دانشگاه تیانجین|پایش آنلاین عمق نفوذ جوش و مدل-کنترل تطبیقی ​​رایگان برای جوشکاری لیزری آلیاژهای تیتانیوم بر اساس تشخیص طیف‌سنجی

01 مقدمه مقاله: آلیاژهای تیتانیوم به دلیل استحکام ویژه بسیار بالا، به عنوان مواد ساختاری حیاتی در زمینه‌های هوانوردی و ساخت تجهیزات پیشرفته عمل می‌کنند. با این حال، در طول فرآیند جوشکاری لیزر، این آلیاژها مستعد مسائلی مانند نوسانات پلاسما، نفوذ ناپایدار جوش و ترک داغ هستند. نه جوشکاری لیزری پیوسته سنتی و نه جوشکاری هیبریدی قوس{4} نمی‌توانند به شکل قابل اعتمادی به شکل‌گیری جوش پایداری که با دقت بالا و نرخ عیب کم مشخص می‌شود، دست یابند. علاوه بر این، سیستم‌های کنترل حلقه بسته مرسوم-برای غلبه بر محدودیت‌های مربوط به پاسخ‌دهی ناکافی-زمان واقعی و وابستگی شدید به مدل‌های فرآیندی خاص تلاش می‌کنند. مدل-جوشکاری تطبیقی ​​رایگان-بر اساس ویژگی های طیفی{10}}به دلیل کنترل دقیق ورودی گرما و پاسخ سریع نظارتی، به عنوان یک راه حل امیدوارکننده برای این چالش ها ظاهر شده است. با این وجود، الگوهای تکاملی ویژگی‌های طیفی و مکانیسم‌های پاسخ دینامیکی حاکم بر نفوذ جوش در طول جوشکاری لیزری آلیاژهای تیتانیوم تا حد زیادی نامشخص هستند. با پرداختن به این شکاف دانش، این مطالعه از آزمایش‌های جوشکاری لیزری متغیر-برای توصیف ریزساختار معمولی درزهای جوش و ویژگی‌های طیفی پلاسما مرتبط استفاده می‌کند. بر اساس این سیگنال های طیفی، یک روش کمی سازی آنلاین برای نفوذ جوش برای بررسی همبستگی های ذاتی بین پایداری نفوذ، حساسیت ترک خوردگی و پارامترهای جوش ایجاد شده است. متعاقباً، یک کنترل‌کننده آزاد-مدل مبتنی بر طیف{17}}برای دستیابی به جوشکاری با کیفیت بالا{18} اجرا می‌شود، در حالی که خواص مکانیکی و کیفیت تشکیل جوش اتصالات حاصل به‌طور جامع ارزیابی می‌شوند. این تحقیق هم پشتیبانی تئوری و هم تجربی را برای تحقق جوشکاری لیزری با کارایی بالا برای آلیاژهای تیتانیوم{20} فراهم می‌کند.

02 مروری بر متن کامل: این مقاله به چالش‌های حیاتی در جوشکاری لیزر پالسی آلیاژهای تیتانیوم می‌پردازد-به‌ویژه، دشواری تشخیص آنلاین عمق حوضچه مذاب، حساسیت عمق حوضچه مذاب به نوسانات ناشی از شرایط اتلاف حرارت متفاوت، و روش‌های کنترل ناکافی قبلی. این مطالعه با استفاده از تشخیص طیفی و مدل{3}}کنترل تطبیقی ​​رایگان به عنوان رویکردهای فنی کلیدی، تشخیص آنلاین و کنترل حلقه بسته عمق حوضچه مذاب را بررسی می‌کند. این مقاله یک پلت فرم آزمایشی برای کسب طیف پلاسما و جوشکاری لیزر پالسی ایجاد می کند. از طریق یک سری آزمایش‌های جوشکاری با سرعت متغیر، داده‌های مربوطه را به دست می‌آورد که سیگنال‌های طیفی را به عمق حوضچه ذوب پیوند می‌دهد. این کارآیی تکنیک‌های کاهش ابعاد-مانند t{9}}SNE و UMAP{10}} را در استخراج ویژگی‌های طیفی مقایسه می‌کند و یک شبکه عصبی BP برای پیش‌بینی عمق حوضچه مذاب می‌سازد. به طور همزمان، نسبت شدت طیفی R3 (Ti I 503.995 نانومتر / Ti I 586.919 نانومتر) به عنوان یک پارامتر مشخصه انتخاب می شود. بر اساس یک مدل Hammerstein و بهینه‌سازی ازدحام ذرات، ویژگی‌های دینامیکی سیستم شناسایی می‌شوند و یک مدل{15}}کنترل‌کننده تطبیقی ​​رایگان برای دستیابی به کنترل پایدار عمق حوضچه مذاب طراحی شده است. نتایج نشان می‌دهد که ویژگی‌های طیفی پردازش‌شده از طریق کاهش ابعاد UMAP بالاترین دقت پیش‌بینی را به همراه دارد (R²=0.982)، و نسبت شدت طیفی R3 یک همبستگی منفی قابل‌توجهی با عمق حوضچه مذاب نشان می‌دهد، در نتیجه امکان شناسایی واقعی{19}زمان عمق را فراهم می‌کند. کنترلر MFAC طراحی شده دارای زمان ته نشینی سریع و حداقل بیش از حد است. تحت شرایط اتلاف گرمای متغیر، 87.3٪ از درزهای جوش عمق حوضچه مذاب را در محدوده 0.15 ± 2.20 میلی متر، با انحراف استاندارد تنها 0.0986 حفظ کردند. این تحقیق با موفقیت به تشخیص آنلاین و کنترل پایدار عمق حوضچه مذاب در جوشکاری لیزری آلیاژهای تیتانیوم دست می‌یابد و روشی مؤثر برای تنظیم دقیق کیفیت جوش در اجزای پیچیده در بخش هوافضا ارائه می‌دهد.

