動(dòng)力電池1060 鋁合金薄板可調(diào)環(huán)形光斑激光搭接焊工藝優(yōu)化

宮照亮，蔣平，施建宏，徐凱欽，耿韶寧，舒樂(lè)時(shí)

(1.華中科技大學(xué),數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢,430074；2.銳科光纖激光技術(shù)股份有限公司,武漢,430073)

0 序言

1060 鋁合金中鋁含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))超過(guò)99.6%，具有密度低、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好、塑性高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，是動(dòng)力電池中極柱、連接片等關(guān)鍵連接部位的優(yōu)選材料，主要采用薄板搭接的焊接形式.激光焊接技術(shù)具有能量密度高、熱輸入小、柔性好的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大深寬比、小變形的連接，為動(dòng)力電池連接提供了有效的技術(shù)手段[3-4].然而，動(dòng)力電池制造對(duì)焊接質(zhì)量和效率要求嚴(yán)苛，隨著焊接速度提高，單一高斯激光焊接過(guò)程易失穩(wěn)，飛濺與氣孔缺陷頻發(fā)，影響動(dòng)力電池服役性能.

可調(diào)環(huán)形光斑激光焊接技術(shù)是通過(guò)由內(nèi)部高能量密度的圓形高斯光束與外部低能量密度的同心環(huán)形光束組成可調(diào)環(huán)形激光光束對(duì)工件進(jìn)行焊接的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)相同熱輸入下對(duì)光斑能量密度分布調(diào)控[5-6]，引起越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)的關(guān)注.Wang 等人[7]通過(guò)試驗(yàn)與高速攝像觀(guān)測(cè)的方法，對(duì)中厚板304 不銹鋼單激光、純環(huán)形光斑、中心-環(huán)形復(fù)合光斑激光堆焊開(kāi)展了一系列研究，結(jié)果表明環(huán)形激光光束加入能夠使匙孔狀態(tài)更加穩(wěn)定，匙孔開(kāi)口穩(wěn)定時(shí)間占比由65%～ 76%增加到97%，有效抑制飛濺缺陷的產(chǎn)生[8-9].Li 等人[10]對(duì)304 不銹鋼進(jìn)行了純環(huán)形光斑激光焊接研究，指出純環(huán)形光斑激光焊接使熔池內(nèi)部流速變慢，熔池變得更加穩(wěn)定，抑制了飛濺缺陷.Kong 等人[11]對(duì)3.1 mm厚6061 鋁合金進(jìn)行了40～ 80 mm/s 速度下的可調(diào)環(huán)形光斑激光焊接平板堆焊試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其對(duì)于焊接裂紋與氣孔也有抑制作用，實(shí)現(xiàn)了焊接速度60 mm/s、熔深1.5 mm 左右的無(wú)氣孔焊接.Shin 等人[12]對(duì)0.8 mm 厚3003 鋁合金堆焊，在140～350 mm/s 速度下開(kāi)展研究，在不考慮其他焊縫質(zhì)量的條件下，實(shí)現(xiàn)了焊接速度260 mm/s 的少氣孔焊接.

然而，上述研究多從堆焊的焊接形式出發(fā)，而動(dòng)力電池生產(chǎn)過(guò)程中多采用搭接焊形式.此外，以上研究大多針對(duì)缺陷抑制機(jī)理和方法，但是動(dòng)力電池激光焊接需要嚴(yán)格控制下板熔深、搭接寬度以及整個(gè)焊縫熔深的一致性以保證良好的力學(xué)性能和導(dǎo)電性；還需焊接速度盡量高，以保證生產(chǎn)效率，節(jié)省時(shí)間成本.目前，動(dòng)力電池極柱、轉(zhuǎn)接片等關(guān)鍵部位的激光焊接速度還局限于30～ 40 mm/s.因此，文中針對(duì)高激光焊接速度與嚴(yán)格的焊縫成形質(zhì)量之間沖突問(wèn)題，以1060 鋁合金可調(diào)環(huán)形光斑激光搭接焊為研究對(duì)象，探究?jī)?nèi)外環(huán)激光功率比等工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律，建立優(yōu)良工藝窗口，基于Kriging 近似模型，建立焊接工藝與質(zhì)量間關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)NSGA-Ⅱ多目標(biāo)工藝參數(shù)優(yōu)化方法，獲得足夠熔深與搭接熔寬、過(guò)程穩(wěn)定、無(wú)飛濺、少氣孔的最佳高速可調(diào)環(huán)形激光搭接焊工藝.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

