01 Introduction à l'article : En raison de leur résistance spécifique exceptionnellement élevée, les alliages de titane servent de matériaux structurels essentiels dans les domaines de l'aviation et de la fabrication d'équipements haut de gamme. Cependant, pendant le processus de soudage au laser, ces alliages sont sujets à des problèmes tels que des fluctuations du plasma, une pénétration instable des soudures et des fissures à chaud. Ni le soudage laser continu traditionnel ni le soudage hybride arc-laser ne peuvent obtenir de manière fiable une formation de soudure stable caractérisée par une haute précision et de faibles taux de défauts ; de plus, les systèmes de contrôle en boucle fermée - conventionnels ont du mal à surmonter les limitations liées à une réactivité insuffisante en temps réel - et à une forte dépendance à l'égard de modèles de processus spécifiques. Le-soudage adaptatif sans modèle-basé sur des caractéristiques spectrales-est apparu comme une solution prometteuse à ces défis, en raison de son contrôle précis de l'apport de chaleur et de sa réponse réglementaire rapide. Néanmoins, les schémas évolutifs des caractéristiques spectrales et les mécanismes de réponse dynamique régissant la pénétration des soudures lors du soudage laser des alliages de titane restent largement flous. Pour combler ce manque de connaissances, cette étude utilise des expériences de soudage laser à paramètres variables - pour caractériser la microstructure typique des cordons de soudure et les caractéristiques spectrales du plasma associées. Sur la base de ces signaux spectraux, une méthode de quantification en ligne de la pénétration des soudures est établie pour étudier les corrélations intrinsèques entre la stabilité de la pénétration, la susceptibilité à la fissuration et les paramètres de soudage. Par la suite, un contrôleur libre de modèle-piloté par spectre-est mis en œuvre pour obtenir un soudage de haute-qualité, tandis que les propriétés mécaniques et la qualité de formation des soudures des joints résultants sont évaluées de manière exhaustive. Cette recherche fournit un support à la fois théorique et expérimental pour la réalisation de soudage laser -haute performance pour les alliages de titane.
02 Présentation du texte intégral : Cet article aborde les défis critiques liés au soudage au laser pulsé des alliages de titane-en particulier, la difficulté de la détection de la profondeur du bain de fusion en ligne, la sensibilité de la profondeur du bain de fusion aux fluctuations causées par les différentes conditions de dissipation thermique et la précision insuffisante des méthodes de contrôle traditionnelles. Utilisant des diagnostics spectraux et un contrôle adaptatif sans modèle-comme approches techniques clés, cette étude examine la détection en ligne et le contrôle en boucle fermée-de la profondeur du bassin de fusion. L'article établit une plate-forme expérimentale pour l'acquisition du spectre plasma et le soudage au laser pulsé ; grâce à une série d'expériences de soudage à vitesse variable-, il acquiert les données correspondantes reliant les signaux spectraux aux profondeurs du bassin de fusion. Il compare l'efficacité des techniques de réduction de dimensionnalité-telles que t-SNE et UMAP-dans l'extraction de caractéristiques spectrales et construit un réseau neuronal BP pour prédire la profondeur du bassin de fusion. Simultanément, le rapport d'intensité spectrale R3 (Ti I 503,995 nm / Ti I 586,919 nm) est sélectionné comme paramètre caractéristique ; sur la base d'un modèle Hammerstein et d'une optimisation par essaim de particules, les caractéristiques dynamiques du système sont identifiées et un contrôleur adaptatif sans modèle -est conçu pour obtenir un contrôle stable de la profondeur du bassin de fusion. Les résultats démontrent que les caractéristiques spectrales traitées via la réduction de dimensionnalité UMAP donnent la précision de prédiction la plus élevée (R²=0.982) et que le rapport d'intensité spectrale R3 présente une corrélation négative significative avec la profondeur du bassin de fusion, permettant ainsi une caractérisation en temps réel de la profondeur. Le contrôleur MFAC conçu présente un temps de stabilisation rapide et un dépassement minimal ; dans des conditions de dissipation thermique variable, 87,3 % des cordons de soudure maintenaient une profondeur de bain de fusion stable comprise dans la plage de 2,20 ± 0,15 mm, avec un écart type de seulement 0,0986. Cette recherche réussit à détecter en ligne et à contrôler de manière stable la profondeur du bain de fusion dans le soudage laser des alliages de titane, fournissant ainsi une méthodologie efficace pour la régulation précise de la qualité du soudage dans les composants complexes du secteur aérospatial.
