[发明专利]一种双侧同时搅拌摩擦焊工艺参数优化方法

说明书

本发明公开了一种双侧同时搅拌摩擦焊工艺参数优化方法，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。本发明基于焊接过程的产热机理，与SQP优化算法相耦合，得到了全局最优的输入能量和最佳的工艺参数组合，优化后的参数提高了焊接的效率和改善了焊接接头的质量。

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊工艺参数的优化方法，特别涉及一种双侧同时搅拌摩擦焊工艺参数优化方法。

背景技术

目前，双侧同时搅拌摩擦焊相对于常规搅拌摩擦焊具有产生对称的焊缝和热输入、提高生产效率、降低夹具上反力矩的优点。在搅拌摩擦焊焊接过程中，热量是决定最终焊接质量的关键因素，它通常提供两个主要功能:(i)使金属材料足够软，以便搅拌头搅拌形成固态焊缝，以及(ii)导致微观结构演变，从而影响接头性能。工艺参数是影响产热的主要因素，开展工艺参数优化方法的研究，有利于改善双侧同时搅拌摩擦焊焊接接头的质量和扩大该焊接方法的应用场景。到目前为止，还没有关于双侧同时搅拌摩擦焊工艺参数的报道，但人们对常规搅拌摩擦焊工艺参数优化的方法开展了大量的研究工作，以增加常规搅拌摩擦焊在工业中的应用。

常规搅拌摩擦焊工艺参数优化的方法主要有实验法和数值法。在采用实验法进行搅拌摩擦焊工艺参数优化时，需要做大量的实验和误差纠正工作，才能得到满意的结果，这种方法需要投入大量的精力、人力、财力且缺乏搅拌摩擦焊焊接机理理论指导，在一定程度上限制了该方法的应用。而数值方法由于其计算效率高、直观性强、可重复的优点逐渐成为预测搅拌摩擦焊参数的有利工具，但在工艺参数优化过程中需要进行大量的数值模拟且不能得到全局最优值，从而得不到满意的结果。因此，如何有效的避免数值法陷入局部最优并将其应用于双侧同时搅拌摩擦焊的工艺参数优化成为主要的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术中针对搅拌摩擦焊工艺参数优化的实验法理论支撑不足、过程复杂和数值法的局部最优问题，提出了一种双侧同时搅拌摩擦焊工艺参数优化方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种双侧同时搅拌摩擦焊工艺参数优化方法，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。

进一步地，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。

进一步地，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：