可調(diào)環(huán)形光斑激光的能量密度示意圖如圖1 所示，焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖2 所示.試驗(yàn)采用的激光器為Nlight 激光公司的CFX-8000W 可編程光斑光纖激光器，可調(diào)節(jié)的中心-環(huán)形激光功率比范圍包括10∶0(單激光)，9∶1，8∶2，7∶3，6∶4，5∶5，4∶6，3∶7，1∶9，0∶10 十種.總激光功率最大為8 000 W，激光波長(zhǎng)為1 070 nm ± 10 nm，中心激光光纖芯徑為0.1 mm，環(huán)形激光光纖芯徑為 0.33 mm.激光頭采用德國(guó)HIGHYAG 公司的BIMO 激光加工頭，焦距310 mm，經(jīng)準(zhǔn)直鏡與聚焦鏡得到可調(diào)環(huán)形光斑，中心激光束和環(huán)形激光束的焦斑直徑分別為0.26 mm 和0.87 mm.

圖1 可調(diào)環(huán)形光斑激光焊接技術(shù)能量密度分布示意圖Fig.1 Energy density distribution diagram of adjustable ring spot laser welding

圖2 可調(diào)環(huán)形光斑激光焊接試驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.2 Schematic of equipment used for adjustable ring spot laser welding. (a) layout form of experimental platform; (b) Fiber structure and laser spot size parameters

試驗(yàn)材料采用200 mm × 80 mm × 1.5 mm 與200 mm × 80 mm × 1 mm 的1060 鋁合金薄板，化學(xué)成分如表1 所示.試驗(yàn)前，采用手持角磨機(jī)對(duì)焊接區(qū)域打磨，以去除表面致密氧化膜，然后用無(wú)水乙醇清洗，以去除表面雜質(zhì)和油污.采用圖3 中的1.5 mm 厚的板在上，1 mm 厚的板在下的搭接焊形式，兩端通過(guò)墊板與夾具夾緊.焊接試驗(yàn)過(guò)程中，以25 L/min 的99.99%純度氬氣作為保護(hù)氣，利用Phantom V611 高速攝像機(jī)對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，最大拍攝速度為 69 000 幀/s，與水平面成60°傾角，距離匙孔15 cm，通過(guò)808 nm 濾光片濾除強(qiáng)烈的光噪聲干擾，采樣率設(shè)置為5 000 幀.焊后掃描焊縫表面形貌；每道工藝焊接結(jié)果采用電火花線(xiàn)切割均勻切取6 個(gè)10 mm × 5 mm 的橫截面，于焊縫中間切取3 個(gè)尺寸為20 mm × 8 mm 的縱截面作為樣本，研磨拋光，采用凱勒試劑腐蝕1 min，采用體式顯微鏡觀(guān)察拍攝焊縫橫截面形貌，通過(guò)圖像處理提取焊縫截面形貌特征.

表1 1060 鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 1060 aluminum alloy

圖3 焊接形式與工件裝夾方式Fig.3 Welding form and workpiece clamping method

1.2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)定義

根據(jù)GB/T 22085.2-2008、GB/T 33824-2017 與鋁合金搭接焊相關(guān)文獻(xiàn)，針對(duì)1.5 mm 薄板在上、1 mm 薄板在下的1060 鋁合金搭接焊，對(duì)焊接性能評(píng)價(jià)指標(biāo)定義如下①如圖4 所示，熔深2～2.5 mm(即下板熔深為下板板厚一半以上)、熔深波動(dòng)(max|熔深-平均熔深|/平均熔深) ＜ 10%且熔深均勻一致(熔深方差盡量小)以避免未熔合或者下板焊穿的問(wèn)題；②搭接面熔寬(即下板上表面熔寬)＞ 0.9 mm(即下板板厚90%以上)、深寬比(熔寬/搭接面熔寬)盡量小以保證搭接接頭搭接面熔合良好；因?yàn)轱w濺會(huì)導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生短路，因此保證整條焊縫表面幾乎不存在飛濺缺陷；沿長(zhǎng)度方向截取任意兩段20 mm 長(zhǎng)焊縫縱截面，單個(gè)氣孔長(zhǎng)、寬、高 ≤ 0.75 mm(即0.3 × 板厚)、氣孔率 ≤ 3%.

氣孔率計(jì)算如式（1）所示，即

式中：δ為氣孔率；Si為單個(gè)氣孔投影面積；SW為焊縫投影面積.

