专利名称：一种基于性能预测的激光拼焊板工艺优化系统和方法
技术领域：
本发明涉及激光焊接技术领域，具体是一种针对拼焊板产品的性能要求，制定优 化激光焊接工艺的系统和方法。
背景技术：
近年来，随着国民经济的增长，经济实用的汽车以其质量轻、耗油少、安全性高而 备受关注。由于激光拼焊板的应用减低了车身质量及生产成本，因而被广泛应用于汽车生 产企业。但是，长期以来关于各种高性能激光拼焊板的研发工作均局限于实验观察和一般 性理论探讨，特别是涉及到各种激光拼焊板结构的工艺设计和工艺优化时，很少能给出定 量的工艺模拟及其预测结果，由此大大增加了其研发费用及周期。若能在激光焊接领域引 入先进的计算机模拟和预测技术，则可迅速而准确地预测激光拼焊板的力学性能并及时调 整和优化激光焊接工艺，对高性能激光拼焊板的研发具有十分重要的工程意义。然而，此类 研究的相关成果在国内外均鲜见报道。最新检索工作表明，日本Kobe Steel公司在2007年向美国专利局申请了专 利"Weld metalexcellent in toughness and SR cracking resistance，，(专利号 US07597841)，该专利的内容主要为通过对焊接金属成份的调整，以获得优良的焊缝力学性 能。此外，新日本制铁公司的JosidaKhirosi在2009年向欧洲专利局申请了专利Device to forecast rupture of part subjected to pointwelding method to this end computer software and machine-readable data carrier(专利号RU2006013994820050412)，该专 利的主要内容为发明了一种基于终端计算机处理的预测点焊件破裂的装置。因为点焊时， 随着焊点数目的增加，电极头部产生的塑性变形所导致的电极头直径增大等原因会产生脱 焊，需要进行人工干预。但关于激光拼焊板力学性能预测和工艺优化方法的专利成果未见 报道。
发明内容
本发明的目的是以常用激光拼焊钢板为研究对象，具体涉及冷轧深冲板系列 Stl2及其镀锌板；高强度镀锌钢D0GAL800DP/超级拉延钢BUSD、高强度低合金钢板系列 B240/390DP等，提供一种针对拼焊板产品的性能要求，制定优化激光焊接工艺的系统和方法。实现本发明一个目的的技术方案是一种基于性能预测的激光拼焊板工艺优化 系统，该系统由SQL数据库、前处理模块、力学性能预测模块、工艺优化模块、后处理模块组 成；所述SQL数据库包含了拼焊板母材的基本信息；所述前处理模块，用于从数据库中读取激光焊接过程所需的焊件及母材基本信息 和工艺参数，为后续流程提供初始条件；所述力学性能预测模块，通过对不同工艺状态的模拟得出目标相对误差< 5%的性能预测值以及相应的最优PLS预测模型组；所述工艺优化模块，以系统数据库中已内置的优化性能范围为依据，该范围即为 拼焊板屈强比的极小值 极大值，由用户在输入相关焊接母材信息后，调出系统内置的该 拼焊板的所有屈强比值，并对其进行选择；对于所选择的某一具体的屈强比值，则可由最优 的PLS预测模型组反求得到使拼焊板力学性能最优的工艺方案；所述后处理模块，完成结果的显示输出，采用表格或图表方式对工艺优化模块的 结果进行输出，同时输出普通文本分析报告。具体如下SQL数据库功能该数据库包含了拼焊板母材的基本信息，基本信息包括材料牌 号、化学成分、母材厚度、焊件尺寸等物理性能参数、焊接工艺参数及其它系统所需数据。前处理模块具体流程为首先从SQL数据库中读取焊接工艺参数，包括焊接的母 材牌号、成分、母材厚度、焊件尺寸、激光功率、焊接速度、光斑直径、线能量、离焦量、焦距、 吸热系数等焊接工艺参数。如读取无误，则转入力学性能预测模块；如有错误，则可返回重 新读取工艺参数。力学性能预测模块，利用钢成分、拼焊板母材厚度、焊接工艺参数，建立偏最小二 乘预测(Partial Least-Squares Regression，简称“PLS”)公式，并对模型精度的检验与 控制，以期得到精度较高的PLS力学性能预测公式。工艺优化预测模块，由用户在输入相关焊接母材信息后，即可调出系统内置的该 拼焊板的所有屈强比值，并对其进行选择。对于所选择的某一具体的屈强比值，则可由最优 的PLS预测模型组反求得到使拼焊板力学性能最优的工艺方案。当用户选择项为缺省时， 工艺优化模块则将拼焊板屈强比极值范围的中限值默认为优化性能值，并由此得出相应的 最优工艺方案因素水平组合。后处理模块，用于显示输出计算结果，采用表格、图表等方式对工艺优化模块的结 果进行输出，还包括普通文本分析报告。