01 Вступ до статті: завдяки своїй винятково високій питомій міцності титанові сплави є важливими конструкційними матеріалами в галузі авіації та-виробництва високоякісного обладнання. Однак під час процесу лазерного зварювання ці сплави схильні до таких проблем, як плазмові коливання, нестабільне проварювання зварних швів і гарячі тріщини. Ні традиційне безперервне лазерне зварювання, ні дугове-лазерне гібридне зварювання не можуть надійно досягти стабільного формування зварного шва, що характеризується високою точністю та низьким рівнем дефектів; крім того, звичайні-системи керування із замкнутим циклом намагаються подолати обмеження, пов’язані з недостатньою чутливістю-реального часу та сильною залежністю від конкретних моделей процесів. Модель-вільного адаптивного зварювання-на основі спектральних характеристик-виникла як багатообіцяюче рішення цих проблем завдяки точному управлінню надходженням тепла та швидкій регулятивній реакції. Тим не менш, еволюційні закономірності спектральних характеристик і механізми динамічного відгуку, що визначають проплавлення зварних швів під час лазерного зварювання титанових сплавів, залишаються в основному незрозумілими. Усуваючи цю прогалину в знаннях, у цьому дослідженні використовуються експерименти зі змінними-параметрами лазерного зварювання, щоб охарактеризувати типову мікроструктуру зварних швів і відповідні спектральні характеристики плазми. На основі цих спектральних сигналів створено онлайн-метод кількісної оцінки проплавлення зварних швів для дослідження внутрішніх кореляцій між стабільністю проварювання, схильністю до розтріскування та параметрами зварювання. Згодом для досягнення високої{18}}якісного зварювання впроваджується-контролер-без моделі, що керується спектром, у той час як механічні властивості та якість утворення зварного шва отриманих з’єднань всебічно оцінюються. Це дослідження надає як теоретичну, так і експериментальну підтримку для реалізації високо-ефективного лазерного зварювання титанових сплавів.
02 Огляд повного тексту: у цьому документі розглядаються критичні проблеми імпульсного лазерного зварювання титанових сплавів-зокрема, складність онлайнового визначення глибини ванни розплаву, чутливість глибини ванни розплаву до коливань, спричинених різними умовами розсіювання тепла, і недостатня точність традиційних методів контролю. Використовуючи спектральну діагностику та -безмодельне адаптивне керування як ключові технічні підходи, у цьому дослідженні досліджується онлайн-виявлення та-контроль із замкнутим циклом глибини басейну розплаву. У статті створено експериментальну платформу для отримання спектру плазми та імпульсного лазерного зварювання; за допомогою серії-експериментів зі зварюванням зі змінною швидкістю він отримує відповідні дані, що пов’язують спектральні сигнали з глибиною ванни розплаву. Він порівнює ефективність методів зменшення розмірності-таких як t-SNE та UMAP-у вилученні спектральних характеристик і створює нейронну мережу BP для прогнозування глибини басейну розплаву. Одночасно спектральний коефіцієнт інтенсивності R3 (Ti I 503,995 нм / Ti I 586,919 нм) вибирається як характерний параметр; на основі моделі Хаммерштейна та оптимізації роя частинок визначено динамічні характеристики системи, а адаптивний контролер-без моделі розроблено для досягнення стабільного контролю глибини ванни розплаву. Результати демонструють, що спектральні характеристики, оброблені за допомогою зменшення розмірності UMAP, дають найвищу точність передбачення (R²=0.982), а спектральний коефіцієнт інтенсивності R3 демонструє значну негативну кореляцію з глибиною басейну розплаву, що дозволяє характеризувати глибину-в реальному часі. Розроблений контролер MFAC має швидкий час встановлення та мінімальне перерегулювання; в умовах різного розсіювання тепла 87,3% зварних швів підтримували стабільну глибину ванни розплаву в діапазоні 2,20 ± 0,15 мм, зі стандартним відхиленням лише 0,0986. Це дослідження успішно забезпечує онлайн-виявлення та стабільний контроль глибини ванни розплаву під час лазерного зварювання титанових сплавів, забезпечуючи ефективну методологію для точного регулювання якості зварювання складних компонентів в аерокосмічному секторі.