03 تجزیه و تحلیل مصور: شکل 1 تصویری از اکتساب داده های طیفی و شبیه سازی عددی فرآیند جوشکاری لیزری پالسی را نشان می دهد. این منحنی‌های تغییر شدت خط طیفی مشخصه Ti I 503.995 نانومتر در سرعت‌های جوشکاری مختلف و همچنین تکامل میدان دما در منطقه جوش تحت تابش لیزر پالسی را نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که شدت طیفی رابطه غیرخطی با سرعت جوشکاری نشان می‌دهد. با افزایش سرعت جوشکاری، گرمای ورودی کاهش می‌یابد-که منجر به کاهش ذرات پلاسما برانگیخته می‌شود-و شدت خط طیفی در ابتدا کاهش می‌یابد. با این حال، با افزایش بیشتر سرعت، نسبت عمق به عرض جوش افزایش می یابد. در نتیجه، نقطه اکتساب سیگنال به هسته پلاسما نزدیک‌تر می‌شود و باعث می‌شود که شدت طیفی متعاقباً افزایش یابد.

شکل 2 یک تصویر شماتیک از فرآیند استخراج عمق نفوذ جوش را نشان می دهد. این روش روشی را که در جوشکاری های آلیاژ تیتانیوم به دنبال جوشکاری لیزری پالسی-شامل آماده سازی مقاطع متالوگرافی طولی-، تبدیل مقیاس خاکستری، دوتایی شدن، و استخراج لبه می باشد نشان می دهد-در نتیجه به وضوح فلز پایه را از قسمت جوش متمایز می کند و قلمه جوش را شناسایی می کند و قلمه های جوش را به طور دقیق شناسایی می کند. اندازه گیری خودکار و کالیبراسیون مقادیر عمق نفوذ.

شکل 2 یک تصویر شماتیک از فرآیند استخراج عمق نفوذ جوش را نشان می دهد. این روش روشی را که در جوشکاری های آلیاژ تیتانیوم به دنبال جوشکاری لیزری پالسی-شامل آماده سازی مقاطع متالوگرافی طولی-، تبدیل مقیاس خاکستری، دوتایی شدن، و استخراج لبه می باشد نشان می دهد-در نتیجه به وضوح فلز پایه را از قسمت جوش متمایز می کند و قلمه جوش را شناسایی می کند و قلمه های جوش را به طور دقیق شناسایی می کند. اندازه گیری خودکار و کالیبراسیون مقادیر عمق نفوذ.

شکل 3 یک نقشه ضریب همبستگی برای داده‌های پردازش شده با استفاده از روش‌های مختلف را نشان می‌دهد، که بزرگی ضرایب همبستگی بین عمق مذاب و ویژگی‌های استخراج‌شده توسط سه رویکرد متمایز را نشان می‌دهد: t-کاهش ابعاد SNE، کاهش ابعاد UMAP و نسبت شدت طیفی R3. نتایج نشان می‌دهد که نسبت شدت طیفی R3 (Ti I 503.995 نانومتر / Ti I 586.919 نانومتر) بالاترین همبستگی را با عمق مذاب نشان می‌دهد و به ضریب 0.886- می‌رسد-عملکردی که به طور قابل‌توجهی نسبت به دو روش کاهش} غیرخطی، t{UM و کاهش}S9. این نشان می‌دهد که نسبت شدت طیفی حساس‌ترین نسبت به تغییرات در عمق مذاب است و قوی‌ترین قابلیت توصیف را دارد. بنابراین، به عنوان یک ویژگی اصلی برای تشخیص آنلاین و کنترل تطبیقی ​​بدون مدل عمق مذاب عمل می کند.

03 خلاصه: با پرداختن به چالش‌های نوسانات عمق حوضچه مذاب و تشخیص آنلاین در جوشکاری لیزری پالسی آلیاژهای تیتانیوم، این مقاله به بررسی آنلاین تشخیص عمق حوضچه مذاب و مدل{1}}کنترل تطبیقی ​​رایگان بر اساس تشخیص طیف‌سنجی می‌پردازد. با به دست آوردن طیف انتشار پلاسما و مقایسه کارایی مشخصه ویژگی‌های مشتق شده از کاهش ابعاد t- و UMAP در برابر نسبت‌های شدت طیفی، مشخص شد که نسبت شدت R3 (Ti I 503.995 نانومتر / Ti I 586.919 bt) دارای همبستگی قوی است. عمق-به طور خاص، ضریب همبستگی -0.886-در نتیجه امکان توصیف دقیق را فراهم می‌کند. بر اساس این ویژگی طیفی، یک مدل{17}}سیستم کنترل تطبیقی ​​رایگان ساخته شد که از ترکیبی از مدل Hammerstein و الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات برای دستیابی به بهینه‌سازی پارامتر استفاده می‌کند. هر دو نتایج شبیه سازی و تجربی نشان می دهد که سیستم کنترل دارای پاسخ سریع و حداقل بیش از حد است. علاوه بر این، حتی تحت شرایط اتلاف حرارت متغیر، با موفقیت عمق حوضچه مذاب 87.3٪ از درزهای جوش را در محدوده پایدار 0.15 ± 2.20 میلی متر حفظ می کند. این مطالعه نظارت بر زمان واقعی و کنترل پایدار عمق حوضچه مذاب در جوشکاری لیزری آلیاژ تیتانیوم را درک می‌کند و راه حل فنی موثری برای تنظیم حلقه بسته کیفیت جوش در تولید تجهیزات پیشرفته ارائه می‌کند.