ריתוך בלייזר במצב חדירה- עמוק מייצג תהליך חיבור מתכת מבטיח ביותר בייצור מודרני; עם זאת, היישום שלה מופרע לעתים קרובות על ידי התרחשות של פגמים נקבוביות. בהתחשב בכך שיצירת נקבוביות כרוכה בתהליכים פיזיקליים מאוד לא-לינאריים ומרובים-מצמודים-וקשה לנטר *במקום* בתוך מתכות אטומות-לחזות במדויק את פגמי הנקבוביות ואת מנגנוני ההיווצרות הבסיסיים שלהם, נותרה אתגר אדיר. מחקרים פרמטריים מסורתיים ומודלים של למידת מכונה המבוססים אך ורק על פרמטרים גולמיים של ריתוך סובלים ממגבלות בנוגע ליכולת הכללה, דיוק בניבוי נקבוביות עמוקה- ויכולת פרשנות. כדי לטפל בבעיה קריטית זו, מחקר זה מציע מסגרת חדשנית של למידה עמוקה בפיסיקה-(PIDL) המשלבת מודלים מכניסטיים עם נתונים ניסויים, במטרה לחזות במדויק את רמות הנקבוביות במהלך ריתוך לייזר של סגסוגות אלומיניום ולהבהיר את המנגנונים הפיזיקליים הבסיסיים האחראים להיווצרותן.
בהתייחס לנושא הנקבוביות בריתוך לייזר-תופעה המונעת על ידי תהליכים מורכבים כגון חוסר יציבות של חור המנעול, דינמיקה של בריכות נמס והתמצקות-מחקר זה מציע מסגרת חיזוי חדשנית המשלבת סימולציה מספרית מולטיפיסיקה עם למידה עמוקה. המחקר מתחיל בחילוץ שיטתי של משתנים פיזיקליים מרכזיים-הנוגעים ליציבות חור המנעול, גיאומטריית בריכת ההיתוך, זרימת מתכת נוזלית ומאפיינים תרמיים-באמצעות מודל רב-פיזיקלי מאומת באמצעות נתונים ניסויים. בהתבסס על בסיס זה, מודל PIDL שפותח השיג הפחתה של 41% בשגיאה בריבוע ממוצע (MSE) בהשוואה למודלים מסורתיים של למידה עמוקה שהוכשרו רק על פרמטרים של תהליך. כדי לשפר את פרשנות המודל, החוקרים סינתזו את המשתנים הפיזיקליים הללו לתכונות חסרות מימד בעלות משמעות פיזיקלית ברורה (למשל, יחס גובה-רוחב של חור המנעול, מספר סטוקס). לבסוף, תוך שימוש בניתוח SHAP (הסברים תוספים של Shapley), המחקר ביסס באופן כמותי-לראשונה-את החשיבות ההיררכית של גורמים פיזיקליים שונים בתהליך היווצרות הנקבוביות; באופן ספציפי, הוא זיהה את יחס הגובה-רוחב של חור המנעול והתנגדות הזרימה המונעת על ידי זרימת ההיתוך כלפי מטה כשני הגורמים הקריטיים ביותר להיווצרות נקבוביות, ובכך מספק הדרכה ברורה לאופטימיזציה של התהליך.
איור 1 ממחיש תמונות טיפוסיות של התפלגות נקבוביות שהושגו תחת פרמטרים שונים של ריתוך, לאחר עיבוד באמצעות אלגוריתמים של בדיקת קרני רנטגן וזיהוי תמונה. האיור מראה שככל שהשילוב של פרמטרי הריתוך משתנה, נוצרים הבדלים משמעותיים בכמות, בגודל ובחלוקת הנקבוביות בתוך תפרי הריתוך; נתוני נקבוביות אלה משמשים כתוויות להכשרה שלאחר מכן של מודלים של למידה עמוקה.
