江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：
本文介紹了光束振蕩條件下的激光焊接工藝的實驗研究。
摘要
：本研究采用實驗設(shè)計(DoE)法研究了5級鈦板的振蕩激光焊接工藝，旨在開發(fā)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，將焊接質(zhì)量與工藝參數(shù)相關(guān)聯(lián)。對于
連續(xù)波(CW)模式
，考慮了三個參數(shù)：
峰值功率、線速度和振蕩速度
。對于
脈沖模式
，考慮了五個參數(shù)：
峰值功率、每個脈沖的匝數(shù)、占空比、線速度和振蕩速度
。反應(yīng)是多方面的，但可以分為三組：
熔合區(qū)、焊接特性和工藝的能源效率
。針對熔合區(qū)的表面寬度和深度以及工藝的能源效率開發(fā)了多項式模型，但沒有觀察到顯微硬度和孔隙率的可靠相關(guān)性。模型的Predicted-R2值高于0.82，表明有可能以足夠的精度預(yù)測接頭的質(zhì)量。
DoE結(jié)果表明，這些參數(shù)以復(fù)雜的方式相互作用并取決于響應(yīng)。在所考慮的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，激光功率對CW模式下熔合區(qū)的深度、表面寬度和能源效率的影響最大。在脈沖模式下，激光功率仍然是影響熔合區(qū)表面寬度的主要因素，但線速度對其他響應(yīng)的影響最大。由于經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷暮唵涡院妥銐虻木?，?jīng)驗?zāi)Ｐ偷拈_發(fā)有利于焊接過程的優(yōu)化。在達(dá)到最，展示了一種對熔合區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)的特定要求的優(yōu)化過程。
1.引言
經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)性是制造業(yè)的主要優(yōu)先事項。不斷上漲的能源價格和公眾環(huán)境意識是這一運動的主要驅(qū)動力。國際能源署(IEA)的一項統(tǒng)計研究表明，制造業(yè)的能源消耗量占全球電力生產(chǎn)的30%以上，占全球二氧化碳排放量的36%(國際能源署，2017)。然而，高達(dá)40%的能量輸入并不會增加產(chǎn)品的最終價值，只能用于建立穩(wěn)定的過程(Allen等，2002)。因此，需要對這些過程進行系統(tǒng)研究，特別關(guān)注能源效率。Yan等人(2017)估計，僅電弧焊接工藝的能耗降低1%，每年的總能耗就會減少20億千瓦以上。不幸的是，作為工藝參數(shù)函數(shù)的能源效率在文獻中幾乎沒有報道，特別是對于激光材料加工等非常規(guī)工藝。
本文研究了一種新的激光焊接的方法——
激光光束振蕩焊接技術(shù)
。激光焊接作為激光技術(shù)在工業(yè)制造中最流行的應(yīng)用之一，與傳統(tǒng)焊接(如電弧焊)相比，具有
能耗低、非接觸加工產(chǎn)生的磨損材料少、精度高和熱輸入低
等優(yōu)點。該過程是高度動態(tài)的，其最終質(zhì)量受到來自材料和激光輻射的眾多參數(shù)的影響。對于鑰孔模式尤其如此，這是一種深激光焊接模式，在此期間材料被強烈汽化，并且焊接深度(D)和激光束直徑(Φlaser)之間的比率為D/Φlaser1*。在激光束振蕩焊接情況下，復(fù)雜性進一步增加。該過程涉及沿焊縫或穿過焊縫以高頻振蕩的激光束，而不是傳統(tǒng)焊接中的線性軌跡。由此產(chǎn)生的高速激光束被證明可以
提高工藝的穩(wěn)定性，即減少缺陷
，特別是在鑰孔模式下。這種最新開發(fā)的技術(shù)在焊接銅和鋁等高反射材料方面顯示出潛力，表明有可能取代其他更耗能的方法。
這種技術(shù)的另一個優(yōu)點是它的
能源效率
。首先，通過合適的振蕩軌跡，可以用更小的激光束覆蓋更大的表面積，從而顯著降低激光功率以獲得相似的焊縫深度。其次，振蕩運動期間光束路徑的重疊允許每個表面位置與激光束多次相互作用。由于先前的掃描對表面進行了修改/預(yù)熱，該過程可能會增強工件中激光能量的耦合。
