黃嘉沛， 顏廷培， 丁寧， 王傳洋

(蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215131)

0 前言

激光透射焊接是一種新型焊接方法，其不需與焊件直接接觸、焊接效率高、熱影響區(qū)小、自動化成度高，焊接質(zhì)量可靠，在制造行業(yè)具有獨特的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景[1]。激光透射焊接在焊接透光率高的熱塑性塑料時，一般會在焊件中添加吸收劑以實現(xiàn)透明聚合物之間的焊接，吸收劑在焊接過程中能將光能轉(zhuǎn)換為熱能，常用的吸收劑有碳黑[2]、Clearweld[3]、玻纖[4]、金屬材料[5]等。劉富榮等人[5]選取鋅粉作為吸收劑,對透明聚合物的激光透射焊接進行研究，并進行了溫度場的仿真，與試驗數(shù)據(jù)一致性較高，結(jié)果可靠。

雖然吸收劑的種類繁多，但是大部分吸收劑生產(chǎn)成本較高，因此探究由炭黑和鋁粉混合而成的吸收劑是由現(xiàn)實意義的。因傳統(tǒng)的探究焊接最佳工藝參數(shù)的方法效率較低，精確性較差，而為了提高焊接效率，降低焊接成本，故而考慮采用一定精度的優(yōu)化算法對各自目標(biāo)進行評估。目前對激光透射焊接工藝參數(shù)優(yōu)化研究方法包括：正交試驗設(shè)計法、極差法、響應(yīng)曲面法及響應(yīng)曲面與人工神經(jīng)元或遺傳算法相結(jié)合等優(yōu)化方法[6-9]，試驗結(jié)果與預(yù)測模型趨于吻合，預(yù)測精度逐步提高。張成等人[10]建立人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型成功預(yù)測熱塑性塑料激光透射焊接的焊接質(zhì)量，并建立焊接工藝參數(shù)與焊接強度的關(guān)系模型，結(jié)果表明該模型預(yù)測結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)有較高的一致性。Acherjee等人[11]運用響應(yīng)曲面法分析并討論熱塑性塑料聚甲基丙烯酸甲酯的焊接參數(shù)對焊接強度和焊縫寬度的影響。通過對比及計算，證實了建立的響應(yīng)曲面模型能有效地預(yù)測焊接強度和焊縫寬度。

支持向量機算法(Support vector machine)是一種較為成熟的機器學(xué)習(xí)算法，以統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，遵循結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小原理。因為它在處理非線性，小樣本和高維模式識別等方面有較大優(yōu)勢，因此目前在人工智能機器學(xué)習(xí)中有著廣泛的應(yīng)用[12]。文中試驗的規(guī)劃方案采用旋轉(zhuǎn)中心復(fù)合法對試驗進行方案規(guī)劃，結(jié)合LibSVM人工智能算法，對激光透射焊接聚碳酸酯的各工藝參數(shù)進行多目標(biāo)優(yōu)化，最后利用窮舉法并根據(jù)算得的預(yù)測模型，獲得全局最優(yōu)工藝參數(shù)。

1 試驗流程

1.1 焊接材料及吸收劑制取

聚合物選用GE公司生產(chǎn)的型號為PC241R的聚碳酸酯(PC)，具體參數(shù)見表1，為方便后續(xù)試驗，PC板選用的尺寸為120 mm×30 mm×2 mm。

表1 PC試樣物理性能主要參數(shù)

在吸收劑制備中，將炭黑粉末和鋁粉的目數(shù)選取1 000目，粒度約為13～15 μm。再把炭黑與鋁粉混合后制備不同配比方案的混合吸收劑,見表2。

表2 吸收劑配比方案(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗設(shè)備

試驗使用激光波長980 nm，功率20～130 W的深圳大族激光產(chǎn)的WFD120型激光器。焊接后的樣件使用WDW-200E型拉伸機在5 mm/min速度下進行拉伸直至拉斷，記錄下最大拉斷力，如圖1所示。

