在全球节能减排与发展绿色制造背景下,制造业能耗问题备受关注,制造与环境的相容性问题为研究热点与前沿。激光制造具有高能密聚焦、易于操作、高柔性、高效率、高质量等突出优点,代表了先进制造技术的发展方向,但由于激光加工过程中材料的去除主要依靠熔化或气化机理,是一个能效较低的热处理过程,然而,激光加工的工艺能效量化建模一直是绿色制造领域的研究难题。目前,在工艺层能耗效率研究上积累了部分可借鉴的研究成果,但仍缺乏对激光焊接工艺过程能量耗散机理的深入研究,尤其是从工艺技术可持续发展视角对工艺过程有效能量利用与工艺性能输出结果间耦合机制与关联关系的系统研究。激光填充热丝焊接能够有效降低零件对接间隙要求,焊丝电阻预热可减少焊接过程中金属熔化对激光能量的依赖,提高激光能量利用率,且焊接接头热影响区小,应用前景广泛。为此,本文选择激光填充热丝焊接工艺为对象,针对激光热丝焊接工艺过程中能量转换与耗散的物理本质及工艺能量流特征,系统提出工艺过程能效度量的参数方程表征模型,实现不同工艺条件、不同工艺方案间节能效比的规律揭示,建立激光热丝焊接工艺能效与焊接质量的关联协同分析,实现工艺技术可持续性的系统评价。论文的主要研究工作包括:(1)针对激光热丝焊接工艺过程中多能量源输入、复杂多变的能量转换与耗散问题,提出了一种基于焊接工艺过程中电、光、热等能量形式转换、吸收、耗散物理本质的多层级子系统划分方法,将激光热丝焊接工艺系统划分为激光能量子系统、焊丝预热与输送子系统、以及金属材料熔化的焊缝成形子系统,以此界定了以电、气、材料等输入为起点和焊接工件的特定工艺性能目标输出为终点的激光热丝焊接工艺能效研究系统边界。针对各层能量流特征,提出了量化表征各子工艺系统能量转换与利用效率的方法,并识别了关键能效参数。其中:以激光的光电转换效率和材料对激光的吸收效率表征激光能量子系统的能效,受激光功率、焊接速度、聚焦位置、激光器工作状态影响;以焊丝预热热效率表征焊丝预热与输送子系统能效,受焊丝加热电流、送丝速度、焊丝加热长度、焊丝直径等及焊丝材料热物理属性影响;以形成焊缝所需的最小能量表征系统终端关键输出有效能量与焊接质量的焊缝成形子系统能效,受热传导、工件表面热对流和热辐射的能量损耗影响。(2)针对激光加工过程的工艺能效很难定量化建模问题,提出了一种以各工艺子系统输入输出功率表征的工艺能效建模方法。依据激光热丝焊接过程中电-光、电-热、热-热等各形式能量间的转换与热传导、热对流、热辐射等多种能量损耗,分别通过激光功率、焊接速度、送丝速度、加热电流等工艺过程参量表征了工艺过程的能量输入输出。同时,考虑在实际焊接过程中,对接间隙、焊丝预热温度等对工艺系统输入输出功率和有效能量利用的影响,依据能量守恒与焊丝电阻加热焓值变化,建立了填充焊丝预热温度预测模型,用于揭示加热电流、送丝长度、送丝速度、焊丝直径、焊丝热物属性等对预热温度的影响规律。进一步,通过分解母材熔化与焊丝熔化所需激光功率,以及预热焊丝所需的电热功率,建立了激光热丝焊接系统功率模型,实现对工艺过程多种能量形式与转换效率的参数化表征。进行了实验及计算结果表明:激光功率和焊丝预热功率的理论计算值和实验测量值的平均误差分别为4.2%和4.6%,验证了激光热丝焊接焊丝预热温度及功率模型的可靠性。(3)针对因工艺系统的能量输入、工艺条件、工艺参数等差异所产生的不同工艺能效间的比较性难题,首次提出了激光功率当量换算方法。通过采用工艺系统的关键能量源激光光能,作为统一物质计量单位进行当量换算,建立了激光热丝焊接工艺与激光冷丝焊接工艺的节能效比模型,并表达为具体热丝焊接关键工艺参数的关系,提供了不同工艺能效比较和标准化度量的基础。所开展的实验及计算结果表明:激光填充热丝焊接较之激光填充冷丝焊接节能效比为17%~36%;不同间隙下的实验结果显示激光功率当量与焊丝预热温度线性正相关,预热焊丝可有效提高工艺能效。(4)针对一般制造工艺过程中有效能量利用存在显著差异问题,即转换传输至焊缝熔化工件表面的能量中,因焊缝成形过程中存在热辐射、光辐射、材料的反射等能量损失导致实际用于焊缝成形的能量仍未知,提出了采用焊缝金属熔化成形体积来表征工艺过程有效输入能量的结果;以焊缝熔化体积所需最小能量输入来表征工艺中被有效利用的能量,将熔化母材、熔化焊丝所需激光能量及焊丝预热所需电阻热能表征为母材与焊丝自身热物理特性、焊接过程持续时间、焊丝末端预热温度等的函数,建立了一种激光热丝焊接工艺的焊缝熔化体积比能参数方程模型。实验结果表明:焊缝熔化体积比能模型计算值与实验测量值间的平均相对误差为6.9%,特定的焊丝电流、较小的焊丝直径以及适当的焊丝末端温度,能够有效降低焊接工艺的比能,提高工艺的节能效比。(5)焊缝熔合比常作为焊接质量及焊接过程能量利用效率的综合指标,提出了将缝熔化体积表达为焊丝预热温度、熔合比、焊缝对接间隙等工艺参量的关系,是揭示焊接工艺过程中能量效率规律与焊件质量间耦合关系之基础。针对激光热丝焊接试验中,焊缝熔化体积难以直接实验测量问题,提出了焊丝元素示踪法结合能谱分析法,实验结果发现:镍元素在焊丝和焊缝中都分布均匀,实现了简便、可靠地测量焊缝成形体积。(6)针对焊接工艺能效与焊接质量因焊接物理机制和能量耗散机理复杂性所导致两者间的模糊性关联问题,建立了一种以工艺参数和焊缝熔化体积为中间参量的焊接工艺能效与焊接质量的灰色关联模型,可获得激光热丝焊接工艺关键特征序列间的映射关系。最后,依据实验进行关联分析与工艺方案综合评估,表明增大激光功率、加大焊丝加热电流,保持焊接间隙与填充焊丝直径相当,可有效提高焊接工艺过程能量效率且获得优良焊接质量性能。