盡管取得了有希望的結(jié)果，但由于工藝的復(fù)雜性和許多因素的參與，建立工藝參數(shù)、焊接質(zhì)量和能源效率之間的依賴關(guān)系仍具有挑戰(zhàn)性。因此，還沒有哪項工作根據(jù)工藝參數(shù)來研究激光束振蕩焊接的能源效率。同樣，工藝參數(shù)與焊接質(zhì)量之間的相關(guān)性尚未成功確定。最近確實有一些關(guān)于這一主題的研究，其中使用了一次只改變一個因子的方法。不幸的是，這種方法有一個主要缺點，即缺乏有關(guān)因素之間可能相互作用的信息。為了克服這個問題，通常利用實驗設(shè)計(DoE)方法來研究主要因素(如激光工藝參數(shù))的影響，以及它們對選定響應(yīng)(如焊接質(zhì)量)的相互作用。這種統(tǒng)計方法已應(yīng)用于傳統(tǒng)的激光焊接，并獲得了合適的結(jié)果。特別是，Benyounis等人(2005)和Khan等人(2011)建立了多項式模型，將激光焊縫的寬度和深度與激光功率、焊接速度和焦點位置聯(lián)系起來。Vakili-Farahani等(2016)表明，相關(guān)性也可以通過線性模型可靠地表示，該模型還包含工藝參數(shù)之間的相互作用?？偟膩碚f，這種統(tǒng)計方法的優(yōu)勢在于能夠開發(fā)半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠斫粕形赐耆斫獾母叨葟?fù)雜的工藝。必須強調(diào)的是，DoE方法是提供工藝結(jié)果的簡化表示。除了預(yù)測焊接質(zhì)量的可能性之外，開發(fā)的模型還可以優(yōu)化工藝參數(shù)以滿足特定要求，這對工業(yè)應(yīng)用非常重要。
本文通過使用實驗設(shè)計(DoE)方法的參數(shù)化實驗方法，對5級Ti板的激光束振蕩焊接進行了研究。為保證成品的完整性，激光工藝必須符合規(guī)定的尺寸和機械規(guī)范；特別是它必須滿足熔合區(qū)的焊縫寬度、深度、硬度和孔隙率以及工藝能效方面的要求。
本文由5個部分組成。第2節(jié)介紹了用于實驗的激光裝置、模型設(shè)計以及所選響應(yīng)的測量步驟。第3節(jié)介紹了DoE模型，并演示了基于開發(fā)模型和接頭質(zhì)量特定要求的工藝優(yōu)化。第4節(jié)討論了這些模型。第5節(jié)總結(jié)了調(diào)查結(jié)果。
2.實驗裝置和過程
2.1激光裝置和材料
使用光纖激光器StarFiber150P進行焊接實驗。激光器可以在連續(xù)波(CW)或脈沖模式下工作。激光束通過纖芯直徑為12μm的光纖引導(dǎo)至配備170mm焦距鏡頭的激光頭掃描儀hurrySCAN30。這種配置在焦點(1/e2)處產(chǎn)生了一個直徑為30μm的激光光斑。激光頭允許各種各樣的激光束軌跡，但在目前的工作中只考慮了圓振蕩。
焊接樣品是2mm厚的5級Ti板。之所以選擇這種材料，是因為在金相制備步驟之后，它的熔合區(qū)可以很容易地用光學(xué)顯微鏡觀察到。將樣品放置在一個充滿氬氣的環(huán)境壓力(約0.945巴)的受控環(huán)境室中，以避免氧化。激光束通過一個由透射率約為90%、5mm厚的玻璃板組成的觀察窗進入腔室。
2.2實驗設(shè)計
在激光焊接中，許多因素可能會影響接頭質(zhì)量。它們可以分為兩大類：(1)工藝參數(shù)和(2)材料因素。每組又可分為子組，如工藝參數(shù)包括激光波長、激光和樣品速度等。為了揭示這些因素中哪些對焊接性能和質(zhì)量影響最大，我們采用了DoE方法。有關(guān)DoE方法論以及所有術(shù)語(如置信區(qū)間、零假設(shè)等)的詳細(xì)信息，讀者可以咨詢Montgomery(2017)。
在本文中，假設(shè)各種因素之間的相互作用對響應(yīng)有重大影響。因此，選擇了2水平析因設(shè)計或2k析因設(shè)計，其中k對應(yīng)于獨立因子的數(shù)量。這種方法考慮到每個系數(shù)k有兩個水平(Montgomery，2017)。它通常用于參數(shù)篩選。k個因子的影響及其相互作用的一階多項式模型可以用方程(1)表示：
(1)
其中Y是實驗響應(yīng)，a0是常數(shù)，Xi是因子，ai是與因子Xi相關(guān)的主效應(yīng)系數(shù)(半效應(yīng))，aij是交互效應(yīng)系數(shù)(半效應(yīng))，ε(也稱為殘余)為在響應(yīng)Y中觀察到的誤差。可以使用等式(2)計算系數(shù)或半效應(yīng)：
(2)
該模型系數(shù)矩陣，N是總運行次數(shù)，XT是模型矩陣的轉(zhuǎn)置。
模型系數(shù)矩陣是一個包含經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷南禂?shù)/因子的矩陣。矩陣形式用于促進求解使用實驗結(jié)果獲得的線性方程組。與一次只改變一個因子的方法相比，析因設(shè)計可以更好地了解實驗因素對輸出結(jié)果的影響，因為還考慮了這些因素之間可能的相互作用(Montgomery，2017)。