实现本发明的另一发明目的的技术方案是一种基于性能预测的激光拼焊板工艺 优化方法，该方法包括以下步骤(1)从数据库中读取激光焊接过程所需的母材信息和工艺参数等，为后续流程提 供初始条件的步骤；(2)结合待测焊件的基本信息，基本信息包括成分、厚度和工艺参数，建立PLS力 学性能预测模型组，并对PLS公式进行精度的检验与控制，得到精度最高的PLS力学性能预 测模型组的步骤；(3)以系统数据库中已内置的优化性能范围为依据，该范围即为拼焊板屈强比的 极小值 极大值，由用户在输入相关焊接母材信息后，调出系统内置的该拼焊板的所有屈 强比值，并对其进行选择，并根据所选择的某一具体的屈强比值，求得到使拼焊板力学性能 最优的工艺方案。(4)输出优化工艺参数。所述步骤(1)进一步包括，当焊接工艺参数读取无误，则转入下一步骤；如有错 误，则可返回重新读取工艺参数；所述的焊接工艺参数是本领域技术人员所熟知的，包括 焊接板的钢种及其成分、待焊板材厚度规格、激光功率、焊接速度和光斑直径等。
所述步骤(2)中具体包括采用交叉有效性确定主成分的个数，以获得PRESSh最 小化的预测方程，利用目标相对误差5%的精度检验与控制，获得精度最高的PLS力学性能 预测模型组以及逆映射反求得到的最优激光焊接方案。所述步骤(3)中进一步包括，对于所选择的某一具体的屈强比值，由最优的PLS预 测模型组反推求得到使拼焊板力学性能最优的工艺方案；当用户选择项为缺省时，工艺优 化模块则将拼焊板屈强比极值范围的中限值默认为优化性能值，并由此得出相应的最优工 艺方案。所述步骤(4)中输出的方式可以是采用表格、曲线或智能报告方式对各预测结果 进行显示输出。本发明优点是1、能根据用户提出的拼焊板目标力学性能，提供相应的最优激光焊接工艺方案。2、能根据最优激光焊接工艺方案，进行相应的工艺模拟并预测拼焊板力学性能。 利用本发明系统，可使拼焊板的屈服强度、抗拉强度和延伸率的预测精度均达到95%以上， 从而保证了拼焊板材质控制的精度。3、本发明提供的数据库具有大量的拼焊板母材基本信息及激光焊接生产工艺参 数，界面友好、输入、输出均与生产过程保持一致，易于操作。系统各模块工作在标准配置的 计算机上运行，实现了计算与结果输出的分离，便于程序的调试、升级、维护和移植。4、本发明具有优异的普适性，可以推广应用于各种新型、超级强韧化材料的激光 焊接应用领域，其优化、预测结果有助于技术人员改进现有生产的工艺，为提高各种新型、 超级强韧化材料拼焊板的最终性能提供可靠依据。
图1为本发明的系统整体框图；图2为力学性能预测模块建立流程框图；图3为工艺优化模块建立流程框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。如图1所示，本发明以常用激光拼焊板为研究对象，建立了基于性能预测的激光 拼焊板工艺优化的方法和系统。整体模型由数据库、前处理模块、力学性能预测模块、工艺 优化模块、后处理模块组成。其中，前处理模块、后处理模块为辅模块，以实现力学性能预测 模块的建立和工艺优化模块的优化结果的显示输出。在建立如图2所示的拼焊板力学性能预测模块，为便于控制激光拼焊板力学性能 预测精度，必须结合待测焊件的厚度、工艺参数建立PLS力学性能预测模型组，并对PLS式 进行精度的检验与控制，得到精度最高的PLS力学性能预测模型组。为使上述拼焊板的PLS力学性能预测模块输出值与实际值的拟合度最好，应使得 输出值的误差平方和PRESSh最小化；同时为消除各输入变量的多重相关性影响，需采用交 叉有效性确定主成分的个数，以获得PRESSh最小化的预测方程，计算工具采用MATLAB软 件。
另外，为使所建模块具备与典型多元线性相关分析相类似的解释输入、输出变量 空间的解释能力并使其达到较高的水平，应使得主成分th对输入变量X和输出变量Y的累 积解释能力——Rdxtt和RdYtt最大化。对所建模块预测精度的控制，是利用模块的预测值与真实值的目标相对误差加以 控制(目标相对误差彡5% )，如果符合该精度要求，则输出结果；若不符合时，则返回前处 理模块重复图2的建模工作，直至达到目标相对误差为止。在进行如图3所示的工艺优化模块是以系统数据库中已内置的优化性能范围为 依据，该范围即为拼焊板屈强比的极小值 极大值，由用户在输入相关焊接母材信息后，即 可调出系统内置的该拼焊板的所有屈强比值，并对其进行选择。对于所选择的某一具体的 屈强比值(用户目标屈强比值)，则可由最优的PLS预测模型组反求得到相应的优化工艺因 素水平组合，意即得到使拼焊板力学性能最优的工艺方案。当用户选择项为缺省时，系统则 将拼焊板屈强比极值范围的中限值默认为优化目标性能值，并由此得出相应的最优工艺方 案因素水平组合。这种默认值是基于工程应用中的拼焊板均需后续的成形工艺而设，其后 续成形工艺要求拼焊板具有较高的成形性能，即屈强比不能过高。若屈强比过高，则势必使 成形性能显著降低，继而易产生各种成形缺陷。 下面结合附图，通过4个实施例进一步对本发明的实施过程进行逐步说明。实施例1以1.5mm Stl2板/镀锌板拼焊板为例，焊接工艺采用单面焊双面成形，焊接工艺 参数为功率P = 1525 1850W，焊接速度1. 6 2. Om/min，光斑直径Φ 0. 3mm 1mm，吸 收率为0. 7，焊接用透镜的焦距为127mm。应用MATLAB软件对已有的焊接工艺参数与力学性能的映射关系(Vi=P0 +Σ^,
