广东工业大学博士学位论文《铝钢异种材料光纤激光焊接状态视觉传感及焊缝成形研究》学术报告

作者及机构
本研究的作者为广东工业大学机电工程学院的博士研究生刘桂谦，导师为高向东教授。论文于2020年12月完成答辩，属于机械工程（焊接方向）领域，相关研究成果通过万方数据平台发布。

学术背景
随着汽车轻量化技术的发展，铝钢异种材料连接成为实现减重和节能减排的关键技术。然而，铝（熔点约660°C）与钢（熔点约1538°C）的物理性质差异显著，焊接过程中易产生气孔、裂纹及硬脆性金属间化合物（Intermetallic Compounds, IMCs），如FeAl₂、Fe₂Al₅等，严重影响接头力学性能。光纤激光焊接（Fiber Laser Welding）因其高能量密度、小热影响区和深宽比大等优势，被认为是解决铝钢连接难题的有效方法。本研究旨在通过工艺优化、中间层添加和视觉传感技术，实现高质量铝钢焊接接头，并建立焊接状态识别模型。

研究流程与方法
1. 脉冲YAG光纤激光焊接试验
- 实验设计：采用24组工艺参数（峰值功率、焊接速度、离焦量、脉冲频率）对铝钢薄板进行焊接，获得未熔合、熔合和焊穿三种焊缝形态。
- 表征方法：通过奥林巴斯显微镜观察焊缝显微组织，使用点位移激光传感器测量焊缝高度，分析能量输入（点能量E_p=峰值功率×脉冲宽度）与成形的关系。
- 结果：发现峰值功率和脉冲频率对焊缝高度影响显著，过高能量输入导致焊穿，而低能量则引发未熔合。

1. 大功率连续光纤激光焊接优化

   • 响应曲面法（Response Surface Methodology, RSM）：以激光功率（2.0–2.6 kW）、焊接速度（2.5–3.5 m/min）、离焦量（0–0.5 mm）为变量，优化焊缝宽度和搭接剪切力。
     
   • 关键发现：线能量输入（E_l=激光功率/焊接速度）是主导因素。最优参数范围为激光功率2.2–2.4 kW、离焦量0.27 mm、焊接速度2.8–3.1 m/min，此时接头强度最高（搭接剪切力达3.2 kN）。

2. 金属间化合物与断裂机制分析

   • 显微组织：扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）显示，深熔焊模式下铝钢界面形成不均匀IMCs层（厚度5–15 μm），主要为FeAl₃和Fe₂Al₅。
     
   • 断裂模式：发现两种失效形式——界面断裂（IMCs层脆性断裂）和混合断裂（铝侧韧性断裂+界面裂纹），后者力学性能更优。

3. 中间层箔片的影响

   • 添加Cu/Ni箔片：Cu箔使IMCs层厚度减少30%，Ni箔则生成Fe-Ni-Al三元化合物，显著提升接头延展性。
     
   • 能谱分析：面扫描显示Cu箔抑制Fe-Al扩散，而Ni箔促进均匀IMCs分布。

4. 视觉传感与状态识别

   • 特征提取：通过高速摄像获取熔池图像，提取金属蒸汽面积、飞溅数量、熔池尾部面积三个时频域特征。
     
   • 机器学习模型：采用支持向量机（SVM）结合遗传算法（GA）优化参数，焊接状态识别准确率达92.3%。

主要结果与逻辑关系
- 工艺优化阶段明确了线能量输入对焊缝成形的决定性作用，为后续IMCs控制提供基础；
- 中间层试验揭示了Cu/Ni对IMCs的调控机制，补充了工艺优化的局限性；
- 视觉传感模型实现了焊接过程的实时监控，形成“工艺-组织-性能”闭环研究链条。

结论与价值
1. 科学价值：阐明了铝钢激光焊接中IMCs的形成规律及断裂机制，提出了通过中间层和能量输入协同调控IMCs的策略。
2. 应用价值：为汽车轻量化制造提供了可工业化应用的焊接参数窗口和在线质量控制方法。
3. 创新点：
- 首次将响应曲面法与视觉传感结合，实现多目标工艺优化；
- 开发了基于SVM-GA的焊接状态识别算法，提升自动化水平。

亮点
- 系统性解决了铝钢焊接的三大难题：工艺不稳定、IMCs脆性、缺乏在线监测；
- 创新性引入Cu/Ni中间层，将接头延展性提高40%；
- 视觉传感模型为智能焊接提供了新范式。

其他价值
研究还探讨了二次裂纹与针状簇IMCs的关联性，为后续疲劳性能研究奠定基础。论文成果对航空航天、轨道交通等领域的异种材料连接具有普适性参考意义。