[发明专利]一种度量激光热丝焊接工艺中能量效率的方法

说明书

本发明公开了一种度量激光热丝焊接工艺中能量效率的方法，所述激光热丝焊接为对接焊，焊缝两侧的母材厚度相同，所述能量效率E_efh按以下表达式确认：本发明从能量转换和传递的物理本质出发，建立了基于焊接加工工艺参数的工艺过程能量效率模型，该模型能够度量焊接过程中的工艺能量效率，实用性强，对研究焊接过程中的工艺能量效率有很大的帮助。

技术领域

本发明涉及一种度量激光热丝焊接工艺中能量效率的方法。

背景技术

高功率激光的应用代表了先进制造技术的发展方向，激光焊接已部分替代传统连接技术并逐步应用于交通运输、航空航天及核电等制造领域。激光焊接加工虽然具有高能密聚焦、易于操作、高柔性、高效率、高质量等突出优点，但激光焊接工艺过程对零件的加工精度和装夹精度要求较高，且能耗高而能效低，这在一定程度上限制了激光焊接的应用。采用激光热丝焊能在一定程度上降低对零件对接间隙的要求，提升焊接效率，但是依然存在激光焊接加工过程能耗高，能效低的问题。所以研究激光焊接工艺过程中能量的消耗和效率就变得十分有意义。

当前工艺能耗的研究方法主要有基于工艺过程资源输入输出IPO(Input-Process-Out)方法和基于工艺试验统计模型。

采用IPO方法研究能耗，有利于对制造工艺过程的资源和能源消耗进行描述。但是该方法存在制造工艺过程被视作能量输入输出“黑箱”的问题，无法揭示工艺过程能量转换本质并开展能耗降低研究。

采用基于工艺试验统计模型开展的能耗研究，则有利于探究多工艺参数与多工艺目标的关系。已有研究基于工艺试验数据采用多响应面方法进行加工参数优化所建立工艺能效模型，能够有效降低制造过程电耗，提高设备寿命。但是采用统计方法建立的能耗模型一般为基于实验的经验模型，适用范围有限。

因此，有必要寻找一种从能量转换和传递的物理本质出发，适用范围更广的方法来研究激光焊接过程中的工艺能量效率。而本发明采用焊缝熔化体积比能来描述激光焊接工艺的能量效率，建立了能够度量激光焊接工艺过程的能量效率模型，能够有效的解决上述问题，方法简单，模型准确性高，能够用于研究工艺参数与能量效率之间的关系。

发明内容

本发明旨在提供一种度量激光热丝焊接工艺能量效率的方法，更方便的计算和研究激光焊接工艺的能效，以提升激光热丝焊接过程中工艺的能量效率。

本发明的技术方案是，提供一种度量激光热丝焊接工艺中能量效率的方法，所述激光热丝焊接为对接焊，焊缝两侧的母材厚度相同，所述能量效率由焊缝熔化体积比能E_efh表征，并按照以下表达式确定：

其中，

ρ_b为母材密度，C_pb为母材定压比热，T_bm为母材熔点温度，ΔH_b为母材熔化潜热，η_bm为母材对激光的吸收率，A_bw为母材在激光照射下的熔化率，ρ_w为焊丝密度，C_pw(T)为焊丝的定压比热，T_wm为焊丝熔点温度，ΔH_w为焊丝熔化潜热，η_wm为焊丝对激光的吸收率，A_ww为焊丝在激光照射下的熔化率，F为熔合比，k为焊缝成形系数，d为母材的厚度，δ为焊接间隙，即焊接时两块焊接母材焊接部位之间的距离，v_w为焊接速度，I为加热电流，ρ₀为焊丝在0K时的电阻率，α为焊丝电阻率温度系数，T(x)为焊丝预热温度，D为焊丝直径，L为送丝长度，T_L为焊丝末端预热温度。