所需的實驗數(shù)量隨著因子的數(shù)量呈指數(shù)增加(Montgomery，2017)。因此，為了避免不可接受的實驗數(shù)量和具有許多參數(shù)的極其復(fù)雜的模型，其中大多數(shù)參數(shù)將限制為對激光過程沒有影響，有必要預(yù)先定義相關(guān)的實驗因素。為了限制調(diào)查因素的數(shù)量，僅考慮圓的直徑固定為0.5mm的圓軌跡。光束的軌跡如圖1a所示。根據(jù)焊接模式選擇相關(guān)的因素，第2.2.1和2.2.2節(jié)給出了理由。
▲
焊接過程中激光束軌跡示意圖(a)和軌跡的放大視圖，表示速度項Vl和Vw
2.2.1連續(xù)波模式
CW模式需要考慮三個因素：激光功率(Pp)、線速度(Vl)和振蕩速度(Vw)。速度項如圖1b所示，其中V1也是焊接板相對于激光頭的速度。通過初步試驗確定了所選參數(shù)的低水平(?1)和高水平(1)，實際值列于表1中。該表還包含它們的編碼值；將參數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化為?1和1是為了便于評估因素的顯著性，由于不同參數(shù)值范圍的差異，這可能會很困難。
工藝參數(shù)范圍的選擇是基于焊縫不會因飛濺而造成材料嚴(yán)重?fù)p失的要求，飛濺通常發(fā)生在高激光功率下。由于掃描儀的機械限制，最大振蕩速度為600mm/s。為了研究CW模式，我們選擇了2水平全析因設(shè)計。以隨機順序進行了總共23=8次實驗，來最小化系統(tǒng)誤差。
▲ 表1
CW模式下實驗設(shè)計的因子、水平和編碼值
2.2.2脈沖模式
連續(xù)波模式和脈沖模式的區(qū)別在于后一過程中激光束的開啟和關(guān)閉。因此，需要考慮額外的因素，為此選擇占空比Cd和每個脈沖的匝數(shù)NTP。前者可以表示為Cd=Tp?f其中Tp和f分別是激光。該因子代表1秒內(nèi)。由于激光源設(shè)置的約束，它被選為獨立因子而不是Tp和f。另一方面，NTP與Tp和Vw(振蕩速度)有關(guān)，根據(jù)NTP=，其中Φ是振蕩直徑，在這項研究中固定為0.5mm。為了解釋這個變量，值得強調(diào)的是，在這個實驗配置中獲得的熔池小于振蕩直徑。因此，連續(xù)接頭的要求之一是激光束在每個激光脈沖期間至少完成一圈，即NTP≥1。脈沖模式參數(shù)選擇范圍見表2。
基于表2的全析因設(shè)計至少需要25=32個實驗。為了減少實驗次數(shù)，我們選擇了一個分?jǐn)?shù)析因設(shè)計，其中交互作用Pp?NTP?Cd?Vl?Vw作為生成器，且Vw=Pp?NTP?Cd?Vl。這種選擇導(dǎo)致需要2(5-1)=24=16次實驗(Montgomery，2017)。在這種情況下，每個主效應(yīng)都有一個四因子交互作用(如Pp→Pp+NTP?Cd?Vl?Vw)以及每一個帶有三因子交互作用的雙因子交互作用(如Pp?NTP→Pp?NTP+Cd?Vl?Vw)(Montgomery，2017)。這被定義為一個分辨率R=V的設(shè)計。它有望提供有關(guān)主效應(yīng)和雙因素交互效應(yīng)的重要信息。
▲
脈沖模式下實驗設(shè)計的因子、水平和編碼值
2.3相關(guān)的實驗響應(yīng)和樣品分析
焊縫頂部和橫截面的代表性光學(xué)圖像如
圖2
所示。將焊縫切片，然后用Kroll試劑拋光并蝕刻15秒。由于熔化和再凝固過程，
熔合區(qū)(FZ)
對Kroll試劑的蝕刻具有最高的抵抗力，其次是
熱影響區(qū)(HAZ)
，最后是
基材(BM)
。
圖2b
的光學(xué)圖像中顯示了這三個不同的區(qū)域。
在目前的工作中，熔合區(qū)的幾何形狀，特別是表面寬度(SW)、深度(D)和顯微硬度Ha都是值得關(guān)注的。
圖2
顯示了SW和D。它們是通過AxioPlanZeiss顯微鏡的光學(xué)觀察確定的。SW直接在接縫表面測量(
圖2a
)。D被定義為在焊縫的橫向橫截面處觀察到的焊縫中心處FZ的深度(
圖2b
)。
▲
焊縫的(a)頂部和(b)橫向橫截面的代表性光學(xué)圖像。SW是指熔合區(qū)(FZ)的表面寬度，HAZ是熱影響區(qū)，BM是母材，D是焊縫深度。焊接在脈沖模式下進行，激光功率為250W，每個脈沖的轉(zhuǎn)動次數(shù)為1，占空比為0.33，線速度為1mm/s，振蕩速度為350mm/s。
FZ的顯微硬度Ha使用微壓痕測試儀通過焊接點橫向橫截面的微壓痕測試進行測量。硬度壓頭是維氏硬度計，載荷為0.98N()。對于每個橫截面，大約在FZ橫向深度的一半處制作三個壓痕：一個在焊縫中心，另外兩個在每側(cè)相距100μm，如
圖3