03 Analyse illustrée : La figure 1 présente une visualisation de l'acquisition de données spectrales et de la simulation numérique du processus de soudage au laser pulsé. Elle illustre les courbes de variation d'intensité de la raie spectrale caractéristique Ti I 503,995 nm à différentes vitesses de soudage, ainsi que l'évolution du champ de température au sein de la zone de soudure sous irradiation laser pulsé. Les résultats indiquent que l'intensité spectrale présente une relation non linéaire avec la vitesse de soudage. À mesure que la vitesse de soudage augmente, l'apport de chaleur diminue-entraînant une réduction des particules de plasma excitées-et l'intensité de la raie spectrale diminue initialement. Cependant, à mesure que la vitesse augmente encore, le rapport profondeur-sur-largeur de la soudure augmente ; par conséquent, le point d’acquisition du signal se rapproche du cœur du plasma, provoquant ensuite une augmentation de l’intensité spectrale.
La figure 2 présente une illustration schématique du processus d'extraction de la profondeur de pénétration de la soudure. Il démontre la méthodologie appliquée aux soudures en alliage de titane après le soudage au laser pulsé-englobant la préparation de sections transversales métallographiques longitudinales-la transformation en niveaux de gris, la binarisation et l'extraction des bords-distinguant ainsi clairement le métal de base de la zone de fusion de soudure, identifiant précisément les limites de la profondeur de pénétration et permettant la mesure et l'étalonnage automatiques des valeurs de profondeur de pénétration.
La figure 2 présente une illustration schématique du processus d'extraction de la profondeur de pénétration de la soudure. Il démontre la méthodologie appliquée aux soudures en alliage de titane après le soudage au laser pulsé-englobant la préparation de sections transversales métallographiques longitudinales-la transformation en niveaux de gris, la binarisation et l'extraction des bords-distinguant ainsi clairement le métal de base de la zone de fusion de soudure, identifiant précisément les limites de la profondeur de pénétration et permettant la mesure et l'étalonnage automatiques des valeurs de profondeur de pénétration.
La figure 3 présente une carte des coefficients de corrélation pour les données traitées à l'aide de différentes méthodes, illustrant l'ampleur des coefficients de corrélation entre la profondeur de fusion et les caractéristiques extraites par trois approches distinctes : t-réduction de dimensionnalité SNE, réduction de dimensionnalité UMAP et rapport d'intensité spectrale R3. Les résultats indiquent que le rapport d'intensité spectrale R3 (Ti I 503,995 nm / Ti I 586,919 nm) présente la plus forte corrélation avec la profondeur de fusion, atteignant un coefficient de −0,886-une performance significativement supérieure à celle des deux méthodes de réduction de dimensionnalité non linéaire, t-SNE et UMAP. Cela démontre que le rapport d'intensité spectrale est le plus sensible aux variations de profondeur de fusion et possède la plus forte capacité de caractérisation ; ainsi, il constitue une fonctionnalité essentielle pour la détection en ligne et le contrôle adaptatif sans modèle de la profondeur de fusion.
03 Résumé : Répondant aux défis de la fluctuation de la profondeur du bain de fusion et de la détection en ligne dans le soudage au laser pulsé des alliages de titane, cet article étudie la détection de la profondeur du bain de fusion en ligne et le contrôle adaptatif sans modèle basé sur des diagnostics spectroscopiques. En acquérant des spectres d'émission de plasma et en comparant l'efficacité de caractérisation des caractéristiques dérivées de la réduction de dimensionnalité t-SNE et UMAP par rapport aux rapports d'intensité spectrale, il a été découvert que le rapport d'intensité R3 (Ti I 503,995 nm / Ti I 586,919 nm) présente une forte corrélation avec la profondeur du bain de fusion-en particulier, un coefficient de corrélation de -0,886-permettant ainsi une caractérisation précise. Sur la base de cette caractéristique spectrale, un système de contrôle adaptatif sans modèle a été construit, utilisant une combinaison du modèle Hammerstein et de l'algorithme d'optimisation par essaim de particules pour obtenir l'optimisation des paramètres. Les résultats de simulation et expérimentaux démontrent que le système de contrôle présente une réponse rapide et un dépassement minimal ; de plus, même dans des conditions variables de dissipation thermique, il maintient avec succès la profondeur du bain de fusion de 87,3 % des cordons de soudure dans une plage stable de 2,20 ± 0,15 mm. Cette étude réalise la surveillance en temps réel-et le contrôle stable de la profondeur du bain de fusion dans le soudage laser des alliages de titane, fournissant une solution technique efficace pour la régulation en boucle fermée de la qualité du soudage dans la fabrication d'équipements haut de gamme.
