satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2023-22-3-186-192sat-2667Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕMECHANICAL ENGINEERING АND ENGINEERING SCIENCEОптимизация обработки стали 12Х18Н9Т кольцевыми лазерными пучкамиOptimization of 12Х18Н9Т-Steel Processing by Ring Laser BeamsБаевичГ. А.BayevichG. A.

Адрес для переписки:Баевич Георгий Александрович –Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины, ул. Советская, 104,246028, г. Гомель, Республика БеларусьюТел.: +375 232 50-38-31baevich@gsu.by

Address for correspondence:Bayevich Georgiy A. –Francisk Skorina Gomel State University,104, Sovetskaya str.,246028, Gomel, Republic of BelarusюTel.: +375 232 50-38-31baevich@gsu.by

baevich@gsu.byНикитюкЮ. В.NikitjukYu. V.

Кандидат физико-математических наук, доцент

г. Гомель

Gomel

МышковецВ. Н.MyshkovetsV. N.

Кандидат физико-математических наук, доцент

г. Гомель

Gomel

МаксименкоА. В.MaximenkoA. V.

Кандидат технических наук, доцент

г. Гомель

Gomel

АушевИ. Ю.AushevI. Yu.

Кандидат технических наук, доцент

г. Минск

Minsk

Гомельский государственный университет имени Франциска СкориныБеларусьFrancysk Skaryna Gomel State UniversityBelarusУниверситет гражданской защиты МЧС Республики БеларусьБеларусьUniversity of Civil Protection of the Ministry for Emergency Situations of the Republic of BelarusBelarus202306062023223186192Copyright © Баевич Г.А., Никитюк Ю.В., Мышковец В.Н., Максименко А.В., Аушев И.Ю., 20232023Баевич Г.А., Никитюк Ю.В., Мышковец В.Н., Максименко А.В., Аушев И.Ю.Bayevich G.A., Nikitjuk Y.V., Myshkovets V.N., Maximenko A.V., Aushev I.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/2667

В работе с использованием генетического алгоритма MOGA, встроенного в модуль DesignXplorer программы ANSYS Workbench, выполнена оптимизация лазерной обработки стали 12Х18Н9Т кольцевыми пучками. Расчет температурных полей проводили с учетом зависимости теплофизических свойств материала от температуры методом конечных элементов в программе ANSYS Workbench. Получена регрессионная модель обработки стали 12Х18Н9Т кольцевыми лазерными пучками с использованием гранецентрированного варианта центрального композиционного плана эксперимента. В качестве варьируемых факторов использовали плотность мощности и длительность импульсов лазерного излучения, внешний и внутренний диаметры лазерного пучка в плоскости обработки, в качестве откликов – глубины проплавления материала и максимальные температуры в зоне лазерной обработки. Произведена оценка влияния параметров обработки на глубины проплавления материала в зоне лазерного воздействия и максимальные значения температуры. Установлено, что на глубины проплавления материала и максимальные температуры наибольшее воздействие оказывает плотность мощности лазерного излучения. Оптимизацию лазерной обработки стали 12Х18Н9Т кольцевыми пучками выполняли при задании предельных значений максимальной температуры в зоне обработки для трех вариантов минимальной глубины проплавления. Выполнено сравнение параметров, полученных в результате оптимизации с использованием алгоритма MOGA, и параметров, полученных в результате конечно-элементного моделирования. Максимальная относительная погрешность результатов при определении максимальных температур не превысила 1 %, при определении максимальных глубин проплавления – 6 %.

Using the MOGA genetic algorithm built into the DesignXplorer module of the ANSYS Workbench program, optimization of laser processing of 12Х18Н9Т-steel  by annular beams has been performed. The calculation of temperature fields has been carried out taking into account the dependence of the thermophysical properties of the material on temperature 

by the finite element method in the ANSYS Workbench program. A regression model has been obtained for processing 12Х18Н9Т-steel  by annular laser beams using a face-centered variant of the central compositional plan of the experiment. The power density and duration of laser radiation pulses, the outer and inner diameters of the laser beam in the processing plane were used as variable factors. The penetration depths of the material and the maximum temperatures in the laser processing zone were used as responses. The influence of processing parameters on the penetration depths of the material in the laser impact zone and the maximum temperature values has been evaluated. It has been established that the depth of penetration of the material and the maximum temperatures are most affected by the power density of laser radiation. Optimization of laser processing of 12Х18Н9Т-steel  by annular beams was carried out by setting the limiting values of the maximum tempe-rature in the processing zone for three variants of the minimum penetration depth. The parameters obtained as a result of optimization using the MOGA algorithm and the parameters obtained as a result of finite element modeling are compared. The maximum relative error of the results when determining the maximum temperatures did not exceed 1 % and when determining the maximum penetration depths did not exceed 6 %.

