计及光散射的激光透射焊接体热源模型的构建、数值模拟与工艺优化
本文关键词： 激光透射焊接 光散射 体热源模型 温度场 数值模拟驱动 多目标优化 响应面—遗传算法 出处：《江苏大学》2017年硕士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：激光透射焊接作为一种新兴的聚合物连接技术,正越来越多地被应用到各行业及各领域中。随着激光透射焊接技术的深入研究,数值模拟在激光透射焊接过程中扮演着越来越重要的角色;在激光透射焊接过程中,上层透光材料的光散射作用使得焊接界面处激光热源的能量分布发生变化;而激光热源在激光透射焊接数值模拟中是影响数值模拟结果的决定性因素。因此,研究激光透射焊接过程中光散射对激光热源的影响对提高激光透射焊接数值模拟的准确性以及更好地指导激光透射焊接工艺具有重要的研究价值和意义。本文选用工业领域广泛应用的聚甲醛(POM)作为研究对象,对激光透射焊接POM的光散射特性进行研究,构建得到了计及光散射的激光体热源模型,并基于此体热源模型,进行数值模拟驱动的激光透射焊接POM实验,采用响应面—遗传算法(RSM-GA)进行实验设计与多目标工艺参数的优化。论文主要研究工作与成果如下:首先,采用刀刃实验法分析半导体连续激光器的光束特性,并描述激光器发射光束沿y方向的归一化激光功率通量分布;此外,将非接触式线扫描实验与激光光束功率通量的数学分析模型相结合,研究上层透光POM的光散射特性,确定POM材料的光散射相关参数,并获得激光光束穿过上层透光POM后在焊接界面处计及光散射的沿y方向的一维线能量密度分布。其次,提出并构建得到了一种能量转换数学模型,该数学模型可将一维线能量密度分布转换为点能量密度分布,并根据转换得到的点能量密度分布拟合得到焊接界面处计及光散射的激光能量密度分布函数;以拟合得到的激光能量密度分布为基础,根据朗伯—比尔定律构建得到了计及光散射的激光透射焊接体热源模型。再次,以该体热源模型作为数值模拟的激光加载热源,进行激光透射焊接POM的温度场数值模拟,在不同功率(P=10W、11W、12W)下,将数值模拟与实验得到的焊缝熔池形貌及尺寸(熔宽、上熔深、下熔深)进行对比;结果表明,模拟结果与实验结果基本吻合,证明了数值模拟模型的准确性,验证了计及光散射的激光体热源模型的准确性与可靠性。最后,基于数值模拟温度场结果的驱动,采用RSM-GA方法进行激光透射焊接POM实验设计与多目标的工艺参数优化;通过旋转中心复合设计法(CCRD)对实验进行设计与规划,采用RSM构建响应(熔宽、上熔深、下熔深、拉伸强度)与各工艺参数(激光功率、焊接速度、离焦量)间的数学分析模型,对模型进行方差分析以评价其合适性,并讨论了各工艺参数对响应的交互影响;将满意度数学函数作为GA的适应度函数,运用MATLAB中的GA工具箱对工艺参数进行多响应目标的优化,并对多目标工艺优化得到的结果进行了验证。本文的研究表明,通过非接触式线扫描实验与能量转换数学模型所构建得到的焊接界面处计及光散射的激光体热源模型具有较好的数值模拟准确性;同时,采用RSM-GA方法的模拟驱动的激光透射焊接实验设计与规划、工艺数学建模以及多响应目标优化是一种有效的方法,为更好地指导激光透射焊接实验、提高焊接质量开辟了新的途径。
[Abstract]:In this paper , the light scattering characteristics of laser transmission welded POM are studied by means of laser transmission welding . In this paper , the mathematical model of response ( laser power , welding speed , defocus amount ) of RSM is used to construct the mathematical analysis model between process parameters ( laser power , welding speed and defocus amount ) , and the interaction effect of each process parameter on the response is discussed . The results of multi - objective process optimization are verified by using the GA toolbox in MATLAB . The simulation - driven laser transmission welding experimental design and planning , process mathematical modeling and multi - response target optimization are an effective method to better guide the laser transmission welding experiment and improve the welding quality .
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG456.7
【参考文献】
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，本文编号：1470357
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