2 結(jié)果與討論

文中首先開(kāi)展了不同中心-環(huán)形激光功率對(duì)焊縫成形影響的試驗(yàn)研究，探明了中心-環(huán)形激光功率變化對(duì)焊縫成形的影響機(jī)理，確定了最優(yōu)的中心-環(huán)形激光功率比；在此基礎(chǔ)上，研究了焊接速度、離焦量對(duì)搭接面熔寬、焊縫的均勻一致性與氣孔率的影響規(guī)律，確定了能夠獲得無(wú)飛濺、少氣孔與大搭接面寬度的高速穩(wěn)定焊接工藝窗口.

2.1 中心-環(huán)形激光功率對(duì)焊縫成形的影響

通過(guò)控制變量法設(shè)計(jì)試驗(yàn).控制焊接速度為100 mm/s、離焦量0 mm，在不同中心-環(huán)形激光功率比即中心功率：環(huán)形功率比值為10∶0(單激光)、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、0∶10 的情況下，改變總激光功率為2.1、2.4、2.6、2.9、3.3、3.8、4.2、5.05、5.9 kW，控制熔深在2～ 2.5 mm 之間，探究中心-環(huán)形激光功率比對(duì)焊縫形貌特征與成形缺陷的影響.

2.1.1 中心-環(huán)形激光功率比對(duì)焊縫形貌特征影響

不同中心-環(huán)形激光功率比下的焊縫表面宏觀(guān)形貌，如圖5 所示.結(jié)果表明，隨著環(huán)形激光功率占比增大，焊縫表面成形由粗糙、凹凸不平、寬度一致性差，逐漸變得均勻平滑連續(xù)；焊縫背部成形隨著環(huán)形激光功率占比增大，熱影響痕跡均勻連續(xù)性提高，熔透點(diǎn)數(shù)量減少，當(dāng)中心-環(huán)形激光功率比為3∶7 時(shí)，焊縫表面與背部成形質(zhì)量最好.隨著中心激光功率占比減小到20%以下時(shí)，焊縫產(chǎn)生間斷性的未熔合與過(guò)熔透.

圖5 不同中心-環(huán)形激光功率下焊縫表面與背部宏觀(guān)成形Fig.5 Macro appearance of weld surface and back under different center-ring laser power

對(duì)高速攝像結(jié)果進(jìn)行分析，如圖6 所示，中心環(huán)形激光功率比分別為10∶0、5∶5、3∶7 時(shí)，其匙孔開(kāi)口面積分別為0.148 mm2、0.317 mm2、0.549 mm2，此時(shí)熔池面積分別為2.468 mm2、3.231 mm2、5.111 mm2.相比于單激光，環(huán)形激光使匙孔開(kāi)口面積增大270.9%，熔池表面積增大107.1%.說(shuō)明隨著環(huán)形激光功率占比增大，極大地增大了熔池上半部分熔融金屬體積，使在相同焊接速度下，由于焊接過(guò)程不穩(wěn)定擾動(dòng)導(dǎo)致熔池表面產(chǎn)生浪涌時(shí)，更易被大表面積熔池通過(guò)將浪涌分散到兩側(cè)而吸收，減小了單激光焊接時(shí)浪涌對(duì)熔池前后方的沖擊所導(dǎo)致的凸起與凹坑.但中心激光功率占比低于30%，會(huì)導(dǎo)致匙孔難以形成，隨著工件對(duì)激光反射率的波動(dòng)，而產(chǎn)生間斷的過(guò)熔透與未熔合.因此，中心-環(huán)形激光功率比為3∶7 時(shí)，獲得了最佳的焊縫表面成形.

圖6 不同中心-環(huán)形激光功率比下匙孔和熔池的形態(tài)與尺寸Fig.6 Morphology and size of keyhole/molten pool under different center-ring laser power. (a)10∶0;(b) 5∶5;(c) 3∶7

不同中心-環(huán)形激光功率的焊縫輪廓標(biāo)定如圖7 所示，熔深、熔寬、余高波動(dòng)特征的提取結(jié)果，如圖8 和圖9 所示.隨著中心環(huán)形激光功率比由10∶0 變?yōu)?∶7，焊縫的熔深、熔寬以及余高波動(dòng)均減小，在5∶5 與3∶7 之間時(shí)熔深波動(dòng)最小，為20%左右，而焊縫的熔寬與余高的波動(dòng)在3∶7 時(shí)達(dá)到最小，熔寬波動(dòng)降低到30%以下，余高方差降低到424(計(jì)算單位μm).結(jié)果表明，對(duì)于鋁合金薄板激光搭接焊，當(dāng)中心-環(huán)形激光功率比為3∶7 時(shí)，焊縫宏觀(guān)成形均勻連續(xù)，形貌特征最穩(wěn)定.