איור 2 מציג תרשים סכמטי של המודל הנומרי הרב-פיזיקלי המשמש במחקר זה. על ידי פתרון משוואות השימור למסה, תנע ואנרגיה-ושילוב אלגוריתם-עקיבת קרניים-המודל הזה מחשב במדויק את ההשתקפויות המרובות וספיגת האנרגיה של קרן הלייזר בתוך חור המנעול. איור 2(א) ממחיש את הדיסקרטיזציה של קרן הלייזר למספר תת-קרני-, שכל אחת נושאת כמות מסוימת של אנרגיה; איור 2(ב) מתאר בצורה גיאומטרית את מותני הקרן של הלייזר; ואיור 2(ג) מציג חזותית את התהליך המורכב של השתקפויות מרובות שעוברות תת-קרני הלייזר-בתוך חור המנעול. מודל זה מספק מידע-תלת מימדי, חולף לגבי מורפולוגיה של חור המנעול ושדות זרימת בריכות נמס-שקשה להשיג בניסוי-ועל ידי כך מספק תכונות קלט קריטיות לבניית מודל PIDL.
איור 3 מציג את תוצאות האימות של המודל הרב-פיזיקלי, תוך השוואת ערכים שנמדדו בניסוי עם תחזיות מודל עבור עומק בריכת ההיתוך (איור. 3(א)) ואורך בריכת ההיתוך (איור. 3(ב)) תחת פרמטרים קיצוניים של תהליך. התוצאות מדגימות התאמה חזקה בין תחזיות המודל לנתוני הניסוי; באופן ספציפי, השגיאה היחסית עבור תחזיות עומק בריכת ההיתוך נופלת בטווח של -6.3% עד 20.9%, בעוד השגיאה עבור תחזיות אורך בריכת ההיתוך נעה בין -16.9% ל-20.4%. תוצאות אימות אלו מאשרות את הדיוק הגבוה של המודל הרב-פיזיקלי שהוקם, ומדגימות את יכולתו לספק נתונים מהימנים של משתנים פיזיים עבור מודלים של למידה עמוקה הבאים.
איור 4 ממחיש את הביצועים של מודל ה-PIDL-אומן באמצעות מערך נתונים של משתנים פיזיקליים ישירים-בחיזוי נקבוביות. איור 4(א) מדגים שפונקציות האובדן של כל תת המודלים- בתוך מסגרת הלמידה של האנסמבל מתכנסות ביעילות. איורים 4(ב) ו-4(ג) מציגים השוואות בין ערכי הנקבוביות החזויים והממשיים עבור מערכי האימונים והמבחנים, בהתאמה. התוצאות מצביעות על כך שמודל ה-PIDL השיג MSE של 0.32 במערך האימונים ו-0.75 במערך המבחנים, ובכך הוכיח את יכולתה של השיטה ללמוד ביעילות את הקשרים הלא ליניאריים המורכבים בין משתנים פיזיקליים ונקבוביות, ולהשיג תחזיות כמותיות מדויקות.
איור 5, באמצעות ניתוח SHAP, חושף את דירוג החשיבות ואת מגמות ההשפעה של משתנים פיזיקליים שונים על חיזוי נקבוביות. איור 5(א) מציין שבין כל המשתנים הפיזיקליים שנבחרו, המהירות המקסימלית כלפי מטה בתוך זרימת המתכת הנוזלית מפעילה את ההשפעה הגדולה ביותר על הנקבוביות, ואחריה עומק חור המנעול. איור 5(ב) ממחיש את התפלגות התרומות מכל תכונה לתוצאות החיזוי עבור כל מדגם, כאשר אדום מייצג ערכי תכונה גבוהים וכחול מייצג ערכי תכונה נמוכים. ניתוח משולב מגלה כי המהירות המקסימלית כלפי מטה נמצאת בקורלציה שלילית עם הנקבוביות (כלומר, ככל שהזרימה כלפי מטה חזקה יותר, כך הנקבוביות גבוהה יותר), בעוד שעומק חור המנעול נמצא בקורלציה חיובית לנקבוביות (כלומר, ככל שחור המנעול עמוק יותר, כך נקבוביות גבוהה יותר).