中的紅色箭頭所示。對每個壓痕的對角線測量十次，以獲得每個壓痕的維氏硬度的統(tǒng)計可靠平均值。然后將一個焊縫的三個壓痕值取平均值，得到FZ的平均維氏硬度。
▲
微壓痕測試后焊縫橫向橫截面的代表性光學(xué)圖像示意圖。使用250W的激光功率、8mm/s的線速度和350mm/s的振蕩速度在CW模式下進行焊接。FZ用紅色定界。微壓痕測試位置用紅色箭頭標(biāo)記。
此外，正如引言中提到的，激光束振蕩焊接技術(shù)具有很大的節(jié)能潛力。因此，在本研究中，還考慮了工藝的能源效率η。該響應(yīng)被定義為由1J的激光輸出能量產(chǎn)生的熔合區(qū)體積(Fuerschbach,1996)。因此，η可以用以下公式進行數(shù)學(xué)表達(dá)。
(3)
對于CW模式
(4)
對于脈沖模式，其中AFZ是在橫向橫截面處測量的熔合區(qū)面積(見圖3b)。為了確定能源效率η，使用軟件ImageJ在光學(xué)圖像上測量熔合區(qū)AFZ的面積。之后，使用等式(3)或(4)計算η。選擇的響應(yīng)及其符號列于
表3
中。
▲
考慮過的響應(yīng)及其符號
3.結(jié)果
本部分分為四個子節(jié)。3.1介紹了CW模式和脈沖模式的實驗結(jié)果。由于因子和響應(yīng)僅用于開發(fā)不同的模型，所以沒有對這些結(jié)果進行詳細(xì)的討論。DoE分析是使用Stat-Ease的Design-Expert?Version9軟件進行的。為了清晰和簡潔，3.2詳細(xì)描述了僅用于脈沖模式下的SW步驟和方差分析(ANOVA)作為示例。對其他所有模型進行了相同的步驟和分析，結(jié)果在3.3中給出。最后，3.4報告了過程的工藝優(yōu)化，目的是最小化激光功率(Pp)和占空比(Cd)，最大化線速度(Vl)和能量效率(η)，并實現(xiàn)730±10μm的焊接表面寬度(SW)和100±20μm的深度(D)。
3.1實驗結(jié)果
表4
和
表5
分別給出了CW和脈沖模式的實驗矩陣。它們包含表1和表2中定義的編碼值中的實驗參數(shù)列和實驗順序。為了避免系統(tǒng)誤差，實驗以隨機運行順序進行。表格顯示了所檢測響應(yīng)的測量值。
▲
Runorder
Factors
Responses
Pp
NTP
Cd
Vl
Vw
SW
[μm]
D
[μm]
Ha
[]
η
[·10?3mm3/J]
6
?1
?1
?1
?1
1
694
150
326.11
1.93
13
1
?1
?1
?1
?1
803
264
317.85
2.52
10
?1
1
?1
?1
?1
726
137
304.85
2.12
7
1
1
?1
?1
1
759
255
329.60
2.28
14
?1
?1
1
?1
?1
733
145
314.14
1.26
2
1
?1
1
?1
1
792
373
305.44
2.47
12
?1
1
1
?1
1
689
124
307.20
1.13
11
1
1
1
?1
?1
872
405
311.04
2.77
15
?1
?1
?1
1
?1
693
71
312.39
6.39
8
1
?1
?1
1
1
713
105
319.84
4.77
9
?1
1
?1
1
1
660
48
294.17
4.82
1
1
1
?1
1
?1
809
105
323.33
7.49
4
?1
?1
1
1
1
678
84
314.59
3.56
3
1
?1
1
1
?1
807
109
316.76
4.97
16
?1
1
1
1
?1
704
53
312.56
3.54
5
1
1
1
1
1
756
65
319.53
2.97
▲
3.2脈沖模式下熔合區(qū)表面寬度(SW)的建模
3.2.1SW的第一次加工圖
該響應(yīng)的平均實驗值取自
表5
。
表6
列出了所有項的半效應(yīng)(HE)和相對半效應(yīng)(RHE)。前者使用等式(2)計算，而后者被定義為HE與因子a0的比率。例如，對于因子Pp，RHE由100*=6.2%得到(見
表6
)。該響應(yīng)的半正態(tài)分布如
圖4a