圖8 不同中心-環(huán)形激光功率對(duì)焊縫形貌尺寸特征Fig.8 Different center-ring laser power on dimension characteristics of weld morphology.(a) width;(b)reinforcement;(c) weld depth

圖9 焊縫形貌特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.9 Statistical results of weld profile characteristics

這是因?yàn)橐环矫姝h(huán)形光束對(duì)于匙孔的擴(kuò)張作用，使匙孔根部開(kāi)口在一定程度上擴(kuò)大，減小了匙孔底部蒸氣壓力.由匙孔內(nèi)部受力平衡方程[13]，即

式中：P為蒸氣壓力；Ph為靜壓力；Ps為表面張力；ρ為金屬密度；x為匙孔底部離熔池的距離；γ為表面張力；r為匙孔曲率半徑.如圖10 所示，匙孔根部開(kāi)口變大，壁面表面張力更小，使匙孔底部蒸氣壓力更小.

圖10 匙孔底部受力分析Fig.10 Force analysis of keyhole bottom

另一方面環(huán)形光束促進(jìn)鋁合金等高反金屬材料對(duì)激光能量的吸收，減小激光吸收率的波動(dòng).由金屬的激光吸收率公式得出[14-15]，即

式中：ρ20為20 ℃時(shí)金屬電阻率；γ為電阻率隨溫度變化系數(shù)；T為溫度.隨著環(huán)形激光功率增大，匙孔前方區(qū)域預(yù)熱效果增強(qiáng)，加工位置對(duì)于激光的實(shí)際吸收率更快地達(dá)到峰值與穩(wěn)定狀態(tài).

2.1.2 中心-環(huán)形激光功率比對(duì)焊縫成形缺陷的影響

第2 組試驗(yàn)焊縫表面宏觀(guān)成形缺陷以及高速攝像結(jié)果，如圖11 所示.當(dāng)中心-環(huán)形激光功率比為10∶0 時(shí)，焊縫表面存在許多彌散、細(xì)小飛濺，同時(shí)由于大尺寸飛濺落在熔池尾部而產(chǎn)生凹坑與凸起缺陷.隨著環(huán)形激光功率占比增大，飛濺尺寸減小、數(shù)量減少.在中心-環(huán)形激光功率比為3∶7 時(shí)焊縫表面幾乎不存在宏觀(guān)成形缺陷.如高速攝像結(jié)果所示：在中心-環(huán)形激光功率比為10∶0 時(shí)，匙孔開(kāi)口面積小、形狀細(xì)長(zhǎng)，匙孔易于產(chǎn)生坍塌，進(jìn)而使熔池不穩(wěn)定波動(dòng)，平均每4 ms 會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重飛濺缺陷.而當(dāng)中心環(huán)形激光功率比為3∶7 時(shí)，一方面匙孔開(kāi)口面積更大，減小了匙孔上端金屬蒸氣反沖壓力，穩(wěn)定的匙孔開(kāi)口抑制了小尺寸飛濺產(chǎn)生；另一方面，熔池體積增大，流速減慢，熔池更加穩(wěn)定且其承受擾動(dòng)的能力更強(qiáng)，抑制了大尺寸飛濺的產(chǎn)生與影響.

圖11 不同中心-環(huán)形激光功率比下焊縫表面成形缺陷Fig.11 Defect of weld surface appearance under different center-ring laser power

第2 組試驗(yàn)20 mm 焊縫的內(nèi)部宏觀(guān)成形統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖12 所示.可以發(fā)現(xiàn)，氣孔是主要的內(nèi)部成形缺陷.單激光時(shí)，焊縫平均氣孔率為2.849%，直徑接近0.5 mm 的大尺寸氣孔以及許多小尺寸氣孔彌散分布在各個(gè)位置.當(dāng)中心-環(huán)形激光功率比為7∶3 時(shí)，雖然相比于單激光匙孔坍塌頻率能夠一定程度上降低，氣孔數(shù)量減少了，但會(huì)產(chǎn)生少數(shù)直徑大于0.5 mm 的大尺寸氣孔，導(dǎo)致氣孔率略有上升.隨著環(huán)形激光功率占比進(jìn)一步提高，匙孔坍塌頻率進(jìn)一步降低，氣孔率隨之降低，且氣孔分布范圍減小.當(dāng)中心環(huán)形激光功率比為3∶7 時(shí)，產(chǎn)生的氣孔直徑均在0.2 mm 以下，且分布在距離工件表面0.93 mm 以下區(qū)域，氣孔率最低(0.905%).

