[发明专利]一种双侧同时搅拌摩擦焊工艺参数优化方法

权利要求书

1.一种双侧同时搅拌摩擦焊工艺参数优化方法，其特征在于，基于搅拌摩擦焊接过程产热机理、傅里叶传热定律和能量守恒定律，建立双侧同时搅拌摩擦焊的产热模型，确定待优化工艺参数，以焊接单位长度输入能量最小为目标函数，根据焊接工艺设置约束条件，建立优化模型；采用序列二次规划算法求解优化模型，得到最优工艺参数值；

建立双侧同时搅拌摩擦焊的产热模型的方法包括：

由于两侧搅拌头关于工件厚度方向几何对称且两侧的搅拌头的焊接工艺参数相同，因此两侧搅拌头的产热模型相同，只建立其中一侧搅拌头的产热模型；

根据搅拌头与工件的接触面不同，将搅拌摩擦焊接过程产生的热功率分成以下四种：分别是搅拌头轴肩端面与工件摩擦产生的热功率Q_sb、搅拌头轴肩侧面与工件摩擦产生的热功率Q_ss、搅拌针端面与工件摩擦产生的热功率Q_pb、搅拌针侧面与工件摩擦产生的热功率Q_ps：

设：R₂为搅拌头轴肩半径，R₁为搅拌针端部半径，h_p为搅拌针长度，h为轴肩下压量，h_g为两侧搅拌针端面之间的距离，H为工件厚度，ω为搅拌头的转速，σ_yield为工件材料的屈服应力，基于搅拌摩擦焊接过程产热机理，分别按下式计算Q_sb、Q_ss、Q_pb、Q_ps：

采用热流通量指标表示产热模型，热流通量包括面热流通量和体热流通量；

设搅拌针和工件摩擦产生的热能被均匀地施加在搅拌针的体积范围内，由Q_pb、Q_ps得到体热流通量q_volume为：

式中，V_pin是搅拌针的体积，

设搅拌头轴肩与工件摩擦产生的热能被线性的热流通量施加在工件表面，设r是工件表面上的点到搅拌头轴线的距离，且R₁≤r≤R₂；由H、h和h_g的关系，以及Q_sb、Q_ss，得到面热流通量q_surface(r)并化简为：

设x为一组待优化工艺参数，约束条件包括：

1)设工件表面热影响区域约束条件为g₁(x)，式中，和分别为在当前迭代步i和下一迭代步i+1工件表面热影响区的宽度；

2)设工件与搅拌头轴肩边缘接触区域的最高温度的约束条件为g₂(x)，g₂(x)＝T_max(x)-T_m≤0；式中，T_max(x)为工件与搅拌针轴肩边缘接触区域的最高温度；T_m为工件材料的熔点；

3)设工件中间厚度的最高温度约束条件为g₃(x)，g₃(x)＝T_md(x)-T_w≥0；式中，T_md(x)为工件中间厚度区域的最高温度；T_w为焊接温度。

2.根据权利要求1所述的双侧同时搅拌摩擦焊工艺参数优化方法，其特征在于，待优化工艺参数包括：搅拌头的转速、搅拌头的进给焊接速度以及两侧搅拌针端面之间的距离。

3.根据权利要求1所述的双侧同时搅拌摩擦焊工艺参数优化方法，其特征在于，设v为搅拌头进给焊接速度，设S为工件与搅拌头轴肩接触面积，设f(x)为双侧同时搅拌摩擦焊焊接单位长度的输入能量，则f(x)表示如下：