基于SPA的6061铝合金脉冲激光焊接工艺参数优化

作者:舒服华;田会方; 刊名:焊接学报 上传者:任雪松

【摘要】以激光峰值功率、焊接速度、脉冲宽度、离焦量为优化工艺参数,以焊接接头的抗拉强度、断后伸长率、焊缝熔深、焊缝宽度为综合优化工艺目标,运用正交试验与集对分析相结合的方法对6061铝合金脉冲激光焊接工艺进行了多目标优化.通过正交试验获得数据样本,利用集对分析法对数据分析以实现工艺参数的优化.首先确定单工艺目标与理想解的同一度、对立度、贴近度,然后以单工艺目标贴近度的权重和表示综合工艺目标的贴近度.最后根据不同工艺参数、不同工艺水平的综合工艺目标的平均贴近度确定最佳工艺.优化结果为:激光功率3.5 k W、焊接速度2.4 m/min、脉冲宽度4.0 ms、离焦量-1 mm.

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0序言6061铝合金是A1-Mg-Si系可热处理强化铝合金,具有中等强度,耐蚀性能好,成形性和工艺性能佳等优点,广泛应用在航空航天和汽车等领域[1-2].焊接是加工制造6061铝合金零件和构件常用的方法.常用的焊接方法有钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊等,这些普通焊接方法容易形成裂纹、气孔、焊缝塌陷、合金元素蒸发烧损等缺陷.铝合金激光焊接技术是近些年来发展起来的新技术,具有功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于控制等优点,对提高焊接生产效率和改善焊接质量有较大的帮助,特别适合于热处理强化铝合金的焊接应用[3-4].6061铝合金激光焊接也存在一些难点,如铝及铝合金对激光的初始反射率高,导致焊接过程不稳定;光致等离子体对激光束的屏蔽作用,导致焊接过程中产生气孔、裂纹,使接头力学性能降低,甚至可能使焊接过程无法进行[5-6].脉冲激光焊接能在较小的平均输出功率下获得单脉冲较高的激光功率密度,并能更加灵活地控制热输入,因此在6061铝合金中厚板激光焊接上得到了广泛的应用[7-8].脉冲峰值功率、焊接速度、脉冲宽度和离焦量等工艺参数对脉冲激光焊接热输入,以及焊缝成形质量有重要影响[9-10].不同的焊接工艺参数条件下,熔池形态出现不同的变化,导致接头外观质量和力学性能随之改变[11].优化脉冲激光焊工艺参数是6061铝合金脉冲激光焊接工艺设计和生产的关键.正交试验是一种高效、快速经济的方法,但其对数据的处理较为简单,当因素和水平较多、或者试验结果比较接近时,难以作出准确的判断.集对分析(set pair analy-sis,SPA)是处理系统确定性与不确定性相互作用的数学工具,它能深入挖掘事物内在规律和联系,带有很强的人工智能色彩,能化不确定性问题为确定性问题.文中利用正交试验和集对分析相结合优化6061铝合金脉冲激光焊接工艺参数,根据工艺参数对应的工艺水平的贴近度大小确定最佳工艺水平,以克服正交试验分辨率差、判断精度低等问题.1试验方法试验材料为6061-T651铝合金,尺寸为200 mm×100 mm×3 mm薄板;激光焊接系统采用AM365型Nd:YAG激光器,最大输出功率4.5 k W,脉冲频率为20 Hz,波长1.06μm,焦距223 mm,焦斑直径0.6 mm;保护气体为氢气,气流量为12 L/min.采用平板单道方式焊接,焊丝为ER2319标准焊丝,送丝速度随焊接速度设定值调整,焊接后对样件进行150℃×20 h的时效处理.以激光峰值功率(A)、焊接速度(B)、脉冲宽度(C)、离焦量(D)为优化工艺参数,以焊接头的抗拉强度(x1)、断后伸长率(x2)、焊缝熔深(x3)、焊缝宽度(x4)为优化工艺目标,其中,抗拉强度、断后伸长率、焊缝熔深优化目标为极大值,由于细窄的焊缝对后续变形加工和外观有利,故焊缝宽度优化目标为极小值[12-13].设计一个4因素4水平的正交试验,试验设计如表1.表1激光焊接工艺正交试验设计Table 1 Orthogonal test design of laser welding process水平激光功率A/k W焊接速度B/(m·min-1)脉冲带宽C/ms离焦量D/mm1 2.5 1.6 3.0-22 3.0 2.0 3.5-13 3.5 2.4 4.0 04 4.0 2.8 4.5 1在QX-W800拉伸试验机上对样件进行拉伸试验,拉伸速度15 mm/min,焊缝熔深、焊缝宽度以整个焊缝长度上的平均值计,试验结果如表2所示.

参考文献

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