shí)刻激光束在X和Y方向的坐標(biāo)值，其中，X方向?yàn)樗龊附拥那斑M(jìn)方向，Y方向?yàn)楹附幽覆钠矫嫔吓c所述X方向垂直的方向，x₀和y₀分別為激光束在X方向和Y方向的初始位置，A_x和A_y分別為光束在X方向和Y方向的攪拌頻率，f_x和f_y分別為光束在X方向和Y方向的攪拌頻率，和分別為激光光束的初始相位。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述向后弦長(zhǎng)Lb的優(yōu)化約束條件為：

其中，h為預(yù)設(shè)目標(biāo)熔深；

所述向前弦長(zhǎng)Lf的優(yōu)化約束條件為：

其中，r₀為激光光斑半徑；

所述前進(jìn)步長(zhǎng)Step的優(yōu)化約束條件為：

Step＜5r₀

所述平均能量密度的優(yōu)化約束條件為：

Em_min＜Em＜Em_max

其中，Em_max和Em_min為經(jīng)驗(yàn)條件下的最大和最小平均能量密度。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)焊接設(shè)備工作范圍或研究目標(biāo)獲取所述工藝參數(shù)的預(yù)設(shè)范圍。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將所述工藝參數(shù)值分別以預(yù)設(shè)步長(zhǎng)，將所有組合逐一輸入所述優(yōu)化約束條件，當(dāng)所述工藝參數(shù)值同時(shí)滿足所述向后弦長(zhǎng)、向前弦長(zhǎng)、前進(jìn)步長(zhǎng)以及平均能量密度的優(yōu)化約束條件時(shí)則保留，否則舍棄并進(jìn)行下一組工藝參數(shù)的驗(yàn)證。

7.一種激光攪拌焊接中氣孔抑制的工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：

第一獲取模塊，用于獲取向后弦長(zhǎng)、向前弦長(zhǎng)、前進(jìn)步長(zhǎng)以及平均能量密度與焊接工藝參數(shù)的關(guān)系，激光攪拌焊接過(guò)程中激光運(yùn)動(dòng)軌跡和焊縫中心相鄰兩交點(diǎn)間的距離為弦長(zhǎng)，其中，矢量方向與焊接方向相異的為向后弦長(zhǎng)，與焊接方向相同的為向前弦長(zhǎng)，軌跡點(diǎn)運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期后變化的距離長(zhǎng)度為前進(jìn)步長(zhǎng)，所述向后弦長(zhǎng)Lb與所述工藝參數(shù)的關(guān)系式為：

其中，A_x為該攪拌軌跡下焊接方向的攪拌振幅，f_x為焊接方向的攪拌頻率，v為焊接速度，f為攪拌頻率，為焊接方向的初始相位；

所述向前弦長(zhǎng)Lf與所述工藝參數(shù)的關(guān)系式為：

所述前進(jìn)步長(zhǎng)Step與所述工藝參數(shù)的關(guān)系式為：

獲取平均能量密度與焊接工藝參數(shù)的關(guān)系的步驟為：

獲取激光光束的光強(qiáng)分布，其中，所述光強(qiáng)分布I的表達(dá)式為：

其中，η為焊接母材對(duì)激光能量的吸收率，P為激光功率，r₀為激光光斑半徑，x和y為激光束在X和Y方向的坐標(biāo)值；

對(duì)所述光強(qiáng)分布進(jìn)行積分獲取所述光強(qiáng)的能量分布，所述光強(qiáng)的能量分布E(x,y)的表達(dá)式為：

其中，E(x,y)為板材在(x,y)處的能量密度，I(x,y,t)為t時(shí)刻點(diǎn)(x,y)處的光強(qiáng)強(qiáng)度；

對(duì)焊縫中心區(qū)域的能量分布取平均即為所述平均能量密度，所述平均能量密度的表達(dá)式為：

其中，y＝0；

建立模塊，用于建立所述向后弦長(zhǎng)、向前弦長(zhǎng)、前進(jìn)步長(zhǎng)以及平均能量密度的優(yōu)化約束條件；

第二獲取模塊，用于獲取所述工藝參數(shù)的預(yù)設(shè)范圍；

代入選擇模塊，用于將所述預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的工藝參數(shù)值代入所述向后弦長(zhǎng)、向前弦長(zhǎng)、前進(jìn)步長(zhǎng)以及平均能量密度的優(yōu)化約束條件，則同時(shí)滿足所述向后弦長(zhǎng)、向前弦長(zhǎng)、前進(jìn)步長(zhǎng)以及平均能量密度的優(yōu)化約束條件的工藝參數(shù)組合為優(yōu)化后的工藝參數(shù)。