摘要
焊接工艺是一项涉及多工艺要素的系统性工作，需要满足多重评定标准。焊接工艺直接影响着焊接成型质量，在焊接工艺中，工艺参数的选取通常只具有范围要求而非特定值的要求。因此，如何均衡调整工艺参数以满足焊接性能指标是提高焊接工艺设计能力的核心问题。在当今工业制造领域中，对轻量化、环保化的要求促使新研焊接材料得到广泛应用，而传统的焊接工艺高度依赖于以往的工艺经验，新材料的焊接工艺无法借鉴现有的经验，导致新材料的焊接工艺可靠性问题频发。为了使新研焊接材料质量满足设计要求，降低焊接生产能耗，必须重新设计工艺参数的组合，这个过程需要耗费大量的时间和经济成本，并且对于改进焊接工艺设计能力的现有研究成果来说，计算精度和效率都不高。 针对以上问题，对新研材料焊接工艺失效进行分析，以焊接工艺失效的主要表征参数（力学性能和残余应力）为研究对象，针对Mg-5Gd-3Y镁合金材料的焊接工艺，提出一种具有通用性的焊接工艺优化及可靠性优化方法，提高了新工艺设计能力，缩短焊接工艺设计周期，确保焊接产品质量及使用可靠性水平。主要研究工作包括以下几个方面: (1)提出一种Kriging模型和粒子群算法相结合(Kriging-PSO)的优化策略，并应用到Mg-5Gd-3Y镁合金薄板交流钨极氩弧焊接接头的力学性能与工艺参数的优化中。首先，基于Kriging模型建立了焊接接头的力学性能（抗拉强度、显微硬度）与焊接工艺参数之间的函数关系;然后，通过比较试验测得的力学性能值与Kriging模型的预测值验证了模型精度，根据Kriging模型准确预测待测点的力学性能，并结合粒子群智能优化算法对焊接工艺参数进行优化;算法优化后的结果与试验最优值相近，验证了算法的有效性。最后，通过常规分析法来评价优化后焊缝的质量，从而验证所提优化方法的准确性和高效性。 (2)针对新研材料Mg-5Gd-3Y镁合金焊接残余应力开展仿真分析和基于Kriging代理模型的改进EGO算法的研究。在ANSYS环境下采用APDL语言建立焊接有限元参数化模型，研究Mg-5Gd-3Y镁合金焊件的温度场和残余应力场的演变过程，找到焊接件应力集中的薄弱环节;为了确定合理的焊接工艺参数范围，准确预测待测点的残余应力，提出了并行有限元EGO优化方法，利用有限元分析得到的数据集，构建Kriging近似模型，并通过改进EGO寻优迭代更新Kriging模型，用该方法对四个存在多个局部最优点的数值算例进行计算，说明所构建方法在收敛速度和精度方面的优势;最后，应用该方法建立焊接残余应力与工艺参数之间的近似模型，准确预测残余应力，及时预防残余应力类缺陷的产生，减少仿真计算的时间，最大限度减少焊后应力消除工序的使用。 (3)焊接残余应力是焊接产品设计可靠性和制造工艺设计可靠性的重要影响因素，由于其在可靠性分析中的功能函数为多维隐式的形式，采用一种结合主动学习U函数、Monte Carlo抽样和Kriging模型的可靠性分析方法(AK-MCS+U)。通过计算两个不同非线性程度的数值算例，验证该方法的准确性和高效性;采用AK-MCS+U方法构建了焊接残余应力可靠性分析模型，并进行了可靠性灵敏度分析，以定量的概率反映随机变量分布参数对焊接工艺可靠性的影响程度，为焊接工艺可靠性优化提供了理论依据，具有较高的工程应用价值。 (4)在确定性优化中，由于随机变量的波动性而使最优值越过约束边界成为失效解，可靠性水平较低，焊接产品容易产生缺陷。因此，建立基于缺陷概率的焊接工艺可靠性优化模型，提出了一种将物理规划算法、AK-MCS+U方法与SORA优化策略相结合的可靠性优化方法(KPP-SORA)。通过算例验证了所构建方法的有效性和高效性，并应用KPP-SORA方法对焊接工艺可靠性优化设计进行了分析;研究了在不同可靠度要求下优化目标函数值的变化情况。基于缺陷概率的焊接工艺可靠性优化模型能够有效控制新研焊接件质量，为新研材料在焊接工艺可靠性研究方面提供理论指导。
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