圖12 中心-環(huán)形激光功率比對(duì)氣孔缺陷影響Fig.12 Effect of center-ring laser power ratio on porosity.(a) size and distribution of pore;(b)result of pore extraction;(c) result of porosity statistics

對(duì)不同中心-環(huán)形激光功率比下匙孔開(kāi)口面積的提取與統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖13 所示.當(dāng)中心環(huán)形激光功率比為3∶7 時(shí)，整個(gè)焊接過(guò)程中未發(fā)生匙孔開(kāi)口閉合與坍塌，匙孔開(kāi)口面積的波動(dòng)頻率集中在250 Hz 附近(即波動(dòng)周期4 ms 左右).而單激光焊接過(guò)程中匙孔坍塌比率占21.5%，匙孔開(kāi)口面積波動(dòng)頻率分散.分析認(rèn)為，當(dāng)中心與環(huán)形激光功率比為3∶7 時(shí)：①匙孔更加穩(wěn)定，匙孔中液態(tài)金屬?gòu)较虻奶εc金屬蒸汽反沖壓力保持穩(wěn)定平衡狀態(tài)，匙孔上部釋放的能量更多，能夠有效抑制匙孔開(kāi)口閉合或匙孔中上部分產(chǎn)生橋段導(dǎo)致坍塌，進(jìn)而抑制大尺寸工藝氣孔的產(chǎn)生；②更大的熔池表面積有利于工藝氣孔與焊縫上半部分冶金氣孔逸出.而焊縫底部仍存在一定數(shù)量直徑在0.2 mm 以下的小尺寸氣孔缺陷是因?yàn)椋涵h(huán)形光束對(duì)于匙孔下半部分的增擴(kuò)效果有限，形狀細(xì)長(zhǎng)，由長(zhǎng)液柱穩(wěn)定性理論可知，在焊接過(guò)程仍有可能產(chǎn)生頸縮.

圖13 不同中心環(huán)形激光功率比下焊接過(guò)程匙孔開(kāi)口面積變化時(shí)頻分析Fig.13 Time-frequency analysis of keyhole opening area variation in welding process under different center ring laser power ratio. (a) keyhole entrance image processing; (b) time domain analysis of keyhole opening area;(c) frequency domain analysis of keyhole opening area (10:0);(d) frequency domain analysis of keyhole opening area (3:7)

2.2 焊接速度、離焦量對(duì)焊縫成形的影響

由上文確定最佳中心-環(huán)形激光功率比為3∶7，在該激光功率比下，通過(guò)控制變量法設(shè)計(jì)試驗(yàn).第2 組試驗(yàn)為在不同焊接速度30、40、50、60、70、80、90、100 mm/s、相同離焦量(0 mm)下，通過(guò)改變總激光功率3.65、3.95、4.25、4.45、4.65、4.9、5.1、5.2 kW，控制熔深均在2～ 2.5 mm 之間；第3 組試驗(yàn)為控制激光功率(5.2 kW)與焊接速度(100 mm/s)相同，改變離焦量為-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4 mm，保證熔深均在2～ 2.5 mm 之間.

圖14 為第2 組試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果.結(jié)果表明，當(dāng)焊接速度在70～ 95 mm/s 之間時(shí)，焊縫整體熔深一致性更高，并且氣孔率水平能夠達(dá)到 0.4%以下，此時(shí)搭接面熔寬存在極大值，能夠達(dá)到0.95 mm 以上，深寬比為2.56.當(dāng)焊接速度在50～ 60 mm/s 時(shí)，雖然能夠在一定程度上提高搭接面熔寬(1 mm 左右)，但此時(shí)其深寬比更大，為2.7～ 2.8，兩板間接合程度更差且熔深方差相對(duì)更大.故綜合考慮焊縫搭接面熔寬與焊接速度大小，確定合適的焊接速度參數(shù)區(qū)間為70～ 95 mm/s，該區(qū)間內(nèi)熔深方差隨之先減小后增大(存在極小值)，搭接面熔寬隨之先增大再減小且存在極大值.

