01 บทความแนะนำ: เนื่องจากโลหะผสมไททาเนียมมีความแข็งแรงจำเพาะสูงเป็นพิเศษ จึงทำหน้าที่เป็นวัสดุโครงสร้างที่สำคัญในด้านการบินและการผลิตอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์- อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ โลหะผสมเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหา เช่น ความผันผวนของพลาสมา การเจาะทะลุที่ไม่เสถียร และการแตกร้าวจากความร้อน การเชื่อมด้วยเลเซอร์ต่อเนื่องแบบเดิมๆ หรือการเชื่อมแบบอาร์ค-ด้วยเลเซอร์ไฮบริดไม่สามารถทำให้เกิดการเชื่อมที่มีความเสถียรได้อย่างน่าเชื่อถือ โดยมีคุณลักษณะเด่นคือมีความแม่นยำสูงและมีอัตราข้อบกพร่องต่ำ นอกจากนี้ ระบบควบคุมแบบลูปปิดแบบเดิม-ยังต้องดิ้นรนเพื่อเอาชนะข้อจำกัดเกี่ยวกับการตอบสนองแบบเรียลไทม์-ที่ไม่เพียงพอและการพึ่งพาอย่างมากในโมเดลกระบวนการเฉพาะ แบบจำลอง-การเชื่อมแบบปรับอัตโนมัติฟรี-ตามคุณลักษณะสเปกตรัม-กลายเป็นวิธีแก้ปัญหาที่น่าหวังสำหรับความท้าทายเหล่านี้ เนื่องจากมีการควบคุมอินพุตความร้อนที่แม่นยำและการตอบสนองตามกฎระเบียบที่รวดเร็ว อย่างไรก็ตาม รูปแบบวิวัฒนาการของลักษณะสเปกตรัมและกลไกการตอบสนองแบบไดนามิกที่ควบคุมการเจาะทะลุระหว่างการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของโลหะผสมไทเทเนียมยังคงไม่ชัดเจนมากนัก เพื่อแก้ปัญหาช่องว่างความรู้นี้ การศึกษานี้ใช้-การทดลองการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบตัวแปรเพื่อระบุลักษณะโครงสร้างจุลภาคทั่วไปของตะเข็บเชื่อมและคุณลักษณะสเปกตรัมพลาสมาที่เกี่ยวข้อง จากสัญญาณสเปกตรัมเหล่านี้ วิธีการหาปริมาณออนไลน์สำหรับการเจาะทะลุของรอยเชื่อมถูกสร้างขึ้นเพื่อตรวจสอบความสัมพันธ์ภายในระหว่างความเสถียรในการเจาะ ความไวต่อการแตกร้าว และพารามิเตอร์การเชื่อม ต่อจากนั้น ตัวควบคุมแบบอิสระ-ที่ขับเคลื่อนด้วยสเปกตรัม-ได้ถูกนำไปใช้เพื่อให้ได้-การเชื่อมคุณภาพสูง ในขณะที่คุณสมบัติทางกลและคุณภาพการก่อตัวของรอยเชื่อมของข้อต่อที่เกิดขึ้นจะได้รับการประเมินอย่างครอบคลุม งานวิจัยนี้ให้การสนับสนุนทั้งทางทฤษฎีและเชิงทดลองสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ประสิทธิภาพสูง-สำหรับโลหะผสมไทเทเนียม
02 ภาพรวมข้อความฉบับเต็ม: บทความนี้กล่าวถึงความท้าทายที่สำคัญในการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบพัลซ์ของโลหะผสมไทเทเนียม-โดยเฉพาะ ความยากในการตรวจจับความลึกของถังหลอมแบบออนไลน์ ความไวของความลึกของถังหลอมต่อความผันผวนที่เกิดจากสภาวะการกระจายความร้อนที่แตกต่างกัน และความแม่นยำไม่เพียงพอของวิธีการควบคุมแบบดั้งเดิม การศึกษานี้ใช้การวินิจฉัยสเปกตรัมและการควบคุมแบบปรับเปลี่ยนได้ฟรี-แบบจำลองเป็นแนวทางทางเทคนิคที่สำคัญ การศึกษานี้ตรวจสอบการตรวจจับแบบออนไลน์และ-การควบคุมลูปแบบปิดของความลึกของบ่อหลอม บทความนี้สร้างแพลตฟอร์มทดลองสำหรับการได้มาซึ่งสเปกตรัมพลาสมาและการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ โดยการทดลองการเชื่อมด้วยความเร็วแปรผัน- ทำให้ได้รับข้อมูลที่สอดคล้องกันในการเชื่อมโยงสัญญาณสเปกตรัมเพื่อละลายความลึกของสระ โดยจะเปรียบเทียบประสิทธิภาพของเทคนิคการลดขนาด-เช่น t-SNE และ UMAP-ในการแยกคุณลักษณะทางสเปกตรัม