所示，具有負(fù)(藍(lán)色方塊)和正(橙色方塊)標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)。在此圖中，可忽略因子的正態(tài)分布中心接近于零，而具有顯著影響的因子的正態(tài)分布中心位于其相應(yīng)的較大但未定義的效應(yīng)值(Montgomery,2017)。因此，沿粉紅色線的項對響應(yīng)的影響可以忽略不計，而偏離線的項則對響應(yīng)具有顯著影響。因此，四個主要效應(yīng)Pp、Vw、Vl和Cd被認(rèn)為對SW有顯著影響，并在圖4a中顯示為空心方塊。對未選擇的項進行了Shapiro-Wilk檢驗，得出的Shapiro-Wilkp值為0.3。該檢驗通常用于統(tǒng)計學(xué)，以檢查樣本是否來自正態(tài)分布總體(Shapiro和Wilk，1965)。它在Design-Expert?軟件中用于檢查模型中實驗確定的因子值是否呈正態(tài)分布，即代表噪聲。如果p值高于0.1，則所考慮的因素?zé)o關(guān)緊要。在本分析中獲得的0.3值證實了未被選擇的點近似呈正態(tài)分布(Shapiro和Wilk，1965)。所有項的半效應(yīng)(主要因素和相互作用)按其絕對值的降序繪制在
圖4b
中。重要項的順序如下：Pp(|HE|=45.88)Vw(25.37)Vl(12.92)Cd(10.87)。
Term
HE
RHE
[%]
a0
740.42
–
Pp
45.88
6.20
NTP
3.95
0.53
Cd
10.87
1.47
Vl
?12.92
?1.74
Vw=Pp·NTP·Cd·Vl
?25.37
?3.43
6.25
0.84
7.00
0.95
?2.13
?0.29
?2.50
?0.34
0.88
0.12
?5.5
?0.74
?2.125
?0.29
0.25
0.03
?0.38
?0.05
▲ 表6
▲
(a)半正態(tài)概率圖顯示了脈沖模式下焊縫SW的顯著(空心方塊)和不顯著(全填充方塊)影響；(b)絕對半效應(yīng)及其相互作用在脈沖模式下以降序影響SW的條形圖。
3.2.2方差分析
圖4
和
表6
中選定項的重要性也使用具有95%置信區(qū)間的方差分析進行評估，結(jié)果如表7所示。在這種情況下，錯誤概率(p值)小于0.05的重要項，給出了一個95%的置信區(qū)間，p值大于0.05的項可以忽略。參數(shù)估計中的95%置信區(qū)間是值范圍，如果重復(fù)測量，則有95%的置信水平包含參數(shù)的真實值。
表7
中顯示的F值定義為：
(5)
其中項的均方(MSTerms)是項內(nèi)的平方和與其自由度(SSTerms/DFTerm)的比值，同樣，MSResidual=SSResidual/DFResidual。F值可以與線性模型缺乏擬合的平方和有關(guān)。缺乏擬合誤差明顯大于純誤差表明殘差中還有一些東西可以通過更合適的模型去除。方程(5)是驗證“零假設(shè)”的統(tǒng)計檢驗，即缺乏對對應(yīng)響應(yīng)具有統(tǒng)計學(xué)意義的因素。通常，對于F值大于其標(biāo)準(zhǔn)誤差3倍的效應(yīng)，則拒絕零假設(shè)。從
表7
可以看出，基于選定的主要因素和交互作用建立的模型的F值約為39，這意味著該模型具有很大意義。較小的p值(0.0001)表明，該模型因噪聲而出現(xiàn)的概率僅小于0.01%。所有選定項的p值也小于0.05，表明它們具有一定的意義。因此，我們可以得出結(jié)論，所開發(fā)的模型對于所研究的工藝窗口參數(shù)在95%。
脈沖模式下SW編碼值的最終方程如下：
(6)
該模型的R2、調(diào)整后的R2和預(yù)測后的R2的值分別為0.9334、0.9091和0.8590。預(yù)測R2的高值是可取的，因為它表明模型可以以足夠的精度預(yù)測SW。
圖5
繪制了預(yù)測的SW(根據(jù)等式(6)計算)與實驗測量值的關(guān)系。我們可以觀察到模型和測量值之間的高度相關(guān)性。
▲
脈沖模式下SW的方差分析(ANOVA)
▲圖5
對于2mm厚的Ti6Al4V板材，脈沖模式下預(yù)測的SW與測量的SW。
3.3連續(xù)波和脈沖模式的表面寬度、深度和能效的建模
其他反應(yīng)的分析是按照相同的步驟進行的?？色@得兩種焊接模式下的SW、D和η響應(yīng)的重要模型，模型總結(jié)如表8和圖6所示。后者顯示了表8中給定模型的顯著因素和相互作用的相對半效應(yīng)的直觀表示，使比較更容易。總的來說，結(jié)果證實了工藝參數(shù)之間的相互作用會對接頭質(zhì)量產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。獲得的R2值表明所開發(fā)的模型具有統(tǒng)計顯著性，可用于預(yù)測所檢查的工藝參數(shù)范圍內(nèi)的相應(yīng)響應(yīng)。相反，對Ha的實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析只能得出p值大于0.05或R2值低于50%的模型。結(jié)果表明這些模型非常不重要，因此不包括在
表8
和
圖6
中。
▲
CW和脈沖模式下，DoE模型僅包含SW、D和η的顯著因素和相互作用
▲圖6