圖14 焊接速度對(duì)焊縫成形影響Fig.14 Influence of welding speed on weld forming.(a)weld width of lap joint; (b) variance of weld depth;(c) depth-width ratio;(d) porosity

第3 組試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖15 所示.結(jié)果表明，離焦量對(duì)于焊縫熔深波動(dòng)性與氣孔率水平有明顯的影響，而對(duì)搭接面熔寬的影響較小.當(dāng)離焦量在2～ 4 mm 與-2～ -4 mm 時(shí)，焊縫成形最好.當(dāng)離焦量為2～ 4 mm 時(shí)，熔深波動(dòng)均在7.5%～ 9.5%之間，氣孔率最低能夠控制在0.2%以下，搭接面熔寬均在0.9 mm 以上，深寬比最小能夠達(dá)到2.57.而當(dāng)離焦量為-2～ -4 mm 時(shí)，能夠獲得更小深寬比(2.46)，其兩板間接合程度略好于前者，但其氣孔率以及熔深波動(dòng)性要明顯高于前者，分別為0.39%～0.65%與10.29%～ 17.5%.故綜合考慮焊縫氣孔率與熔深的波動(dòng)性，確定合適的離焦量參數(shù)區(qū)間為2～ 4 mm，該區(qū)間內(nèi)氣孔率隨之先減小后增大，但均保持在很低的水平(0.19%～ 0.7%).

圖15 離焦量對(duì)焊縫成形影響Fig.15 Influence of defocusing amount on weld forming.(a) weld width of lap joint;(b) variance of weld depth;(c) depth-width ratio;(d) porosity

綜上，綜合考慮氣孔率、搭接面熔寬、深寬比、熔深一致性、熔深波動(dòng)水平、焊接速度，確定了中心-環(huán)形激光功率比為3∶7、激光功率(4.55～5.25 kW)、離焦量(2～ 4 mm)與焊接速度(70～95 mm/s)的無(wú)飛濺、少氣孔與大搭接面寬度的高速穩(wěn)定焊接工藝窗口.在該工藝窗口內(nèi)，焊接過(guò)程穩(wěn)定，無(wú)飛濺產(chǎn)生，不存在直徑在0.75 mm 以上的大氣孔，氣孔率均在1.6%以下，滿(mǎn)足前文中焊接質(zhì)量要求.除上述焊縫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)之外，搭接面熔寬與熔深波動(dòng)兩類(lèi)焊縫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)直接反映兩板間接合程度與搭接焊成形質(zhì)量，在該工藝窗口內(nèi)其隨著離焦量以及焊接速度變化明顯且呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線(xiàn)性變化規(guī)律，為獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合，進(jìn)一步優(yōu)化上述2 類(lèi)焊縫性能.

3 鋁合金可調(diào)環(huán)形光斑激光搭接焊工藝參數(shù)優(yōu)化

Kriging 模型是當(dāng)前理論設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果最好的空間插值模型之一，NSGA-Ⅱ算法采用擁擠度與擁擠度比較算子保證了方案多樣性，通過(guò)精英策略保證優(yōu)化精度.因此以搭接面熔寬與熔深波動(dòng)為優(yōu)化目標(biāo)，熔深作為約束條件，建立Kriging 近似模型，通過(guò)NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，獲得最佳工藝參數(shù)組合，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.

3.1 基于Kriging 模型的工藝參數(shù)與焊接質(zhì)量之間關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)建

在前文工藝窗口中，采用拉丁超立方方法(OLHD)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，獲取24 組樣本點(diǎn)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，并記錄前文所涉及的熔深、搭接面熔寬、氣孔率、熔深波動(dòng)性四類(lèi)試驗(yàn)結(jié)果.剔除其中存在上下試板未熔合以及下板焊穿的樣本，剩余16 組試驗(yàn)樣本點(diǎn)，如表2 所示，剔除無(wú)效樣本點(diǎn)前后的樣本點(diǎn)空間填充圖如圖16 所示，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)條件下，樣本點(diǎn)在3 個(gè)設(shè)計(jì)變量維度上投影分布均勻且空間分布均勻，樣本點(diǎn)數(shù)量合適，位置合理.

表2 焊縫形貌尺寸與特征的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)Table 2 Sample point data of weld morphology size and characteristics

圖16 訓(xùn)練樣本點(diǎn)空間分布Fig.16 Spatial distribution of training sample points.(a)spatial distribution of design sample points;(b)Spatial distribution of effective sample points after filtering

為了進(jìn)一步驗(yàn)證后續(xù)優(yōu)化結(jié)果的焊接結(jié)果特性，將表2 中訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)與優(yōu)化后的焊縫性能指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.從表中可知，第8 組的熔深波動(dòng)幅度最小(4.99%)，且滿(mǎn)足焊接質(zhì)量要求，其在整個(gè)焊接過(guò)程中更加穩(wěn)定，因此在后續(xù)分析中將以其焊接結(jié)果：在80.9 mm/s 的速度下，熔深2.17 mm、最大熔深波動(dòng)4.99%、搭接面熔寬0.90 mm、氣孔率0.13%，作為對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比分析.

