01 Bài viết Giới thiệu: Do có độ bền riêng đặc biệt cao, hợp kim titan đóng vai trò là vật liệu kết cấu quan trọng trong lĩnh vực hàng không và sản xuất thiết bị cao cấp-. Tuy nhiên, trong quá trình hàn laser, các hợp kim này dễ gặp các vấn đề như dao động plasma, độ xuyên thấu của mối hàn không ổn định và nứt nóng. Cả phương pháp hàn laze liên tục truyền thống lẫn phương pháp hàn kết hợp laze-hồ quang đều không thể đạt được sự hình thành mối hàn ổn định một cách đáng tin cậy với đặc điểm là độ chính xác cao và tỷ lệ khuyết tật thấp; hơn nữa, các hệ thống điều khiển vòng-đóng thông thường gặp khó khăn trong việc khắc phục những hạn chế liên quan đến khả năng đáp ứng-thời gian thực không đủ và sự phụ thuộc nhiều vào các mô hình quy trình cụ thể. Mô hình-hàn thích ứng tự do-dựa trên các đặc điểm quang phổ-đã nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn cho những thách thức này nhờ khả năng kiểm soát nhiệt đầu vào chính xác và phản ứng điều chỉnh nhanh chóng. Tuy nhiên, mô hình tiến hóa của các đặc tính quang phổ và cơ chế phản ứng động chi phối sự xuyên thấu của mối hàn trong quá trình hàn laze của hợp kim titan vẫn chưa rõ ràng. Để giải quyết lỗ hổng kiến thức này, nghiên cứu này sử dụng các thí nghiệm hàn laser có tham số thay đổi{13}}để mô tả cấu trúc vi mô điển hình của các mối hàn và các đặc điểm quang phổ plasma liên quan. Dựa trên các tín hiệu quang phổ này, một phương pháp định lượng trực tuyến về độ xuyên thấu của mối hàn được thiết lập để nghiên cứu mối tương quan nội tại giữa độ ổn định của độ xuyên thấu, độ nhạy nứt và các thông số hàn. Sau đó, bộ điều khiển miễn phí{16}}mô hình điều khiển phổ{17}}được triển khai để đạt được chất lượng hàn-cao, đồng thời đánh giá toàn diện các đặc tính cơ học và chất lượng hình thành mối hàn của các mối nối. Nghiên cứu này cung cấp hỗ trợ cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm để hiện thực hóa phương pháp hàn laser hiệu suất cao cho hợp kim titan.
02 Toàn văn Tổng quan: Bài viết này đề cập đến những thách thức quan trọng trong quá trình hàn xung bằng laser của hợp kim titan-cụ thể là khó khăn trong việc phát hiện độ sâu bể tan chảy trực tuyến, tính nhạy cảm của độ sâu bể tan chảy trước những biến động do các điều kiện tản nhiệt khác nhau gây ra và độ chính xác không đủ của các phương pháp điều khiển truyền thống. Bằng cách sử dụng chẩn đoán quang phổ và điều khiển thích ứng-không cần mô hình làm phương pháp kỹ thuật chính, nghiên cứu này điều tra việc phát hiện trực tuyến và điều khiển vòng-đóng đối với độ sâu bể tan chảy. Bài báo thiết lập một nền tảng thực nghiệm thu quang phổ plasma và hàn laser xung; thông qua một loạt các thử nghiệm hàn có tốc độ-có thể thay đổi, nó thu được dữ liệu tương ứng liên kết các tín hiệu quang phổ để làm tan chảy độ sâu của bể. Nó so sánh hiệu quả của các kỹ thuật giảm kích thước-chẳng hạn như t-SNE và UMAP-trong việc trích xuất các đặc điểm quang phổ và xây dựng mạng nơ-ron BP để dự đoán độ sâu của bể tan chảy. Đồng thời chọn tỷ số cường độ phổ R3 (Ti I 503,995 nm / Ti I 586,919 nm) làm tham số đặc trưng; dựa trên mô hình Hammerstein và tính năng Tối ưu hóa nhóm hạt, các đặc điểm động của hệ thống được xác định và bộ điều khiển thích ứng không cần mô hình được thiết kế để đạt được khả năng kiểm soát ổn định độ sâu bể tan chảy. Kết quả chứng minh rằng các đặc điểm quang phổ được xử lý thông qua tính năng giảm kích thước UMAP mang lại độ chính xác dự đoán cao nhất (R²=0.982) và tỷ lệ cường độ quang phổ R3 thể hiện mối tương quan nghịch đáng kể với độ sâu bể tan chảy, từ đó cho phép mô tả đặc tính độ sâu theo thời gian thực. Bộ điều khiển MFAC được thiết kế có thời gian xử lý nhanh và độ vọt lố tối thiểu; trong các điều kiện tản nhiệt khác nhau, 87,3% đường hàn duy trì độ sâu vũng nóng chảy ổn định trong khoảng 2,20 ± 0,15 mm, với độ lệch chuẩn chỉ 0,0986. Nghiên cứu này đã thành công trong việc phát hiện trực tuyến và kiểm soát ổn định độ sâu bể nóng chảy trong quá trình hàn laser các hợp kim titan, cung cấp một phương pháp hiệu quả để điều chỉnh chính xác chất lượng hàn trong các bộ phận phức tạp trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.