圖1 拉伸試驗示意圖

1.3 試驗方法

在激光透射焊接中，考慮到焊件真實形貌對焊件的接觸熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響[13-14]，因此會對焊接質(zhì)量有影響，且粗糙的表面能形成凹槽和切口使得吸收劑獲得較大的附著力，因此采用不同目數(shù)的砂紙對PC試件表面進行打磨，以獲得不同粗糙度的PC表面形貌。接著將打磨后的試件使用超聲波清洗機進行清洗，再放入干燥箱中以80 ℃溫度烘干2 h，將樣件水分烘干完畢，最后獲得的樣件如圖2所示。

圖2 不同粗糙度樣件

采用測量范圍0～800 μm，最小分辨率0.006 4 μm的表面粗糙度測量儀SE300，對試件表面粗糙度進行測量，最終采集到8 000個點的高度坐標(biāo)。

一般用輪廓算術(shù)平均偏差Ra對表面粗糙度進行定量分析，可用式 (1)表示：

(1)

式中：y(x)表示試件輪廓上各點到基線的高度函數(shù)；yi表示第i點的輪廓高度(i=1，2，…，n)；l代表取樣長度；n代表輪廓上點的總數(shù)。

由計算可知，5種試件的表面粗糙度見表3。

表3 不同砂紙打磨后的表面粗糙度

將制備完的吸收劑以0.1 kN的壓力壓覆于試件表面，使吸收劑能均勻平鋪于PC表面，如圖3所示。

圖3 吸收試件

樣件制備完畢后，擬取焊接功率范圍10～90 W，焊接速度范圍1～25 mm/s進行焊接預(yù)試驗。結(jié)果表明取焊接功率為20～60 W，焊接速度取1～17 mm/s區(qū)間內(nèi)，焊接強度較高，焊縫形貌較為美觀，焊后樣件如圖4所示。故該次焊接試驗將激光功率、焊接速度、吸收劑鋁粉含量、表面粗糙度選為工藝參數(shù)，選用旋轉(zhuǎn)中心復(fù)合法(CCD)設(shè)計4因素5水平的試驗方案并采集數(shù)據(jù)。

圖4 焊接試件

2 基于LibSVM的工藝參數(shù)建模

2.1 試驗數(shù)據(jù)采集

為確定因素分析水平表的各因素范圍，采用單因素進行試驗，在焊接速度為5 mm/s，吸收劑編號為3時，選取80目砂紙打磨過的試樣，按不同功率進行焊接試驗，獲得焊接拉斷力隨焊接功率曲線圖，如圖5所示。

圖5 拉斷力隨功率曲線圖

當(dāng)焊接功率過大或者焊接速度過小時，易使得焊件燒灼，反之則會產(chǎn)生虛焊現(xiàn)象。

同樣取80目砂紙打磨的試件，選擇3號吸收劑，分別使用20 W,30 W,40 W功率，以不同的焊接速率進行焊接試驗，獲得如圖6所示的焊接拉斷力隨焊接速度變化圖。

圖6 拉斷力隨焊接速度曲線圖

曲線表明，當(dāng)焊接速度過小時，焊件吸收熱量過多，出現(xiàn)降解現(xiàn)象，聚合物受到破壞，對拉斷力產(chǎn)生負面影響，隨著焊接速度的增加，焊件在焊接過程中吸收的熱量逐漸降低，拉斷力上升，但過大的焊接速度會使得焊件吸收熱量較小，使得拉斷力降低。

由單因素試驗可知，焊接功率和焊接速度過大或過小都對焊接質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，因此選用和焊接功率范圍為20～60 W，焊接速度范圍為1～17 mm/s，建立的因素水平表,見表4。采用旋轉(zhuǎn)中心復(fù)合法設(shè)計試驗方案并采集數(shù)據(jù)見表5。

表4 焊接工藝因素水平表

表5 試驗數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理與歸一化

在支持向量機進行回歸問題的求解時，需對數(shù)據(jù)進行分庫處理歸納，將80%試驗數(shù)據(jù)設(shè)置為訓(xùn)練組，剩下20%試驗數(shù)據(jù)設(shè)置為測試組。支持向量機算法將會使用訓(xùn)練組數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)，測試組數(shù)據(jù)將被用來判定該算法求解模型的準(zhǔn)確性。