在上述工藝窗口范圍內(nèi)，以搭接面熔寬與熔深波動(dòng)為優(yōu)化目標(biāo)，熔深作為約束條件，建立Kriging 近似模型以解決本文的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題.其隨機(jī)過(guò)程表達(dá)式為

式中：f(x)為全局趨勢(shì)模型，通常設(shè)為未知常數(shù)項(xiàng)；Z(x)為方差δ2，均值0 的隨機(jī)過(guò)程.

隨機(jī)變量Z(x)協(xié)方差矩陣表達(dá)式為

式中：xi、xj為第i、j個(gè)樣本點(diǎn)；R(xi,xj)為樣本點(diǎn)相關(guān)函數(shù).

文中選用的相關(guān)函數(shù)為“高斯指數(shù)函數(shù)”，其表達(dá)式為

經(jīng)推算，樣本點(diǎn)x處輸出的預(yù)測(cè)值表達(dá)式為

式中：β0為 β 的估計(jì)值；rT為樣本點(diǎn)與未知點(diǎn)x之間相關(guān)矢量；y為樣本計(jì)算值組成的列矢量；f為元素全是1 的M維列矢量.

通過(guò)相對(duì)誤差(RE)定量分析模型預(yù)測(cè)精度，計(jì)算公式為

式中：N為驗(yàn)證樣本點(diǎn)的總數(shù)；yi為驗(yàn)證樣本點(diǎn)的真實(shí)試驗(yàn)值；為近似模型預(yù)測(cè)值.

隨機(jī)選取工藝窗口內(nèi)4 組樣本數(shù)據(jù)的工藝參數(shù)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與近似模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證結(jié)果如圖17 所示.

圖17 Kriging 模型的預(yù)測(cè)精度Fig.17 Prediction accuracy of Kriging model.(a) depth of fusion; (b) weld width of lap joint; (c)penetration fluctuation

結(jié)果表明，各模型預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的變化趨于基本一致.熔深、搭接面熔寬和熔深波動(dòng)的預(yù)測(cè)平均相對(duì)誤差分別為1.64%、2.79%以及9.78%，均在誤差允許范圍內(nèi)(RRE≤ 10%).總體上，所構(gòu)建的基于Kriging 模型的鋁合金可調(diào)環(huán)形激光焊接預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)性能良好，能夠達(dá)到所需預(yù)測(cè)精度要求.

3.2 基于NSGA-Ⅱ的多目標(biāo)工藝參數(shù)優(yōu)化

鋁合金可調(diào)環(huán)形激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)多目標(biāo)非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題，目標(biāo)之間存在相互促進(jìn)/制約關(guān)系，故采用非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)解決該問(wèn)題.文中設(shè)置種群大小為60，交叉概率0.9，變異概率0.1，交叉參數(shù)20，變異參數(shù)20，最大迭代次數(shù)為300.

得到Pareto 解集如圖18 所示.從中選取搭接面熔寬最大與同時(shí)保證大搭接面熔寬與小熔深波動(dòng)的兩組工藝參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn),如圖中所示的紅色點(diǎn).2 個(gè)優(yōu)化解焊接性能預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表3 所示.其中，熔深最大相對(duì)誤差為3.2%，搭接面熔寬最大相對(duì)誤差為1.08%，熔深波動(dòng)最大相對(duì)誤差為9.81%，預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差均小于10%，平均相對(duì)誤差為4.7%.由結(jié)果可知，采用NSGA-Ⅱ算法得到的鋁合金可調(diào)環(huán)形激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可靠有效，能夠在保證熔深足夠的前提下，提高兩板間的搭接面熔寬，且實(shí)現(xiàn)焊縫熔深均勻一致.

表3 最優(yōu)工藝參數(shù)組合下的相對(duì)驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Relative error results of optimal process parameter combination

圖18 NSGA-II 求解得到的Pareto 解集Fig.18 Pareto set obtained by NSGA-Ⅱ

3.3 優(yōu)化結(jié)果與焊縫質(zhì)量分析

為進(jìn)一步對(duì)優(yōu)化結(jié)果的優(yōu)越性進(jìn)行驗(yàn)證，本節(jié)針對(duì)焊縫表面成形、內(nèi)部熔深、搭接面熔寬、氣孔率等焊接性能指標(biāo)，選擇上文優(yōu)化組中兩組工藝參數(shù)組合與訓(xùn)練樣本中兩組成形較好的工藝參數(shù)組合下的焊接結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比與分析.焊接工藝結(jié)果如圖19 所示.