CW模式(左列)和脈沖模式(右列)下的表面寬度SW、深度D和能效η模型的顯著因素和相互作用的相對半效應(yīng)的遞增順序的圖形表示。
3.4工藝優(yōu)化
在3.3中，我們開發(fā)并驗證了重要但獨立的焊接質(zhì)量模型。然而，在現(xiàn)實生活中，通常是以具有最小特定寬度和深度。為了找到產(chǎn)生最佳局部的最優(yōu)效果的參數(shù)集，需要在過程參數(shù)空間的邊界內(nèi)進行優(yōu)化操作。在目前的工作中，我們將使用開發(fā)的模型演示在脈沖模式下焊接優(yōu)化的過程。特別是，我們定義了以下一組質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：SW=730±10μm，D=100±20μm。此外，激光功率和占空比必須最小化，而線速度必須最大化。這些標(biāo)準(zhǔn)匯總在表9中。在這項工作中，使用Design-Expert?Version9軟件進行優(yōu)化。該迭代過程在過程參數(shù)空間的邊界內(nèi)運行以搜索產(chǎn)生最佳局部最優(yōu)效果的參數(shù)集。優(yōu)化的迭代次數(shù)限制為15。
圖7顯示了過程參數(shù)空間中導(dǎo)致可行響應(yīng)值的區(qū)域的疊加。這些區(qū)域由對應(yīng)于響應(yīng)下限和上限的線限制，如SW在720-740μm范圍內(nèi)，D在80-120μm范圍內(nèi)。這些線是根據(jù)3.2和3.3中開發(fā)的模型構(gòu)建的。黃色區(qū)域滿足每個響應(yīng)的目標(biāo)。由上一段中提到的數(shù)值優(yōu)化工序確定的最佳工藝參數(shù)集，在圖7中用紅點標(biāo)記。根據(jù)模型，這組參數(shù)產(chǎn)生最接近預(yù)定義標(biāo)準(zhǔn)的響應(yīng)。相應(yīng)的工藝參數(shù)列于表9中。為了確認(rèn)此優(yōu)化結(jié)果，使用最佳參數(shù)制作了12個額外的焊接樣品。代表性樣品的光學(xué)圖像如圖8所示。SW、D和η的測量值分別為735.83±15.98μm、78.6±14.31μm和5.71±1.10*10?3mm3/J。
▲
脈沖模式下優(yōu)化焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)
▲圖 7
本示例的最佳處理參數(shù)范圍示意圖，最佳解決方案用紅點標(biāo)記。黃色區(qū)域滿足表9中的每個響應(yīng)。
▲圖8
優(yōu)化焊縫的(a)頂部和(b)橫向橫截面的光學(xué)圖像示意圖。SW是指熔合區(qū)(FZ)的表面寬度，HAZ是熱影響區(qū)，BM是母材，D是焊縫深度。焊接在脈沖模式下進行，激光功率為177.64W、線速度(Vl)為6.99mm/s、振蕩速度(Vw)為350mm/s、每個脈沖的轉(zhuǎn)動次數(shù)(NTP)為1.96，占空比(Cd)為0.33。
4.討論
在本節(jié)中，根據(jù)3.3中介紹的模型中的系數(shù)，討論了不同工藝參數(shù)對焊縫性能的影響。在詳細(xì)介紹之前，需要提到的是熔合區(qū)的尺寸是由包含主要因素和多達(dá)兩個因素的交互項的線性模型可靠地表示出來的。預(yù)測后的R2的非常高的值(高于0.85)表明，這些半經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂梢蕴峁に嚱Y(jié)果的足夠精確的預(yù)測。因此，整合復(fù)雜的物理現(xiàn)象會使模型顯著復(fù)雜化，而其精度只有略微的提高。然而，需要強調(diào)的是，本研究中開發(fā)的模型的有效性僅在選定的加工參數(shù)范圍內(nèi)得到證明。為了在處理窗口范圍之外進行推算，用于統(tǒng)計分析的實驗數(shù)據(jù)需要相應(yīng)地更新。此外，值得注意的是
圖6
中效應(yīng)符號的含義。特別是，正效應(yīng)意味著相應(yīng)因子的增加會導(dǎo)致響應(yīng)增加，反之亦然。相反，負(fù)效應(yīng)意味著相應(yīng)因子的增加導(dǎo)致響應(yīng)的降低，反之亦然。
4.1表面寬度(SW)
表8
中的線性模型表明，在兩種模式下，激光功率Pp對該響應(yīng)的影響最為顯著。在脈沖模式下，Pp和Cd的影響是正面的，而速度項Vl和Vw的影響是負(fù)面的。這一觀察結(jié)果可以用熱輸入來解釋，可用以下公式表示：
(7)
其中Vlaser是激光束相對于工件的速度。在激光束振蕩焊接的情況下，該參數(shù)可表示如下：
(8)
