01 Papiereinleitung: Aufgrund ihrer außergewöhnlich hohen spezifischen Festigkeit dienen Titanlegierungen als wichtige Strukturmaterialien in den Bereichen Luftfahrt und High-End-Ausrüstungsbau. Allerdings sind diese Legierungen während des Laserschweißprozesses anfällig für Probleme wie Plasmaschwankungen, instabile Schweißnahtdurchdringung und Heißrissbildung. Weder das herkömmliche kontinuierliche Laserschweißen noch das Lichtbogenlaser-Hybridschweißen können zuverlässig eine stabile Schweißnahtausbildung erreichen, die sich durch hohe Präzision und niedrige Fehlerraten auszeichnet. Darüber hinaus haben herkömmliche Regelsysteme mit geschlossenem Regelkreis Schwierigkeiten, Einschränkungen hinsichtlich unzureichender Echtzeit-Reaktionsfähigkeit und starker Abhängigkeit von spezifischen Prozessmodellen zu überwinden. Das modellfreie adaptive Schweißen-basierend auf spektralen Eigenschaften- hat sich aufgrund seiner präzisen Wärmeeintragssteuerung und schnellen regulatorischen Reaktion als vielversprechende Lösung für diese Herausforderungen erwiesen. Dennoch bleiben die Entwicklungsmuster der spektralen Eigenschaften und die dynamischen Reaktionsmechanismen, die die Schweißnahtdurchdringung beim Laserschweißen von Titanlegierungen bestimmen, weitgehend unklar. Um diese Wissenslücke zu schließen, verwendet diese Studie Laserschweißexperimente mit variablen Parametern, um die typische Mikrostruktur von Schweißnähten und die damit verbundenen Plasmaspektralmerkmale zu charakterisieren. Basierend auf diesen Spektralsignalen wird eine Online-Quantifizierungsmethode für die Schweißdurchdringung entwickelt, um die intrinsischen Zusammenhänge zwischen Eindringstabilität, Rissanfälligkeit und Schweißparametern zu untersuchen. Anschließend wird eine spektral{16}}gesteuerte, modellfreie-Steuerung implementiert, um eine hohe-Schweißqualität zu erreichen, während die mechanischen Eigenschaften und die Qualität der Schweißnahtbildung der resultierenden Verbindungen umfassend bewertet werden. Diese Forschung liefert sowohl theoretische als auch experimentelle Unterstützung für die Realisierung des Hochleistungslaserschweißens für Titanlegierungen.
02 Vollständiger Textüberblick: Dieses Papier befasst sich mit kritischen Herausforderungen beim gepulsten Laserschweißen von Titanlegierungen-insbesondere mit der Schwierigkeit der Online-Schmelzbadtiefenerkennung, der Anfälligkeit der Schmelzbadtiefe für Schwankungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeableitungsbedingungen und der unzureichenden Präzision herkömmlicher Steuerungsmethoden. Diese Studie nutzt Spektraldiagnostik und modellfreie adaptive Steuerung als wichtige technische Ansätze und untersucht die Online-Erkennung und die Regelung der Schmelzbadtiefe im geschlossenen Regelkreis. Der Artikel stellt eine experimentelle Plattform für die Plasmaspektrumerfassung und das gepulste Laserschweißen dar; Durch eine Reihe von Schweißexperimenten mit variabler{6}}Geschwindigkeit erfasst es entsprechende Daten, die Spektralsignale mit Schmelzbadtiefen verknüpfen. Es vergleicht die Wirksamkeit von Dimensionsreduktionstechniken-wie t-SNE und UMAP-bei der Extraktion von Spektralmerkmalen und konstruiert ein neuronales BP-Netzwerk zur Vorhersage der Schmelzbadtiefe. Gleichzeitig wird das spektrale Intensitätsverhältnis R3 (Ti I 503,995 nm / Ti I 586,919 nm) als charakteristischer Parameter ausgewählt; Basierend auf einem Hammerstein-Modell und Partikelschwarmoptimierung werden die dynamischen Eigenschaften des Systems identifiziert und ein modellfreier adaptiver Regler entwickelt, um eine stabile Steuerung der Schmelzbadtiefe zu erreichen. Die Ergebnisse zeigen, dass über UMAP-Dimensionalitätsreduktion verarbeitete Spektralmerkmale die höchste Vorhersagegenauigkeit (R²=0.982) liefern und dass das spektrale Intensitätsverhältnis R3 eine signifikante negative Korrelation mit der Schmelzbadtiefe aufweist, wodurch eine Echtzeitcharakterisierung der Tiefe ermöglicht wird. Der entwickelte MFAC-Regler zeichnet sich durch eine schnelle Einschwingzeit und minimales Überschwingen aus; Unter Bedingungen unterschiedlicher Wärmeableitung behielten 87,3 % der Schweißnähte eine stabile Schmelzbadtiefe im Bereich von 2,20 ± 0,15 mm bei einer Standardabweichung von nur 0,0986. Diese Forschung ermöglicht erfolgreich die Online-Erkennung und stabile Kontrolle der Schmelzbadtiefe beim Laserschweißen von Titanlegierungen und stellt eine wirksame Methode zur präzisen Regulierung der Schweißqualität komplexer Komponenten im Luft- und Raumfahrtsektor bereit.