03 Phân tích minh họa: Hình 1 trình bày trực quan quá trình thu thập dữ liệu quang phổ và mô phỏng số của quá trình hàn xung laser. Nó minh họa các đường cong biến đổi cường độ của vạch quang phổ đặc trưng Ti I 503,995 nm ở các tốc độ hàn khác nhau, cũng như sự phát triển của trường nhiệt độ trong vùng hàn dưới bức xạ laser xung. Kết quả chỉ ra rằng cường độ phổ thể hiện mối quan hệ phi tuyến với tốc độ hàn. Khi tốc độ hàn tăng lên, lượng nhiệt đầu vào giảm-dẫn đến giảm các hạt plasma bị kích thích-và cường độ vạch quang phổ ban đầu giảm xuống. Tuy nhiên, khi tốc độ tăng hơn nữa, tỷ lệ chiều sâu-trên{10}}chiều rộng của mối hàn sẽ tăng lên; do đó, điểm thu tín hiệu dịch chuyển đến gần lõi plasma hơn, khiến cường độ quang phổ sau đó tăng lên.
Hình 2 trình bày sơ đồ minh họa quá trình trích xuất độ sâu thâm nhập mối hàn. Nó trình bày phương pháp áp dụng cho các mối hàn hợp kim titan sau khi hàn xung laser-bao gồm việc chuẩn bị các mặt cắt ngang kim loại dọc-, chuyển đổi thang độ xám, nhị phân hóa và tách cạnh-từ đó phân biệt rõ ràng kim loại cơ bản với vùng nung chảy của mối hàn, xác định chính xác ranh giới của độ sâu thâm nhập và cho phép tự động đo và hiệu chỉnh các giá trị độ sâu thâm nhập.
Hình 2 trình bày sơ đồ minh họa quá trình trích xuất độ sâu thâm nhập mối hàn. Nó trình bày phương pháp áp dụng cho các mối hàn hợp kim titan sau khi hàn xung laser-bao gồm việc chuẩn bị các mặt cắt ngang kim loại dọc-, chuyển đổi thang độ xám, nhị phân hóa và tách cạnh-từ đó phân biệt rõ ràng kim loại cơ bản với vùng nung chảy của mối hàn, xác định chính xác ranh giới của độ sâu thâm nhập và cho phép tự động đo và hiệu chỉnh các giá trị độ sâu thâm nhập.
Hình 3 trình bày bản đồ hệ số tương quan cho dữ liệu được xử lý bằng các phương pháp khác nhau, minh họa mức độ của các hệ số tương quan giữa độ sâu tan chảy và các đặc điểm được trích xuất bằng ba phương pháp riêng biệt: t-giảm kích thước SNE, giảm kích thước UMAP và tỷ lệ cường độ quang phổ R3. Kết quả chỉ ra rằng tỷ lệ cường độ quang phổ R3 (Ti I 503,995 nm / Ti I 586,919 nm) thể hiện mối tương quan cao nhất với độ sâu nóng chảy, đạt hệ số −0,886-hiệu suất vượt trội đáng kể so với hiệu suất của hai phương pháp giảm kích thước phi tuyến, t-SNE và UMAP. Điều này chứng tỏ rằng tỷ lệ cường độ quang phổ nhạy cảm nhất với sự thay đổi độ sâu nóng chảy và có khả năng mô tả đặc tính mạnh nhất; do đó, nó đóng vai trò là tính năng cốt lõi để phát hiện trực tuyến và kiểm soát thích ứng không cần mô hình về độ sâu tan chảy.
03 Tóm tắt: Giải quyết các thách thức về sự dao động độ sâu bể tan chảy và phát hiện trực tuyến trong quá trình hàn xung laser của hợp kim titan, bài viết này nghiên cứu khả năng phát hiện độ sâu bể tan chảy trực tuyến và điều khiển thích ứng-miễn phí mô hình dựa trên chẩn đoán quang phổ. Bằng cách thu được phổ phát xạ plasma và so sánh hiệu quả mô tả đặc tính của các tính năng thu được từ việc giảm kích thước t-SNE và UMAP so với tỷ lệ cường độ quang phổ, người ta đã phát hiện ra rằng tỷ lệ cường độ R3 (Ti I 503,995 nm / Ti I 586,919 nm) thể hiện mối tương quan chặt chẽ với độ sâu bể tan chảy-cụ thể là hệ số tương quan -0,886-do đó cho phép mô tả đặc tính chính xác. Dựa trên đặc điểm quang phổ này, một hệ thống điều khiển thích ứng không cần mô hình đã được xây dựng, sử dụng sự kết hợp giữa mô hình Hammerstein và thuật toán Tối ưu hóa đàn hạt để đạt được tối ưu hóa tham số. Cả kết quả mô phỏng và thử nghiệm đều chứng minh rằng hệ thống điều khiển có đặc tính phản ứng nhanh và độ vọt lố tối thiểu; hơn nữa, ngay cả trong các điều kiện tản nhiệt khác nhau, nó vẫn duy trì thành công độ sâu bể nóng chảy ở mức 87,3% đường nối hàn trong phạm vi ổn định 2,20 ± 0,15 mm. Nghiên cứu này hiện thực hóa việc giám sát theo thời gian thực và kiểm soát ổn định độ sâu bể tan chảy trong hàn laser hợp kim titan, cung cấp giải pháp kỹ thuật hiệu quả để điều chỉnh vòng kín về chất lượng hàn trong sản xuất thiết bị cao cấp.