方程(7)表明，隨著Pp和Cd的增加，更高的輻射能量沉積到材料中，導(dǎo)致更大的熔池。另一方面，速度Vlaser的增加(在振蕩焊接的情況下是Vl和Vw的組合)會降低熱輸入，這與這些因素對響應(yīng)SW的負(fù)面影響一致。
在CW模式下觀察到類似的相關(guān)性，但在這種情況下，V1的影響相當(dāng)微不足道，因此不包括在模型中。需要進一步的研究來證實這一觀察結(jié)果，并采用全因子設(shè)計來提高分析的分辨率。
4.2熔合區(qū)的深度D
關(guān)于FZ的深度D，所構(gòu)建的模型具有非常好的p值和R2值，這表明它們相當(dāng)可靠。在脈沖模式下，Pp和Cd對D有積極影響，而速度相關(guān)項的影響則是消極的，類似于對表面寬度SW觀察到的結(jié)果。另一方面，CW模式的模型表明，在所考慮的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，僅通過預(yù)測后的R2值高達(dá)0.97的激光功率Pp就可以充分預(yù)測D。包含速度項Vl和Vw，雖然增加了模型的復(fù)雜性，但只能使預(yù)測能力有微不足道的改進。令人驚訝的是，如4.1中討論的那樣，后一項應(yīng)該直接影響熱輸入，這對深度至關(guān)重要(Benyounis等人，2005年；Vakili-Farahani等人，2016年)。為了檢驗多項式相關(guān)的可能性，對表10中列出的處理參數(shù)進行了額外的實驗。結(jié)果與初始數(shù)據(jù)一起顯示在
圖9
中。
▲圖9
在CW模式下實驗測量的熔合區(qū)深度與激光功率的關(guān)系。這些數(shù)據(jù)包括來自設(shè)計測試和新測試的結(jié)果。
獲得了高達(dá)0.95的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，這意味著存在線性相關(guān)的可能性。因此，觀察到的Vl和Vw的顯著性可能僅限于所考慮的參數(shù)范圍，不應(yīng)被視為一般趨勢。將使用全因子設(shè)計或擴展范圍的工藝參數(shù)進行進一步研究，以更好地了解相關(guān)性。
4.3能源效率η
根據(jù)定義，η是對真正有助于熔化工件的激光能量量的估計。不幸的是，由于激光材料相互作用的復(fù)雜性，制定該參數(shù)具有挑戰(zhàn)性，這需要考慮許多物理現(xiàn)象，如熱傳導(dǎo)、熔化、Maragoni效應(yīng)、蒸發(fā)和相變。由于光束路徑的重疊，其復(fù)雜度隨著激光束的振蕩運動而進一步增加。這種重疊會導(dǎo)致工件表面在隨后暴露于激光輻射之前被修改/加熱，這會顯著影響入射激光輻射的能量耦合。
在目前的工作中，成功地建立了η與工藝參數(shù)之間相關(guān)性的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。對于CW模式，Pp、Vl及其相互作用項對響應(yīng)具有積極影響，即這些因素的增加會導(dǎo)致η的增加，反之亦然。在以往的其他工作中也觀察到Pp對傳統(tǒng)激光束焊接具有積極影響。必須強調(diào)的是，根據(jù)表4和表5中的D測量值，焊接實驗是在小孔模式下進行的。因此，增加激光功率會導(dǎo)致小孔通道的深度增加，從而改善工件中的激光能量沉積。此外，預(yù)計Pp的增加會對工件表面的粗糙度產(chǎn)生更顯著的改變，從而在隨后的振蕩運動的轉(zhuǎn)彎期間增強激光吸收。另一方面，V1的影響可以簡單地歸因于，這會影響激光能量消耗的總量。
在脈沖模式下，模型更加復(fù)雜
，因為Cd和Vw的額外貢獻對η有負(fù)面影響。Pastras等人(2014)在脈沖激光鉆孔中觀察到η對Cd的類似依賴性。作者提到，由于部分能量被反射，工件中的激光能量耦合在每個激。因此，降低Cd會減少激光能量損失的總量。關(guān)于Vw，出乎意料的是，這個因素在CW模式下相當(dāng)微不足道，而在脈沖模式下有負(fù)面影響。從理論上講，Vw的增加會改善工件中的能量耦合，因為加工區(qū)由前一輪激光束預(yù)熱，這應(yīng)該會導(dǎo)致更好的光吸收。這個問題將在未來的工作中加以解決。
盡管缺乏對所開發(fā)模型的物理解釋，但這些模型對實際應(yīng)用具有重要意義。這些模型預(yù)測后的R2值高于0.8，表明它們可以在不考慮復(fù)雜物理現(xiàn)象的情況下以足夠的精度估計η。因此，可以在沒有大量計算需求的情況下對結(jié)果進行估計。模型的局限性在于它們僅在檢查的工藝參數(shù)范圍內(nèi)進行了驗證。當(dāng)考慮其他范圍，需要對模型進行驗證和適當(dāng)調(diào)整。
4.4顯微硬度Ha