03 Illustrierte Analyse: Abbildung 1 zeigt eine Visualisierung der Spektraldatenerfassung und numerischen Simulation des gepulsten Laserschweißprozesses. Dargestellt sind die Intensitätsverlaufskurven der charakteristischen Spektrallinie Ti I 503,995 nm bei verschiedenen Schweißgeschwindigkeiten sowie die Entwicklung des Temperaturfeldes innerhalb der Schweißzone unter gepulster Laserbestrahlung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die spektrale Intensität einen nichtlinearen Zusammenhang mit der Schweißgeschwindigkeit aufweist. Mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit nimmt die Wärmeeinbringung ab,-was zu einer Verringerung der angeregten Plasmapartikel führt-und die Spektrallinienintensität nimmt zunächst ab. Wenn jedoch die Geschwindigkeit weiter erhöht wird, nimmt das Verhältnis von Tiefe-zu-der Schweißnaht zu; Dadurch verschiebt sich der Signalerfassungspunkt näher zum Kern des Plasmas, wodurch die spektrale Intensität anschließend ansteigt.
Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung des Prozesses zur Extraktion der Schweißeindringtiefe. Es demonstriert die auf Titanlegierungsschweißungen nach dem Pulslaserschweißen angewendete Methodik-umfasst die Vorbereitung von metallografischen Längsquerschnitten-, Graustufentransformation, Binärisierung und Kantenextraktion-wodurch das Grundmetall klar von der Schweißschmelzzone unterschieden wird, die Grenzen der Eindringtiefe genau identifiziert werden und die automatische Messung und Kalibrierung der Eindringtiefenwerte ermöglicht wird.
Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung des Prozesses zur Extraktion der Schweißeindringtiefe. Es demonstriert die auf Titanlegierungsschweißungen nach dem Pulslaserschweißen angewendete Methodik-umfasst die Vorbereitung von metallografischen Längsquerschnitten-, Graustufentransformation, Binärisierung und Kantenextraktion-wodurch das Grundmetall klar von der Schweißschmelzzone unterschieden wird, die Grenzen der Eindringtiefe genau identifiziert werden und die automatische Messung und Kalibrierung der Eindringtiefenwerte ermöglicht wird.
Abbildung 3 zeigt eine Korrelationskoeffizientenkarte für Daten, die mit verschiedenen Methoden verarbeitet wurden, und veranschaulicht die Größe der Korrelationskoeffizienten zwischen der Schmelztiefe und den Merkmalen, die durch drei verschiedene Ansätze extrahiert wurden: t-SNE-Dimensionalitätsreduzierung, UMAP-Dimensionalitätsreduzierung und das spektrale Intensitätsverhältnis R3. Die Ergebnisse zeigen, dass das spektrale Intensitätsverhältnis R3 (Ti I 503,995 nm / Ti I 586,919 nm) die höchste Korrelation mit der Schmelztiefe aufweist und einen Koeffizienten von −0,886- erreicht, eine Leistung, die der der beiden nichtlinearen Dimensionsreduktionsmethoden t-SNE und UMAP deutlich überlegen ist. Dies zeigt, dass das spektrale Intensitätsverhältnis am empfindlichsten auf Schwankungen der Schmelztiefe reagiert und die stärkste Charakterisierungsfähigkeit besitzt; Somit dient es als Kernfunktion für die Online-Erkennung und modellfreie adaptive Steuerung der Schmelztiefe.
03 Zusammenfassung: Dieses Papier befasst sich mit den Herausforderungen der Schmelzbadtiefenschwankung und der Online-Erkennung beim gepulsten Laserschweißen von Titanlegierungen und untersucht die Online-Schmelzbadtiefenerkennung und die modellfreie adaptive Steuerung auf der Grundlage spektroskopischer Diagnostik. Durch die Aufnahme von Plasmaemissionsspektren und den Vergleich der Charakterisierungswirksamkeit von Merkmalen, die aus der t-SNE- und UMAP-Dimensionsreduktion abgeleitet wurden, mit den spektralen Intensitätsverhältnissen wurde entdeckt, dass das Intensitätsverhältnis R3 (Ti I 503,995 nm / Ti I 586,919 nm) eine starke Korrelation mit der Tiefe des Schmelzbads aufweist -insbesondere einen Korrelationskoeffizienten von -0,886-und dadurch präzise Ergebnisse ermöglicht Charakterisierung. Basierend auf diesem Spektralmerkmal wurde ein modellfreies adaptives Steuerungssystem konstruiert, das eine Kombination aus dem Hammerstein-Modell und dem Particle Swarm Optimization-Algorithmus nutzt, um eine Parameteroptimierung zu erreichen. Sowohl Simulations- als auch Versuchsergebnisse zeigen, dass das Steuerungssystem eine schnelle Reaktion und ein minimales Überschwingen aufweist; Darüber hinaus gelingt es ihm, die Schmelzbadtiefe von 87,3 % der Schweißnähte auch unter wechselnden Wärmeableitungsbedingungen erfolgreich in einem stabilen Bereich von 2,20 ± 0,15 mm zu halten. Diese Studie realisiert die Echtzeitüberwachung und stabile Steuerung der Schmelzbadtiefe beim Laserschweißen von Titanlegierungen und bietet eine effektive technische Lösung für die Regelung der Schweißqualität im geschlossenen Regelkreis bei der Herstellung von High-End-Geräten.
