薄壁航空航天部件电子束焊接的瞬态热分析与多目标优化

《Welding in the World》：Transient thermal analysis and multi-objective optimization of electron beam welding for thin-walled aerospace components

电子束焊接薄壁航空部件需精确控制束流入口和出口，以避免气孔、未熔合等缺陷。本文提出一种集成瞬态热建模与多目标优化的统一控制框架，自动生成束流升降温曲线。入口阶段通过移动热源方程求解，对比线性、二次递增和递减三种电流ramp，确定熔透所需最短时间；出口阶段采用基于Pareto的遗传算法优化多段恒流参数，平衡焊缝区温度偏差和外围过热问题。实验表明，在2mm钛合金试样上，缺陷减少20-25%，重复扫描长度降低58-65%，熔深和焊道宽度偏差均小于5%，满足航空标准。

　　

摘要

薄壁航空航天部件的电子束焊接（EBW）在电子束进入和退出过程中需要精确控制，以避免出现气孔、咬边和过度热影响区等缺陷。本文提出了一个统一的控制框架，该框架将瞬态热建模与多目标优化相结合，以实现电子束电流的自动调节。在电子束进入过程中，通过移动源热方程求解方法评估了三种候选的电流变化曲线：线性变化、二次递增变化和二次递减变化，从而确定达到焊接区熔化温度所需的最短时间 \(t_{\textrm{ust}}^{\textrm{opt}}\)。在电子束退出过程中，基于帕累托原理的遗传算法（GA）通过平衡两个相互竞争的目标来优化分段恒定的电子束电流：最小化焊接区温度与熔点的偏差（\(C_{\textrm{depth}}\)）以及限制焊缝外的过热现象（\(C_{\textrm{outside}}\)）。所制定的控制规则被应用于具有实时反馈和动态电子束偏转功能的商用EBW系统中。通过对2毫米厚的钛合金试样的实验验证，结果显示：电子束进入/退出过程中的缺陷减少了20–25%，重复电子束扫描长度缩短了58–65%，焊接穿透深度和焊缝宽度偏差控制在5%以内——这些结果均符合航空航天产品的质量标准。这些发现为开发更可靠、更高效的EBW工艺奠定了重要基础，满足了航空航天部件制造的高标准要求。