03 Ілюстрований аналіз: На малюнку 1 представлено візуалізацію збору спектральних даних і чисельного моделювання процесу імпульсного лазерного зварювання. На ньому показано криві зміни інтенсивності характеристичної спектральної лінії Ti I 503,995 нм при різних швидкостях зварювання, а також еволюцію температурного поля в зоні зварювання під дією імпульсного лазерного опромінення. Результати показують, що спектральна інтенсивність демонструє нелінійну залежність від швидкості зварювання. Зі збільшенням швидкості зварювання підведення тепла зменшується-, що призводить до зменшення збуджених частинок плазми-, а інтенсивність спектральної лінії спочатку зменшується. Однак із подальшим збільшенням швидкості відношення глибини-до-ширини зварного шва збільшується; отже, точка отримання сигналу зміщується ближче до ядра плазми, викликаючи подальше зростання спектральної інтенсивності.
На малюнку 2 представлено схематичну ілюстрацію процесу вилучення глибини проплавлення зварного шва. Він демонструє методологію, застосовану до зварних швів титанового сплаву після імпульсного лазерного зварювання-, що включає підготовку поздовжніх металографічних-перерізів, перетворення градацій сірого, бінаризацію та виділення країв-, таким чином чітко відмежовуючи основний метал від зони зварювання зварного шва, точно визначаючи межі глибини провару та дозволяючи автоматичне вимірювання та калібрування значень глибини проникнення.
На малюнку 2 представлено схематичну ілюстрацію процесу вилучення глибини проплавлення зварного шва. Він демонструє методологію, застосовану до зварних швів титанового сплаву після імпульсного лазерного зварювання-, що включає підготовку поздовжніх металографічних-перерізів, перетворення градацій сірого, бінаризацію та виділення країв-, таким чином чітко відмежовуючи основний метал від зони зварювання зварного шва, точно визначаючи межі глибини провару та дозволяючи автоматичне вимірювання та калібрування значень глибини проникнення.
На малюнку 3 представлено карту коефіцієнтів кореляції для даних, оброблених різними методами, ілюструючи величину коефіцієнтів кореляції між глибиною розплаву та характеристиками, виділеними трьома різними підходами: t-зменшення розмірності SNE, зменшення розмірності UMAP і співвідношення спектральної інтенсивності R3. Результати показують, що співвідношення спектральної інтенсивності R3 (Ti I 503,995 нм / Ti I 586,919 нм) демонструє найвищу кореляцію з глибиною розплаву, досягаючи коефіцієнта –0,886-, що значно перевершує характеристики двох нелінійних методів зменшення розмірності, t-SNE та UMAP. Це демонструє, що співвідношення спектральних інтенсивностей є найбільш чутливим до змін глибини розплаву та має найсильнішу характеристику; таким чином, він служить основною функцією для онлайн-виявлення та безмодельного адаптивного контролю глибини розплаву.
03 Резюме: розглядаючи проблеми коливання глибини ванни розплаву та онлайн-виявлення під час імпульсного лазерного зварювання титанових сплавів, ця стаття досліджує онлайн-виявлення глибини ванни розплаву та-безмодельне адаптивне керування на основі спектроскопічної діагностики. Отримавши спектри випромінювання плазми та порівнявши ефективність характеристик характеристик, отриманих від t-SNE та зменшення розмірності UMAP, із співвідношеннями спектральних інтенсивностей, було виявлено, що співвідношення інтенсивностей R3 (Ti I 503,995 нм / Ti I 586,919 нм) демонструє сильну кореляцію з басейном розплаву глибина-зокрема, коефіцієнт кореляції -0,886-що забезпечує точну характеристику. На основі цієї спектральної характеристики було створено-безмодельну адаптивну систему керування, яка використовує комбінацію моделі Гаммерштейна та алгоритму оптимізації роєм частинок для досягнення оптимізації параметрів. Як моделювання, так і експериментальні результати демонструють, що система керування має швидку реакцію та мінімальне перевищення; крім того, навіть за різних умов розсіювання тепла він успішно підтримує глибину ванни розплаву 87,3% зварних швів у стабільному діапазоні 2,20 ± 0,15 мм. Це дослідження реалізує-моніторинг у реальному часі та стабільний контроль глибини ванни розплаву під час лазерного зварювання титанового сплаву, забезпечуючи ефективне технічне рішення для замкнутого циклу регулювання якості зварювання у виробництві висококласного обладнання.
