01
Папер Интродуцтион
Ласерско заваривање у режиму дубоког{0}}продирања представља веома обећавајући процес спајања метала у савременој производњи; међутим, његову примену често омета појава дефеката порозности. С обзиром на то да формирање пора укључује веома нелинеарне и више{2}}спојене физичке процесе-и да је тешко пратити *ин ситу* унутар непрозирних метала-, прецизно предвиђање дефекта порозности и механизама њиховог формирања у основи остаје велики изазов. Традиционалне параметарске студије и модели машинског учења засновани искључиво на сировим параметрима заваривања пате од ограничења у погледу способности генерализације, тачности у предвиђању дубоких-пора и интерпретабилности. Бавећи се овим критичним питањем, ова студија предлаже иновативни оквир за физику{8}}информисаног дубоког учења (ПИДЛ). Интеграцијом механичког моделирања са експерименталним подацима, овај оквир има за циљ да прецизно предвиди стопу порозности током ласерског заваривања легура алуминијума и да разјасни основне физичке механизме одговорне за његово формирање.
02
**Преглед студије**
Ова студија се бави питањем порозности код ласерског заваривања-проблемом који произилази из сложених феномена као што су нестабилност кључаонице, динамика базена растопа и очвршћавање-предлажући нови оквир за предвиђање који интегрише мултифизичку нумеричку симулацију са дубоким учењем. Истраживање почиње коришћењем експериментално потврђеног мултифизичког модела за систематско издвајање кључних физичких варијабли повезаних са стабилношћу кључаонице, геометријом базена растопљеног материјала, протоком течног метала и термичким карактеристикама. На основу ове основе конструисан је ПИДЛ модел; у поређењу са традиционалним моделима дубоког учења који су обучени искључиво на параметрима процеса, овај модел је постигао значајно смањење средње квадратне грешке (МСЕ) од 41%. Да би побољшали интерпретабилност модела, истраживачи су синтетизовали ове физичке варијабле у бездимензионалне карактеристике са јасним физичким значајем (нпр. однос ширине и висине кључаонице, Стоксов број, итд.). Коначно, користећи СХАП (Схаплеи Аддитиве Екпланатионс) анализу, студија је квантитативно открила-по први пут-хијерархијски значај различитих физичких фактора у процесу формирања порозности. Налази идентификују однос ширине и висине отвора за кључаоницу и отпор протока вођен силазним током растапања као две најкритичније детерминанте формирања порозности, чиме се пружају јасне смернице за оптимизацију процеса.
03
Визуелна анализа
Слика 1 илуструје типичне слике расподеле пора добијене под различитим параметрима заваривања, након обраде помоћу Кс-инспекције и алгоритама за препознавање слике. Слика показује да, како комбинација параметара заваривања варира, појављују се значајне разлике у количини, величини и дистрибуцији пора унутар завареног шава; ови подаци о порозности служе као ознаке за накнадну обуку модела дубоког учења.
Слика 2 представља шематски дијаграм мултифизичког нумеричког модела коришћеног у овој студији. Решавањем једначина очувања за масу, импулс и енергију-и уградњом-алгоритма за праћење зрака-овај модел прецизно израчунава вишеструку рефлексију и апсорпцију енергије ласерског зрака унутар кључаонице. Слика 2(а) илуструје дискретизацију ласерског зрака на бројне под-зраке, од којих сваки носи одређену количину енергије; Слика 2(б) геометријски приказује струк снопа ласера; а Слика 2(ц) визуелно приказује сложени процес вишеструких рефлексија које пролазе ласерски под-зраци унутар кључаонице. Овај модел пружа тродимензионалне, пролазне информације у вези са морфологијом кључаонице и пољима тока у базену талине{13}}податке које је тешко добити експериментално-и тиме пружа критичне улазне карактеристике за конструкцију ПИДЛ модела.
На слици 3 су приказани резултати валидације мултифизичког модела, упоређујући експериментално измерене вредности са предвиђањима модела за дубину базена растопа (Слика. 3(а)) и дужину базена растопљене (Слика. 3(б)) под екстремним параметрима процеса. Резултати показују снажну сагласност између предвиђања модела и експерименталних података; конкретно, релативна грешка за предвиђање дубине базена талине је у опсегу од -6,3% до 20,9%, док се грешка за предвиђање дужине базена растопљене креће од -16,9% до 20,4%. Ови резултати валидације потврђују високу тачност успостављеног мултифизичког модела, показујући његову способност да обезбеди поуздане податке о физичким варијаблама за наредне моделе дубоког учења.
Слика 4 илуструје перформансе ПИДЛ модела-обученог коришћењем скупа података директних физичких варијабли-у предвиђању порозности. Слика 4(а) показује да се функције губитка за све под-моделе унутар оквира учења ансамбла ефикасно конвергирају. Слике 4(б) и 4(ц) представљају поређења између предвиђене порозности модела и стварне порозности на сетовима за обуку и тесту, респективно. Резултати показују да је ПИДЛ модел постигао МСЕ од 0,32 на скупу за обуку и 0,75 на скупу за тестирање, чиме је демонстрирао способност методе да ефикасно научи сложене нелинеарне односе између физичких варијабли и порозности и да постигне релативно прецизна квантитативна предвиђања.
04
Закључак
Решавајући изазове повезане са тешко--предвидљивом природом и тешким--квантификовањем узрока дефеката порозности код ласерског-заваривања са дубоким продирањем, предложена је и потврђена нова метода предвиђања дубоког учења заснованог на физици{5}}(ПИДЛ). Ова студија је конструисала скуп података одабиром физичких варијабли из модела са више-физичких поља, који обухвата четири главне категорије: термодинамички фактори, проток течног метала, фактори повезани са кључаоницом-и геометрија базена талине. Експериментални резултати су показали да је, у поређењу са традиционалним моделима дубоког учења заснованим искључиво на параметрима процеса, предложени ПИДЛ модел постигао значајно смањење од 41% у предвиђању Меан Скуаред Еррор (МСЕ). Идентификовано је да су максимална брзина протока наниже и дубина кључаонице две најкритичније физичке варијабле које регулишу формирање порозности; штавише, оба показују монотону корелацију са нивоима порозности, док су доприноси времена очвршћавања и величине базена растопа релативно мали и не-монотонични. Коришћењем техника фузије обележја за трансформацију физичких варијабли у бездимензионалне карактеристике-које ефикасно описују формирање, кретање и заробљавање мехурића-студија не само да је смањила димензионалност обележја већ је и задржала значајну предиктивну тачност, док је моделу дала јаснију физичку стабилност и побољшану статистичку интерпретабилност. На основу СХАП анализе интерпретабилности, експлицитно је установљено да однос аспекта кључаонице показује јаку позитивну корелацију са нивоима порозности, чиме служи као ефикасан индикатор за директну процену склоности формирању порозности; истовремено је утврђено да сила отпора протока наниже-карактерисана Стоксовим бројем- такође има значајан утицај на формирање порозности.
