01 Статья Введение. Благодаря исключительно высокой удельной прочности титановые сплавы служат важнейшими конструкционными материалами в области авиации и производства-высокотехнологичного оборудования. Однако в процессе лазерной сварки эти сплавы подвержены таким проблемам, как флуктуации плазмы, нестабильное проплавление сварного шва и горячее растрескивание. Ни традиционная непрерывная лазерная сварка, ни дуговая-лазерная гибридная сварка не могут надежно обеспечить стабильное формирование сварного шва, характеризующееся высокой точностью и низким уровнем дефектов; кроме того, традиционные системы управления-с замкнутым контуром с трудом преодолевают ограничения, связанные с недостаточной реакцией-в реальном времени и сильной зависимостью от конкретных моделей процессов. Модель -свободной адаптивной сварки-на основе спектральных характеристик-стала многообещающим решением этих проблем благодаря точному контролю подвода тепла и быстрому реагированию регулирующих органов. Тем не менее, закономерности эволюции спектральных характеристик и механизмы динамического реагирования, определяющие провар при лазерной сварке титановых сплавов, остаются во многом неясными. Чтобы восполнить этот пробел в знаниях, в данном исследовании используются эксперименты по лазерной сварке с переменными параметрами, чтобы охарактеризовать типичную микроструктуру сварных швов и связанные с ней плазменные спектральные характеристики. На основе этих спектральных сигналов создается онлайн-метод количественной оценки проплавления сварного шва для исследования внутренних корреляций между стабильностью проплавления, склонностью к растрескиванию и параметрами сварки. Впоследствии для достижения высокого-качества сварки применяется контроллер с-управляемой моделью-свободной, при этом всесторонне оцениваются механические свойства и качество формирования сварных швов полученных соединений. Это исследование обеспечивает как теоретическую, так и экспериментальную поддержку реализации высокопроизводительной лазерной сварки титановых сплавов.
02 Полный обзор текста: В этом документе рассматриваются критические проблемы импульсной лазерной сварки титановых сплавов,-в частности, сложность онлайн-определения глубины ванны расплава, чувствительность глубины ванны расплава к колебаниям, вызванным различными условиями рассеивания тепла, а также недостаточная точность традиционных методов контроля. Используя спектральную диагностику и-независимое от модели адаптивное управление в качестве ключевых технических подходов, в этом исследовании исследуются онлайн-обнаружение и замкнутый-управление глубиной ванны расплава. В статье создана экспериментальная платформа для получения спектра плазмы и импульсной лазерной сварки; посредством серии экспериментов по сварке с переменной-скоростью он получает соответствующие данные, связывающие спектральные сигналы с глубиной ванны расплава. Он сравнивает эффективность методов уменьшения размерности,-таких как t-SNE и UMAP-при извлечении спектральных характеристик, и создает нейронную сеть BP для прогнозирования глубины ванны расплава. При этом в качестве характеристического параметра выбирается отношение спектральных интенсивностей R3 (Ti I 503,995 нм/Ti I 586,919 нм); На основе модели Хаммерштейна и оптимизации роя частиц определяются динамические характеристики системы и разрабатывается адаптивный контроллер, не зависящий от модели-, обеспечивающий стабильное управление глубиной ванны расплава. Результаты показывают, что спектральные характеристики, обработанные с помощью уменьшения размерности UMAP, дают самую высокую точность прогнозирования (R²=0.982) и что отношение спектральной интенсивности R3 демонстрирует значительную отрицательную корреляцию с глубиной ванны расплава, тем самым позволяя определять характеристики глубины в-времени. Разработанный контроллер MFAC отличается быстрым временем установления и минимальным перерегулированием; в условиях различной теплоотдачи в 87,3% сварных швов сохранялась стабильная глубина ванны расплава в пределах 2,20 ± 0,15 мм со стандартным отклонением всего 0,0986. Это исследование успешно обеспечивает онлайн-обнаружение и стабильный контроль глубины ванны расплава при лазерной сварке титановых сплавов, обеспечивая эффективную методологию точного регулирования качества сварки сложных компонентов в аэрокосмическом секторе.