และสร้างโครงข่ายประสาทเทียมของ BP เพื่อคาดการณ์ความลึกของสระที่ละลาย ในขณะเดียวกัน อัตราส่วนความเข้มสเปกตรัม R3 (Ti I 503.995 nm / Ti I 586.919 nm) จะถูกเลือกเป็นพารามิเตอร์ลักษณะเฉพาะ โดยอิงตามแบบจำลอง Hammerstein และ Particle Swarm Optimization คุณลักษณะไดนามิกของระบบจะถูกระบุ และตัวควบคุมแบบปรับเปลี่ยนได้ฟรี-ได้รับการออกแบบเพื่อให้สามารถควบคุมความลึกของบ่อหลอมได้อย่างเสถียร ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าคุณลักษณะสเปกตรัมที่ประมวลผลผ่านการลดขนาด UMAP ให้ความแม่นยำในการทำนายสูงสุด (R²=0.982) และอัตราส่วนความเข้มสเปกตรัม R3 แสดงความสัมพันธ์เชิงลบที่มีนัยสำคัญกับความลึกของแหล่งหลอมเหลว ดังนั้นจึงช่วยให้-สามารถระบุลักษณะเฉพาะของความลึกแบบเรียลไทม์ได้ คอนโทรลเลอร์ MFAC ที่ได้รับการออกแบบมานั้นมีเวลาการเซ็ตตัวที่รวดเร็วและการทำงานเกินขอบเขตน้อยที่สุด ภายใต้เงื่อนไขการกระจายความร้อนที่แตกต่างกัน 87.3% ของตะเข็บเชื่อมรักษาความลึกของบ่อหลอมให้คงที่ภายในช่วง 2.20 ± 0.15 มม. โดยมีค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานเพียง 0.0986 งานวิจัยนี้ประสบความสำเร็จในการตรวจจับแบบออนไลน์และการควบคุมความลึกของจุดหลอมเหลวในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของโลหะผสมไททาเนียม ซึ่งถือเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพสำหรับการควบคุมคุณภาพการเชื่อมในส่วนประกอบที่ซับซ้อนภายในภาคการบินและอวกาศอย่างแม่นยำ
03 ภาพประกอบการวิเคราะห์: รูปที่ 1 แสดงภาพการเก็บข้อมูลสเปกตรัมและการจำลองเชิงตัวเลขของกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบพัลซิ่ง โดยแสดงให้เห็นกราฟการเปลี่ยนแปลงความเข้มของเส้นสเปกตรัมลักษณะเฉพาะ Ti I 503.995 นาโนเมตรที่ความเร็วการเชื่อมที่แตกต่างกัน ตลอดจนวิวัฒนาการของสนามอุณหภูมิภายในโซนการเชื่อมภายใต้การฉายรังสีเลเซอร์แบบพัลซ์ ผลการวิจัยพบว่าความเข้มของสเปกตรัมแสดงความสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้นกับความเร็วในการเชื่อม เมื่อความเร็วในการเชื่อมเพิ่มขึ้น ความร้อนที่ป้อนเข้าจะลดลง-ส่งผลให้อนุภาคพลาสมาที่ถูกตื่นเต้นลดลง- และความเข้มของเส้นสเปกตรัมจะลดลงในช่วงแรก อย่างไรก็ตาม เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นอีก อัตราส่วนความลึก-ถึง-ความกว้างของการเชื่อมก็จะเพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้ จุดรับสัญญาณจึงเลื่อนเข้าใกล้แกนกลางของพลาสมามากขึ้น ส่งผลให้ความเข้มของสเปกตรัมเพิ่มขึ้นในเวลาต่อมา
รูปที่ 2 แสดงภาพประกอบแผนผังของกระบวนการสกัดความลึกของรอยเชื่อม โดยสาธิตวิธีการที่ใช้กับการเชื่อมโลหะผสมไททาเนียมตามการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบพัลซ์-ซึ่งครอบคลุมถึงการเตรียมส่วนตัดขวางของโลหะวิทยาตามยาว- การแปลงระดับสีเทา การแยกสองด้าน และการแยกขอบ- ดังนั้นจึงแยกความแตกต่างอย่างชัดเจนของโลหะฐานจากโซนการเชื่อมฟิวชั่น ระบุขอบเขตของความลึกของการเจาะได้อย่างแม่นยำ และช่วยให้สามารถวัดและสอบเทียบค่าความลึกของการเจาะได้โดยอัตโนมัติ