在輸入數(shù)據(jù)前需要對數(shù)據(jù)進行如下格式轉(zhuǎn)換，以獲得算法所需的數(shù)據(jù)格式：

Label 1: value 2: value …

例如，當(dāng)需要輸入焊接功率40 W，焊接速度9 mm/s，吸收劑中鋁粉含量為40%，表面粗糙度0.320 μm，算法輸出的最大拉斷力為0.52 kN，則可表示為：

0.52 1:40 2:9 3:0.4 4:0.320

考慮到原數(shù)據(jù)范圍過大，為讓算法更快速的訓(xùn)練與測試，需對數(shù)據(jù)進行歸一化處理。使用svmscale程序在[-1,1]范圍內(nèi)對數(shù)據(jù)的進行縮放。具體程序如下所示：

svm-scale.exe [-l lower] [-u upper] [-y y_lower y_upper] [-s save_name] [-r store_name] filename。

2.3 交叉驗證

通過對訓(xùn)練樣本的交叉驗證，選擇最佳訓(xùn)練參數(shù)后訓(xùn)練速度會更快。在處理回歸模型預(yù)測問題時，有3個訓(xùn)練參數(shù)：C，G和P是需要考慮的，參數(shù)C指懲罰因子。C的值越大，模型出現(xiàn)過擬合越嚴(yán)重。參數(shù)P指支持向量機的區(qū)間帶ε，是滿足停止條件所需的最大誤差值，參數(shù)G是核函數(shù)參數(shù)?？紤]到人工求參計算量大，我們使用libsvm工具箱gridregression.py計算：

python gridregression.py -log2c -10,10,1 -log2g -10,10,1 -log2p -10,10,1 -v10 -s 3 -t 2 trainscale.txt

式中：-t 2表示使用徑向基核函數(shù)； -s 3表示進行回歸。

2.4 模型驗證

在此基礎(chǔ)上，得到優(yōu)化模型的歸一化的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和訓(xùn)練參數(shù)，并用RBF徑向核函數(shù)對數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練以獲得最佳回歸模型。基于該回歸模型，將測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入獲得預(yù)測結(jié)果，將預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，獲得預(yù)測模型的偏差率。

試驗獲得的最大拉斷力與模型預(yù)測結(jié)果見表6，其中最大誤差率為6.62%，平均誤差率為4.08%，最終計算均方根誤差值為0.002 816 29，相關(guān)系數(shù)為0.917 335，結(jié)果顯示該模型可靠性較高。

表6 最大拉斷力誤差表

試驗獲得的焊縫寬度與模型預(yù)測結(jié)果見表7，其中最大誤差為4.00%，平均誤差率為2.13%最終計算均方根誤差為0.0128 312，相關(guān)系數(shù)為0.982 113，結(jié)果顯示該模型可靠性較高。

表7 焊縫寬度誤差表

3 焊接工藝參數(shù)分析與優(yōu)化

在焊接拉伸試驗中不難看出，衡量焊接質(zhì)量的一個重要指標(biāo)是焊縫強度的大小，文中采用剪切應(yīng)力來表征焊接強度，其計算公式如下：

(2)

式中:L指焊縫長度,mm；W指焊縫寬度,mm；F指最大拉斷力,kN；S指焊縫面積,mm2；σ指焊接強度,MPa。

3.1 吸收劑配比與焊接強度關(guān)系

在焊接功率和速度分別為30 W和5 mm/s，表面粗糙度值為1.77時，由模型預(yù)測出的拉斷力和焊縫寬度，再計算出焊接強度與吸收劑鋁粉含量的變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 焊接強度隨吸收劑鋁粉含量變化關(guān)系

由圖可知，焊件的焊接強度隨鋁粉含量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，并在鋁粉含量達到30%時，焊件獲得最大焊接強度為9.624 MPa。

3.2 焊接功率與焊接強度關(guān)系

在焊接速度為5 mm/s，表面粗糙度為1.77，吸收劑編號為3時，由模型預(yù)測出的拉斷力與焊縫寬度，再經(jīng)計算得出焊接強度與功率變化關(guān)系如圖8所示。

