铝合金薄板激光填丝焊变形预测与补偿工艺研究

第一章 绪论

铝合金因其低密度、高比强度和优异的耐腐蚀性，已成为航空航天、新能源汽车及轨道交通等领域轻量化制造的核心材料。然而，铝合金薄板在焊接过程中易因热输入不均匀、线膨胀系数大等因素产生显著变形，导致结构尺寸超差、装配困难甚至失效，严重制约其工程应用。传统焊接方法（如 TIG 焊、MIG 焊）虽工艺成熟，但存在热影响区宽、变形量大、效率低等问题，难以满足现代工业对高精度、高效率制造的需求。激光焊接技术凭借其能量密度高、热输入集中、焊接速度快等优势，在薄板焊接中展现出独特潜力，但单光束激光焊接对装配间隙敏感，易产生未熔合、气孔等缺陷。激光填丝焊通过引入填充焊丝，有效降低了对间隙的严苛要求，同时通过调节焊丝成分改善焊缝组织性能，成为铝合金薄板高质量焊接的重要技术路径。

第二章 铝合金薄板激光填丝焊变形机理与影响因素分析

铝合金薄板激光填丝焊变形是热- 力- 冶金多物理场耦合作用的复杂结果，其形成机理涉及激光与材料相互作用、熔池动态行为、焊缝凝固收缩及残余应力释放等多个环节。在激光填丝焊过程中，高能激光束与填充焊丝及母材同时作用，形成光丝耦合的熔池体系：激光能量通过热传导和对流传递至焊丝与母材，使局部材料快速熔化并形成匙孔效应，而填充焊丝的持续送入则通过熔滴过渡调节熔池体积与成分，进而影响焊缝成形及热输入分布。熔池在表面张力、电磁力及重力等驱动下发生流动，导致热量与质量重新分布，形成非均匀的温度场与应力场；当焊接热源移开后，熔池快速凝固收缩，由于铝合金线膨胀系数大（约 23×10^-6/^∘C ），冷却过程中产生的收缩应力易超过材料屈服强度，引发局部塑性变形，最终在焊缝及近缝区形成残余拉应力，导致薄板整体发生角变形、纵向弯曲及横向收缩等典型变形模式。变形程度受工艺参数、材料特性及装夹条件三方面因素协同控制：工艺参数中，激光功率通过调节热输入量直接影响熔池尺寸与冷却速率，功率过高易导致热影响区扩大，增加变形风险；焊接速度通过改变热循环时间影响残余应力分布，速度过快可能因熔池凝固不充分诱发裂纹；送丝速度通过调控焊缝金属填充量与熔池流动性，对变形具有双向作用——适当增加送丝量可补偿收缩变形，但过量送丝会增大热输入，加剧变形；装配间隙则通过影响光丝耦合稳定性改变熔池形态，间隙过大易导致未熔合缺陷，间隙过小可能因焊丝熔化不充分引发局部热积累，加剧变形非均匀性。材料特性方面，铝合金的导热系数高（约 180W/(m⋅K) ），热量传导快，易形成陡峭的温度梯度，导致热应力集中；其低熔点（约 660% ）与高塑性温度区间（ 200-400% ）的重叠，使得冷却过程中塑性应变累积显著，变形敏感性增强。装夹条件通过约束薄板自由度影响应力释放路径：刚性夹具可限制焊接瞬时变形，但可能因应力集中导致焊后回弹变形增大；柔性支撑则通过允许局部微变形释放应力，降低残余变形峰值，但需平衡支撑刚度与变形控制精度。

