[發(fā)明專利]一種雙側(cè)同時(shí)攪拌摩擦焊工藝參數(shù)優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110986364.1
• 申請(qǐng)日: 2021-08-26
• 公開（公告）號(hào): CN113579462B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉海濤;孟少飛;倪雁冰;肖聚亮;黃田;岳巍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K20/12
• 分類號(hào): B23K20/12;B23K20/26
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 張建中

1.一種雙側(cè)同時(shí)攪拌摩擦焊工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，基于攪拌摩擦焊接過程產(chǎn)熱機(jī)理、傅里葉傳熱定律和能量守恒定律，建立雙側(cè)同時(shí)攪拌摩擦焊的產(chǎn)熱模型，確定待優(yōu)化工藝參數(shù)，以焊接單位長(zhǎng)度輸入能量最小為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)焊接工藝設(shè)置約束條件，建立優(yōu)化模型；采用序列二次規(guī)劃算法求解優(yōu)化模型，得到最優(yōu)工藝參數(shù)值；

建立雙側(cè)同時(shí)攪拌摩擦焊的產(chǎn)熱模型的方法包括：

由于兩側(cè)攪拌頭關(guān)于工件厚度方向幾何對(duì)稱且兩側(cè)的攪拌頭的焊接工藝參數(shù)相同，因此兩側(cè)攪拌頭的產(chǎn)熱模型相同，只建立其中一側(cè)攪拌頭的產(chǎn)熱模型；

根據(jù)攪拌頭與工件的接觸面不同，將攪拌摩擦焊接過程產(chǎn)生的熱功率分成以下四種：分別是攪拌頭軸肩端面與工件摩擦產(chǎn)生的熱功率Q_sb、攪拌頭軸肩側(cè)面與工件摩擦產(chǎn)生的熱功率Q_ss、攪拌針端面與工件摩擦產(chǎn)生的熱功率Q_pb、攪拌針側(cè)面與工件摩擦產(chǎn)生的熱功率Q_ps：

設(shè)：R₂為攪拌頭軸肩半徑，R₁為攪拌針端部半徑，h_p為攪拌針長(zhǎng)度，h為軸肩下壓量，h_g為兩側(cè)攪拌針端面之間的距離，H為工件厚度，ω為攪拌頭的轉(zhuǎn)速，σ_yield為工件材料的屈服應(yīng)力，基于攪拌摩擦焊接過程產(chǎn)熱機(jī)理，分別按下式計(jì)算Q_sb、Q_ss、Q_pb、Q_ps：

采用熱流通量指標(biāo)表示產(chǎn)熱模型，熱流通量包括面熱流通量和體熱流通量；

設(shè)攪拌針和工件摩擦產(chǎn)生的熱能被均勻地施加在攪拌針的體積范圍內(nèi)，由Q_pb、Q_ps得到體熱流通量q_volume為：

式中，V_pin是攪拌針的體積，

設(shè)攪拌頭軸肩與工件摩擦產(chǎn)生的熱能被線性的熱流通量施加在工件表面，設(shè)r是工件表面上的點(diǎn)到攪拌頭軸線的距離，且R₁≤r≤R₂；由H、h和h_g的關(guān)系，以及Q_sb、Q_ss，得到面熱流通量q_surface(r)并化簡(jiǎn)為：

設(shè)x為一組待優(yōu)化工藝參數(shù)，約束條件包括：

1)設(shè)工件表面熱影響區(qū)域約束條件為g₁(x)，式中，和分別為在當(dāng)前迭代步i和下一迭代步i+1工件表面熱影響區(qū)的寬度；

2)設(shè)工件與攪拌頭軸肩邊緣接觸區(qū)域的最高溫度的約束條件為g₂(x)，g₂(x)＝T_max(x)-T_m≤0；式中，T_max(x)為工件與攪拌針軸肩邊緣接觸區(qū)域的最高溫度；T_m為工件材料的熔點(diǎn)；

3)設(shè)工件中間厚度的最高溫度約束條件為g₃(x)，g₃(x)＝T_md(x)-T_w≥0；式中，T_md(x)為工件中間厚度區(qū)域的最高溫度；T_w為焊接溫度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙側(cè)同時(shí)攪拌摩擦焊工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，待優(yōu)化工藝參數(shù)包括：攪拌頭的轉(zhuǎn)速、攪拌頭的進(jìn)給焊接速度以及兩側(cè)攪拌針端面之間的距離。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙側(cè)同時(shí)攪拌摩擦焊工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，設(shè)v為攪拌頭進(jìn)給焊接速度，設(shè)S為工件與攪拌頭軸肩接觸面積，設(shè)f(x)為雙側(cè)同時(shí)攪拌摩擦焊焊接單位長(zhǎng)度的輸入能量，則f(x)表示如下：