รูปที่ 2 แสดงภาพประกอบแผนผังของกระบวนการสกัดความลึกของรอยเชื่อม โดยสาธิตวิธีการที่ใช้กับการเชื่อมโลหะผสมไททาเนียมตามการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบพัลซ์-ซึ่งครอบคลุมถึงการเตรียมส่วนตัดขวางของโลหะวิทยาตามยาว- การแปลงระดับสีเทา การแยกสองด้าน และการแยกขอบ- ดังนั้นจึงแยกความแตกต่างอย่างชัดเจนของโลหะฐานจากโซนการเชื่อมฟิวชั่น ระบุขอบเขตของความลึกของการเจาะได้อย่างแม่นยำ และช่วยให้สามารถวัดและสอบเทียบค่าความลึกของการเจาะได้โดยอัตโนมัติ
รูปที่ 3 นำเสนอแผนที่ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์สำหรับข้อมูลที่ประมวลผลโดยใช้วิธีการต่างๆ ซึ่งแสดงให้เห็นขนาดของค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ระหว่างความลึกของการหลอมเหลวและคุณลักษณะที่แยกออกมาโดยวิธีที่แตกต่างกันสามวิธี: t-การลดขนาด SNE, การลดขนาด UMAP และอัตราส่วนความเข้มสเปกตรัม R3 ผลลัพธ์บ่งชี้ว่าอัตราส่วนความเข้มสเปกตรัม R3 (Ti I 503.995 nm / Ti I 586.919 nm) แสดงความสัมพันธ์สูงสุดกับความลึกของของเหลวหลอม โดยมีค่าสัมประสิทธิ์ −0.886- ซึ่งเป็นประสิทธิภาพที่เหนือกว่าวิธีการลดขนาดแบบไม่เชิงเส้นสองวิธีอย่างมาก ได้แก่ t-SNE และ UMAP สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าอัตราส่วนความเข้มสเปกตรัมมีความไวต่อความแปรผันของความลึกของของเหลวมากที่สุดและมีความสามารถในการระบุลักษณะเฉพาะที่แข็งแกร่งที่สุด ดังนั้นจึงทำหน้าที่เป็นคุณสมบัติหลักสำหรับการตรวจจับแบบออนไลน์และการควบคุมความลึกของการหลอมแบบปรับได้โดยไม่ต้องใช้แบบจำลอง
03 สรุป: จัดการกับความท้าทายของความผันผวนของความลึกของบ่อหลอมและการตรวจจับออนไลน์ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบพัลซ์ของโลหะผสมไทเทเนียม บทความนี้จะตรวจสอบการตรวจจับความลึกของบ่อหลอมแบบออนไลน์และแบบจำลอง-การควบคุมแบบปรับเปลี่ยนได้ฟรีโดยอาศัยการวินิจฉัยทางสเปกโทรสโกปี โดยการได้มาซึ่งสเปกตรัมการแผ่รังสีพลาสมาและการเปรียบเทียบประสิทธิภาพการระบุคุณลักษณะของคุณลักษณะที่ได้รับจากการลดขนาด t-SNE และ UMAP เทียบกับอัตราส่วนความเข้มสเปกตรัม พบว่าอัตราส่วนความเข้ม R3 (Ti I 503.995 nm / Ti I 586.919 nm) แสดงความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งกับความลึกของแหล่งหลอมละลาย-โดยเฉพาะ ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ของ -0.886-ทำให้สามารถระบุลักษณะเฉพาะได้อย่างแม่นยำ จากคุณลักษณะสเปกตรัมนี้ แบบจำลอง-ระบบควบคุมแบบปรับได้อิสระจึงถูกสร้างขึ้น โดยใช้การผสมผสานระหว่างแบบจำลองแฮมเมอร์สเตนและอัลกอริธึมการเพิ่มประสิทธิภาพการจับกลุ่มอนุภาคเพื่อให้บรรลุการปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสม ทั้งผลการจำลองและการทดลองแสดงให้เห็นว่าระบบควบคุมมีการตอบสนองที่รวดเร็วและเกินขอบเขตน้อยที่สุด ยิ่งไปกว่านั้น แม้ภายใต้สภาวะการกระจายความร้อนที่แตกต่างกัน ก็ประสบความสำเร็จในการรักษาความลึกของบ่อหลอมที่ 87.3% ของตะเข็บเชื่อมภายในช่วงที่เสถียรที่ 2.20 ± 0.15 มม. การศึกษานี้ตระหนักถึงการตรวจสอบตามเวลาจริง-และการควบคุมความลึกของบ่อหลอมในการเชื่อมด้วยเลเซอร์โลหะผสมไททาเนียมอย่างมีเสถียรภาพ ซึ่งเป็นโซลูชันทางเทคนิคที่มีประสิทธิภาพสำหรับการควบคุมคุณภาพการเชื่อมแบบวงปิดในการผลิตอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์