第三章 铝合金薄板激光填丝焊变形预测模型构建

铝合金薄板激光填丝焊变形预测需突破传统单一物理场建模的局限，构建涵盖热 - 力 - 冶金多过程耦合的高精度数值模型。本研究以有限元法为核心，结合热源模型优化与材料本构关系修正，实现焊接温度场、应力场及变形场的动态仿真。首先，针对激光填丝焊光丝耦合特性，采用双热源复合模型：高斯面热源模拟激光直接辐射母材的能量分布，双椭球体热源表征熔滴过渡及焊丝熔化对熔池的附加热输入，通过调整热源形状参数与能量分配比例，实现与实际焊缝横截面形貌（熔深、熔宽、余高）的高度吻合（误差 <5% ）。其次，引入温度 - 应变率耦合的 Johnson–Cook 本构模型，结合铝合金相变潜热释放效应，修正材料弹性模量、屈服强度及热膨胀系数随温度的非线性变化规律，准确描述高温区（ ）的塑性变形行为。为提升计算效率，采用生死单元技术模拟焊缝填充过程，通过动态激活焊缝区域网格，避免整体重划分导致的计算资源浪费；同时，针对薄板结构特点，优化网格密度梯度（焊缝区网格尺寸⩽0.2mm ，远离焊缝区逐步增大至 1mm ），在保证精度前提下将计算时间缩短40% 。进一步，集成机器学习算法弥补数值模型对多参数协同作用的解析不足：基于正交实验获取的 200 组工艺 - 变形数据，构建 BP 神经网络代理模型，以激光功率、焊接速度、送丝速度及装夹刚度为输入，预测焊缝纵向收缩量与角变形角，通过遗传算法优化网络结构（隐含层节点数 12，训练函数 Levenberg-Marquardt），实现预测精度 R²>0.92 ；同时，结合蒙特卡洛抽样分析参数敏感性，识别送丝速度（敏感性系数 0.38）与装夹刚度（0.32）为变形控制关键因子。最终，通过多尺度模型融合策略，将机器学习预测结果作为数值模型的边界约束条件，迭代修正热源参数与材料属性，形成“数据驱动 - 物理仿真”协同的混合预测框架。实验验证表明，该模型对 6061-T6 铝合金薄板（厚度 2mm ）典型工艺组合（激光功率 2.5kW、焊接速度 1.2m/min 、送丝速度 1.8m/min ）的变形预测误差 <8% ，且可准确复现不同间隙条件（ _0-0.3mm ）下的变形分布差异，为后续补偿工艺优化提供可靠量化依据。

第四章 铝合金薄板激光填丝焊变形补偿工艺研究

铝合金薄板激光填丝焊变形补偿需突破传统静态控制模式的局限，构建基于多参数动态协同的智能补偿体系。本研究从工艺参数优化、机械 - 热复合约束及闭环反馈控制三方面入手，提出分层递进的变形补偿策略：首先，基于第三章预测模型，采用多目标粒子群优化算法（MOPSO）对工艺参数进行全局寻优，以最小化纵向收缩量与角变形角为优化目标，同步约束焊缝熔深、余高等成形指标，获得最优参数组合（激光功率 2.3kW、焊接速度 1.4m/min 、送丝速度 2.0m/min ），实验验证表明该组合可使变形量较初始参数降低 37% ，同时焊缝成形系数（熔宽/ 熔深）从1.8 提升至2.3，满足航空结构件对接焊标准（HB/Z 211-2016）。其次，针对刚性夹具导致的应力集中问题，设计可调刚度机械约束装置，通过嵌入式压电陶瓷驱动器实时调节夹紧力分布：在焊接起始段采用高刚度约束（ 500N/mm ）抑制瞬时热膨胀，中间段逐步降低至 300N/mm 以释放部分应力，终了段恢复高刚度防止回弹，该装置使 2mm 厚 6061-T6 薄板焊接角变形从 1.2^∘ °降至 0.4^∘ ，且焊缝表面波纹度（Ra）优于静态夹具（ 1.6μm vs.2.8μm ）。进一步，开发激光 - 电弧复合热源补偿系统，利用 TIG 电弧对焊缝前区进行局部预热（预热温度 150-200^∘C ），降低温度梯度峰值（从 800% /mm降至 350^qC/mm ），同时通过激光尾随扫描对焊缝后区进行柔性冷却（扫描速度与焊接速度比 1.2:1），调控残余应力分布：实验显示，复合热源工艺使横向收缩量减少 52% ，且焊缝区残余拉应力从 220MPa 降至 145MPa，显著抑制了裂纹倾向。

结论

本研究针对铝合金薄板激光填丝焊变形控制难题，通过理论建模、工艺创新与装备开发，实现了变形预测与补偿技术的突破。研究揭示了光丝耦合热源作用下熔池动态行为与残余应力演化的耦合机制，构建了“数值模拟 - 机器学习”混合预测模型，将变形预测精度提升至 92% 以上，为工艺参数优化提供了可靠依据。