03 Иллюстрированный анализ: На рисунке 1 представлена визуализация сбора спектральных данных и численного моделирования процесса импульсной лазерной сварки. На ней показаны кривые изменения интенсивности характеристической спектральной линии Ti I 503,995 нм при различных скоростях сварки, а также эволюция температурного поля внутри зоны сварного шва при импульсном лазерном воздействии. Результаты показывают, что спектральная интенсивность демонстрирует нелинейную зависимость от скорости сварки. По мере увеличения скорости сварки погонное тепло уменьшается,-что приводит к уменьшению количества возбужденных частиц плазмы-, и интенсивность спектральных линий первоначально снижается. Однако при дальнейшем увеличении скорости отношение глубины-к-ширине сварного шва увеличивается; следовательно, точка приема сигнала смещается ближе к ядру плазмы, что приводит к последующему увеличению спектральной интенсивности.
На рис. 2 представлена схематическая иллюстрация процесса определения глубины проплавления сварного шва. В нем демонстрируется методология, применяемая к сварным швам титановых сплавов после импульсной лазерной сварки,-включающая подготовку продольных металлографических сечений,-преобразование оттенков серого, бинаризацию и выделение кромок,-тем самым четко отличая основной металл от зоны сварки, точно определяя границы глубины проплавления и позволяя автоматически измерять и калибровать значения глубины проплавления.
На рис. 2 представлена схематическая иллюстрация процесса определения глубины проплавления сварного шва. В нем демонстрируется методология, применяемая к сварным швам титановых сплавов после импульсной лазерной сварки,-включающая подготовку продольных металлографических сечений,-преобразование оттенков серого, бинаризацию и выделение кромок,-тем самым четко отличая основной металл от зоны сварки, точно определяя границы глубины проплавления и позволяя автоматически измерять и калибровать значения глубины проплавления.
На рисунке 3 представлена карта коэффициентов корреляции для данных, обработанных с использованием различных методов, иллюстрирующая величину коэффициентов корреляции между глубиной расплава и особенностями, извлеченными с помощью трех различных подходов: уменьшения размерности t-SNE, уменьшения размерности UMAP и отношения спектральной интенсивности R3. Результаты показывают, что соотношение спектральных интенсивностей R3 (Ti I 503,995 нм / Ti I 586,919 нм) демонстрирует наибольшую корреляцию с глубиной расплава, достигая коэффициента -0,886-, что значительно превосходит показатели двух нелинейных методов уменьшения размерности, t-SNE и UMAP. Это демонстрирует, что соотношение спектральных интенсивностей наиболее чувствительно к изменениям глубины расплава и обладает наибольшей способностью характеризовать; таким образом, он служит основной функцией онлайн-обнаружения и безмодельного адаптивного контроля глубины плавления.
03 Краткое описание: В данной статье, посвященной проблемам колебаний глубины ванны расплава и онлайн-обнаружения при импульсной лазерной сварке титановых сплавов, исследуются онлайн-обнаружение глубины ванны расплава и модель-свободное адаптивное управление на основе спектроскопической диагностики. Путем получения спектров излучения плазмы и сравнения эффективности определения характеристик характеристик, полученных в результате уменьшения размерности t-SNE и UMAP, с коэффициентами спектральных интенсивностей, было обнаружено, что отношение интенсивностей R3 (Ti I 503,995 нм / Ti I 586,919 нм) демонстрирует сильную корреляцию с глубиной ванны расплава-, в частности, коэффициент корреляции -0,886-, что позволяет точно характеристика. На основе этой спектральной особенности была построена-свободная от модели адаптивная система управления, использующая комбинацию модели Хаммерштейна и алгоритма оптимизации роя частиц для достижения оптимизации параметров. Результаты моделирования и экспериментов показывают, что система управления имеет быстрый отклик и минимальное перерегулирование; кроме того, даже при изменяющихся условиях теплоотвода он успешно поддерживает глубину ванны расплава 87,3% сварных швов в стабильном диапазоне 2,20 ± 0,15 мм. В настоящем исследовании реализован мониторинг-мониторинга в режиме реального времени и стабильный контроль глубины ванны расплава при лазерной сварке титановых сплавов, что обеспечивает эффективное техническое решение для регулирования качества сварки в замкнутом контуре при производстве высокотехнологичного оборудования.