在目前的工作中，沒有獲得響應(yīng)Ha的可靠相關(guān)模型。這可能是由于4.2中提到的線性假設(shè)以及與所用測量方法相關(guān)的實驗結(jié)果的不準(zhǔn)確性。
理論上，這種物理特性很大程度上取決于焊縫的微觀結(jié)構(gòu)。最近，有研究表明，接頭的微觀結(jié)構(gòu)，包括相含量、晶粒尺寸和晶粒取向，沿著接縫的橫向截面是不均勻的。在傳統(tǒng)焊接的情況下，光束沿線性路徑移動，由于冷卻速率非常高且中心有柱狀結(jié)構(gòu)，焊縫邊緣大多為等軸結(jié)構(gòu)。該技術(shù)中激光束的振蕩運動會導(dǎo)致材料重新熔化和凝固，從而導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性更高，從而導(dǎo)致顯微硬度值的波動更大。因此，宏觀尺度的機械測試，如拉伸試驗，可能可以更好地評估接頭強度。這個問題也將在未來的工作中解決。
5.結(jié)論
本文利用實驗設(shè)計方法來研究激光束振蕩焊接情況下接頭性能與工藝參數(shù)之間的相關(guān)性。實驗響應(yīng)包括焊縫熔合區(qū)的表面寬度SW、焊縫深度D和顯微硬度Ha以及工藝的能源效率η。CW和脈沖模式。為了減少模型的因素數(shù)量，僅考慮直徑為0.5mm的圓形光束路徑。對于CW模式，考慮了激光功率Pp、線速度Vl和振蕩速度Vw來進行全因子設(shè)計。對于脈沖模式，還考慮了額外的因素，占空比Cd和每個脈沖的匝數(shù)NTP。由于參數(shù)數(shù)量較多，在這種情況下只使用了部分設(shè)計。
SW和D與工藝參數(shù)之間的相關(guān)性可以通過包含兩種焊接模式的主要因素和雙因素交互項的線性模型來可靠地表示。在建立的模型中，激光功率是兩種焊接模式中最重要的因素。它對響應(yīng)有積極影響，而速度相關(guān)項有消極影響。
還為該過程的能源效率開發(fā)了可靠的模型。在CW模式下，三個主要項是Pp、Vl及其交互，其中Pp最重要。相反，V1是脈沖模式模型中最主要的因素。這種經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷拈_發(fā)對于激光束振蕩焊接工藝的工業(yè)應(yīng)用具有特別的意義，因為它們。為了演示所開發(fā)模型的使用，在CW模式下執(zhí)行一個優(yōu)化程序，并對焊縫幾何形狀和最佳能效提出了一組特定的要求。
相反，由于實驗數(shù)據(jù)的較大變化，沒有獲得可靠的顯微硬度Ha模型。測量值的變化主要來自焊縫微觀結(jié)構(gòu)的變化。由于再凝固過程中冷卻速度的差異和熔池的振蕩運動，預(yù)計會出現(xiàn)高度復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)分布。建議通過宏觀尺度力學(xué)試驗更好地評估接頭強度。
最后，不論結(jié)果如何，所開發(fā)的模型只在很窄的工藝參數(shù)范圍內(nèi)得到了驗證。因此，在工藝范圍窗口之外使用。
▲圖10
凝固結(jié)構(gòu)圖（在焊縫中的在凝固材料的晶粒結(jié)構(gòu)）
▲圖11
在200Hz（Lateralbeamoscillation）:(a)在毛剎那的分析。(1?4)為采用X射線在（a）得到的毛細(xì)管的平均形狀。Eachoftheimages圖(1?4)中的每一個圖為相1到4，參數(shù)為:fy=200Hz,ay=0.75mm,P=6kW,v=4m/minanddf=560μm.
▲圖12
在100Hz:(a)在毛細(xì)管的形。(1?4)為在采用X射線系統(tǒng)在（a）中進行測。參數(shù)為:fx,y=100Hz,ax,y=0.75mm,P=6kW,v=4m/minanddf=560μm.
▲圖13
在100Hz，縱向光束振蕩的焊接過程中的系列X射線圖像，顯示的微氣泡的形成過程和反復(fù)出現(xiàn)的泡沫通貨膨脹。工藝參數(shù)為:fx=100Hz,ax=0.75mm,P=6kW,v=4m/min,df=560μm.
Energy-efficientlaserweldingwithbeamoscillatingtechnique–Aparametricstudy,JournalofCleanerProduction,Volume313,1September2021,127796,
參考文獻：ReductionofporesbymeansoflaserbeamoscillationduringremoteweldingofAlMgSi，OpticsandLasersinEngineering，Volume108,September2018,Pages68-77,
江蘇激光聯(lián)盟陳長軍原創(chuàng)作品！