圖19 焊縫形貌Fig.19 Weld morphology.(a) after optimization;(b) before optimization

結(jié)果表明，優(yōu)化后焊縫表面與內(nèi)部成形最好，均勻一致性高，不存在明顯焊接缺陷，未優(yōu)化組B 雖然同樣獲得了良好的焊縫成形質(zhì)量，但其搭接面熔寬僅為0.83 mm，兩板間接合程度并不好.上述工藝參數(shù)組合與對(duì)照組第8 組工藝參數(shù)組合的熔深、搭接面熔寬、熔深波動(dòng)以及氣孔率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖20 所示.綠色范圍為滿(mǎn)足前文中的焊接質(zhì)量要求的范圍，兩個(gè)優(yōu)化組搭接面熔寬分別為0.93、0.98 mm，熔深波動(dòng)分別為5.81%、9.81%；兩個(gè)未優(yōu)化組搭接面熔寬為0.99 mm、0.83 mm，熔深波動(dòng)分別為18.52%、6.3%；對(duì)照組第8 組搭接面熔寬為0.9 mm，熔深波動(dòng)為4.99%.優(yōu)化組2 相比于對(duì)照組8 搭接面熔寬提高8.89%，熔深波動(dòng)增加了4.82%，雖然熔深波動(dòng)有一定的損失，但最優(yōu)工藝參數(shù)仍然較好的保證了熔深的穩(wěn)定性，滿(mǎn)足前文中的焊接性能指標(biāo)，搭接面熔寬得到明顯的提高.因此，最佳工藝參數(shù)組合能夠在高焊接速度、保證熔深滿(mǎn)足條件的情況下，有效提高兩板間接合程度(搭接面熔寬)，實(shí)現(xiàn)焊縫熔深均勻一致性高，同時(shí)焊接表面與內(nèi)部質(zhì)量良好，有效抑制缺陷的產(chǎn)生.將2 與A、1 與B 的兩組工藝參數(shù)組合對(duì)比，能夠得到相同結(jié)論.

圖20 測(cè)試試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比Fig.20 Comparison of test statistical results.(a) weld depth;(b) weld width of lap joint;(c) penetration fluctuation;(d) porasity

4 結(jié)論

(1)一方面環(huán)形光束能夠通過(guò)增擴(kuò)匙孔上半部分寬度，減小匙孔底部蒸汽壓力，從而減少匙孔開(kāi)口閉合并避免匙孔中上部分形成橋段導(dǎo)致坍塌，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抑制飛濺并減少氣孔缺陷，通過(guò)顯著增大上半部分熔池體積，減小熔池表面不穩(wěn)定擾動(dòng)的影響，進(jìn)而提高焊縫表面成型質(zhì)量與兩板間的接合程度；另一方面環(huán)形光束對(duì)工件表面匙孔周?chē)哂蓄A(yù)熱作用，能夠提高工件對(duì)激光的吸收率，抑制高反材料激光反射率對(duì)焊接過(guò)程穩(wěn)定性的不良影響，更易獲得均勻一致的焊縫形貌.

(2)中心與環(huán)形激光功率比對(duì)焊縫成形有明顯的影響，在100 mm/s 焊接速度、0 mm 離焦量下，當(dāng)中心環(huán)形激光功率比為3∶7 時(shí)，能夠獲得最佳的焊縫成形.此時(shí)搭接面熔寬0.91 mm、焊縫最大熔深波動(dòng)為20%～ 30%，幾乎無(wú)飛濺缺陷產(chǎn)生，所產(chǎn)生的氣孔缺陷主要為直徑在0.2 mm 以下小尺寸氣孔且集中在工件表面0.93 mm 以下的焊縫中下部.

(3)在中心環(huán)形激光功率比為3∶7 時(shí)：隨著焊接速度增大，搭接面熔寬與深寬比呈減小趨勢(shì)，熔深方差先減小再增加，在焊接速度為70～95 mm/s 時(shí)，能夠同時(shí)保證搭接面寬度0.9 mm 以上并且熔深方差最小，焊接過(guò)程穩(wěn)定；正離焦時(shí)焊縫成形質(zhì)量更好，搭接面熔寬更大且熔深波動(dòng)明顯更小，焊接過(guò)程更加穩(wěn)定，氣孔率低于0.7%.

(4)根據(jù)工藝調(diào)控結(jié)果，進(jìn)行多目標(biāo)工藝優(yōu)化，結(jié)果表明，所獲得的最佳工藝，在70 mm/s 以上的焊接速度下，保證良好焊接質(zhì)量的同時(shí)，熔深波動(dòng)滿(mǎn)足條件，并提高了焊縫的搭接面熔寬.搭接面熔寬能夠提高8.89%，熔深波動(dòng)小于10%,氣孔率小于1%，表面成形良好.