巧，j = 0,1,…k，i = 1,2)进行PLS计算，其算法步骤如下。步骤1 焊件试样(> 9)相关工艺数据，如表1所示。表1焊件试样相关工艺数据
权利要求
一种基于性能预测的激光拼焊板工艺优化系统，其特征在于，该系统由SQL数据库、前处理模块、力学性能预测模块、工艺优化模块、后处理模块组成；所述SQL数据库包含了拼焊板母材的基本信息；所述前处理模块，用于从数据库中读取激光焊接过程所需的焊件及母材基本信息和工艺参数，为后续流程提供初始条件；所述力学性能预测模块，通过对不同工艺状态的模拟，得出目标相对误差≤5％的性能预测值以及相应的最优PLS预测模型组；所述工艺优化模块，以系统数据库中已内置的优化性能范围为依据，该范围即为拼焊板屈强比的极小值～极大值，由用户在输入相关焊接母材信息后，调出系统内置的该拼焊板的所有屈强比值，并对其进行选择；对于所选择的某一具体的屈强比值，由最优的PLS预测模型组反推求得到使拼焊板力学性能最优的工艺方案；所述后处理模块，用于完成结果的显示输出，采用表格或图表方式对工艺优化模块的结果进行输出，同时输出普通文本分析报告。
2.根据权利要求1所述的激光拼焊板工艺优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)从数据库中读取激光焊接过程所需的母材信息和焊接工艺参数，为后续流程提供 初始条件的步骤；(2)结合待测焊件母材的基本信息，基本信息包括成分、厚度和工艺参数，建立PLS力 学性能预测模型组，并对PLS公式进行精度的检验与控制，得到精度最高的PLS力学性能预 测模型组的步骤；(3)以系统数据库中已内置的优化性能范围为依据，该范围即为拼焊板屈强比的极小 值 极大值，由用户在输入相关焊接母材信息后，调出系统内置的该拼焊板的所有屈强比 值，并对其进行选择；并根据所选择的某一具体的屈强比值，求得到使拼焊板力学性能最优 的工艺方案；(4)输出优化工艺参数。
3.根据权利要求2所述的基于性能预测的激光拼焊板工艺优化方法，其特征在于，所 述步骤⑴中进一步包括，当焊接工艺参数读取无误，则转入下一步骤；如有错误，则可返 回重新读取工艺参数；所述的焊接工艺参数包括拼焊板的钢种及其成分、待焊板材厚度 规格、激光功率、焊接速度和光斑直径。
4.根据权利要求1所述的激光拼焊板工艺优化方法，其特征在于所述步骤(2)中具 体包括采用交叉有效性确定主成分的个数，以获得PRESSh最小化的预测方程，利用目标 相对误差5%的精度检验与控制，获得精度最高的PLS力学性能预测模型组以及逆映射反 求得到的最优激光焊接方案。
5.根据权利要求2所述的激光拼焊板工艺优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中进一 步包括，对于所选择的某一具体的屈强比值，由最优的PLS预测模型组反推求得到使拼焊 板力学性能最优的工艺方案；当用户选择项为缺省时，工艺优化模块则将拼焊板屈强比极 值范围的中限值默认为优化性能值，并由此得出相应的最优工艺方案。
6.根据权利要求2所述的激光拼焊板工艺优化方法，其特征在于，所述步骤(4)中采用 表格、图表或普通文本分析报告方式对工艺优化的结果进行显示输 全文摘要
本发明涉及一种基于性能预测的激光拼焊板工艺优化系统和方法，该系统由数据库、前处理模块、力学性能预测模块、工艺优化模块和后处理模块组成；前处理模块从数据库中读取激光焊接过程所需的焊件及母材基本信息和工艺参数，为后续流程提供初始条件；力学性能预测模块通过对不同工艺状态的模拟得出目标相对误差≤5％的性能预测值以及相应的最优PLS预测模型组；工艺优化模块以系统数据库中已内置的优化性能范围为依据，由用户在输入相关焊接母材信息后，调出系统内置的该拼焊板的所有屈强比值，并对其进行选择，再由最优的PLS预测模型组反求得到使拼焊板力学性能最优的工艺方案；后处理模块完成结果的显示输出。
文档编号B23K26/20GK101947693SQ20101027494
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者徐志伟, 朱伟兴, 李新城, 高毫荣 申请人:江苏大学