圖8 焊接強度隨焊接功率變化關(guān)系

由圖8可知，焊件的焊接強度隨焊接功率的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，并在功率達到35 W時，焊件獲得最大焊接強度為10.195 MPa。

3.3 焊接速度與焊接強度關(guān)系

在焊接功率為30 W，表面粗糙度為1.77 μm，吸收劑編號為3時，由模型預(yù)測出的拉斷力與焊縫寬度，經(jīng)計算得出焊接強度與焊接速度變化關(guān)系如圖9所示。

圖9 焊接強度隨焊接速度變化關(guān)系

由圖9可知，焊件的焊接強度隨焊接速度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，并在速度達到6 mm/s時，焊件獲得最大焊接強度為9.983 MPa。

3.4 表面粗糙度與焊接強度關(guān)系

在焊接功率和速度分別為30 W和5 mm/s，吸收劑編號為3時，由模型預(yù)測的拉斷力與焊縫寬度，經(jīng)計算得出焊接強度與表面粗糙度變化關(guān)系如圖10所示。

圖10 焊接強度隨表面粗糙度變化關(guān)系

由圖10可知，在表面粗糙度從0.11 μm至1.77μm區(qū)間內(nèi)，焊件焊接強度隨焊件表面粗糙度的增加而增加，并在表面粗糙度達到1.77 μm時，獲得最大的焊接強度為10.967 MPa。

3.5 工藝參數(shù)

基于建立的回歸模型只能由輸入數(shù)據(jù)進行預(yù)測，無法對全部數(shù)據(jù)進行全局尋優(yōu)，因此需要使用窮舉法對范圍內(nèi)所有的工藝參數(shù)逐一進行比對。

將焊接功率從20 W開始，步長為1 W，共有21個水平(20 W，21 W，…，40 W)，同理，焊接速度從2 mm/s開始，步長為1 mm/s，共有19個水平(2 mm/s，3 mm/s，…，20 mm/s)，吸收劑中的鋁粉含量從1%開始，步長為1%，直至鋁粉含量為100%(1%，2%，…，100%)。由于焊件表面粗糙度較難準(zhǔn)確劃分，因此仍選為初始5水平。

經(jīng)排列組合計算得出，該4種因素的試驗數(shù)量共計有147 000組，將上述試驗中的焊接工藝參數(shù)分別代入拉斷力與焊縫寬度預(yù)測模型來對拉斷力和焊縫寬度進行預(yù)測，最后根據(jù)焊接強度公式計算出焊縫連接的焊接強度。通過該回歸模型計算得出在焊接功率和速度分別為37 W和5 mm/s，吸收劑中的鋁粉含量為29%，焊件表面粗糙度為1.77時，能夠獲得最大的焊接強度，模型預(yù)測焊接強度為12.78 MPa。為驗證模型準(zhǔn)確性，選取模型預(yù)測的最優(yōu)工藝參數(shù)進行焊接試驗，試驗結(jié)果顯示焊接強度為13.03 MPa，與模型預(yù)測值誤差為1.96%。驗證試驗結(jié)果表明，該預(yù)測模型準(zhǔn)確性較高，進一步證實該工藝參數(shù)為最優(yōu)工藝參數(shù)。

4 結(jié)論

(1)通過LibSVM建立激光透射焊接聚碳酸酯的最大拉斷力與焊縫寬度之間的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，并將模型預(yù)測值與試驗值對比，誤差僅為1.96%，模型準(zhǔn)確性較高，具有預(yù)測焊接質(zhì)量得實際意義。

(2)制定了更有效的優(yōu)化準(zhǔn)則，即由焊接強度的大小來統(tǒng)一衡量。經(jīng)全局分析尋優(yōu)后得出：當(dāng)焊接功率和速度分別為37 W和5 mm/s，表面粗糙度為1.77 μm時，能夠獲得最大焊接強度為12.78 MPa，在此焊接參數(shù)下，能夠獲得最佳的焊接效果。

(3)提出將鋁粉和碳粉混合制成吸收劑，并由模型預(yù)測和試驗數(shù)據(jù)論證當(dāng)鋁粉含量為29%時能夠獲得最佳焊接效果。