лазерная обработкаоптимизацияMOGAANSYSlaser processingoptimizationMOGAANSYSReferencesГригорьянц, А. Г. Технологические процессы лазерной обработки / А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 664 с.Grigoryants A. G., Shiganov I. N., Misyurov A. I. (2006) Technological Processes Oflaser Processing. Moscow, Bauman Moscow State Technical University, 664 (in Russian).Термоупругие поля в твердых телах при их обработке лазерными пучками специальной геометрии / Б. В. Бокуть [и др.]. Минск, 1987. 59 с. (Препринт / Ин-т физики АН БССР).Bokut' B. V., Kondratenko V. S., Myshkovets V. N., Serdyukov A. N., Shalupaev S. V. (1987) Thermoelastic Fields in Solids During their Processing by Laser Beams of Special Geometry. Preprint. B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus. Minsk, 59 (in Russian).Установка для лазерной обработки кольцевым пучком: пат. № 235 Респ. Беларусь: МПК B 23K 26/00 / В. Н. Мышковец, А. В. Максименко, С. В. Шалупаев, И. М. Каморников, Ю. В. Никитюк. Опубл. 03.30.01.Myshkovets V. N., Maximenko A. V., Shalupaev S. V., Kamornikov I. M., Nikityuk Yu. V. (2001) Annular Beam Laser Processing Machine. Patent No. 235 Republic of Belarus (in Russian).Перестраиваемые кольцевые световые поля и их возможности для лазерной обработки материалов / С. В. Солоневич [и др.] // Взаимодействие излучений с твердым телом = Interaction of Radiation with Solids: материалы 9-й Междунар. конф., Минск, 20–22 сент. 2011 г. Минск, 2011. C. 451–452.Solonevich, S. V., Ryzhevich, A. A., Kazak, N. S., Al'-Mukhanna M. K., Al'-Khovaiter S. Kh., Al'-Saud T. S. M. (2011) Tunable Ring Light Fields and Their Possibilities for Laser Processing of Materials. Vzaimodeistvie Izluchenii s Tverdym Telom: Materialy 9-i Mezhdunar. Konf., Minsk, 20–22 Sent. 2011 g. = Interaction of Radiation with Solids: Proceedings of the 9th International Conference, Minsk, September 20–22, 2011. Minsk, 451–452 (in Russian).Максименко, А. В. Импульсная лазерная наплавка конструкционных сталей кольцевыми пучками / А. В. Максименко, В. Н. Мышковец, П. С. Шаповалов // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. 2010. № 4. С. 63–68.Maximenko А. В., Myshkovets V. N., Shapovalov P. S. (2010) Pulsed Laser Cladding of Structural Steels with Annular Beams. Vestnik GGTU im. P. O. Sukhogo = Bulletin Sukhoi State Technical University of Gomel, (4), 63–68 (in Russian).Бессмельцев, В. П. Оптимизация режимов лазерной микрообработки / В. П. Бессмельцев, Е. Д. Булушев // Автометрия. 2014. Т. 50, № 6. С. 3–21.Bessmeltsev V. P., Bulushev E. D. (2014) Optimization of Laser Micromachining Regimes. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 50 (6), 533–548. https://doi.org/10.3103/s8756699014060016.Parandoush, P. A Review of Modeling and Simulation of Laser Beam Machining / P. Parandoush, A. Hossain // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2014. Vol. 85. P. 135–145. https://doi.org/10./j.ijmachtools.2014.05.008.Parandoush P., Hossain A. (2014) A Review of Modeling and Simulation of Laser Beam Machining. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 85, 135–145. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2014.05.008.Nikityuk, Y. V. Optimization of Two-Beam Laser Cleavage of Silicate Glass / Y. V. Nikityuk, A. N. Serdyukov, I. Y. Aushev // Journal of Optical Technology. 2022. Vol. 89, № 2. Р. 121–125. https://doi.org/10.1364/jot.89.000121.Nikityuk Y. V., Serdyukov A. N., Aushev I. Y. (2022) Optimization of Two-Beam Laser Cleavage of Silicate Glass. Journal of Optical Technology, 89 (2), 121–125. https://doi.org/10.1364/jot.89.000121.Емельянов, В. В. Теория и практика эволюционного моделирования / В. В. Емельянов, В. В. Курейчик, В. М. Курейчик. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 432 с.Emelyanov V. V., Kureychik V. V., Kureychik V. M. (2003) Theory and Practice of Evolutionary Modeling. Moscow, Publishing House “FIZMATLIT”, 432 (in Russian).Красновская, С. В. Обзор возможностей оптимизационных алгоритмов при моделировании конструкций компрессорно-конденсаторных агрегатов методом конечных элементов / С. В. Красновская, В. В. Напрасников // Весцi Нац. акад. Навук Беларусi. Сер. фiзiка-тэхн. навук. 2016. № 2. С. 92–98.Krasnovskaya S. V., Naprasnikov V. V. (2016) Overview of Optimization Algorithms at Finite Elements Modeling of Condensing Units Design. Vestsi Natsyyanal’nai Akademii Navuk Belarusi. Seryya Fizika-Technichnych Navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-Technical Series, (2), 92–98 (in Russian).Fonsecay, C. Genetic Algorithms for Multiobjective Optimization: Formulation Discussion and Generalization / C. Fonsecay, P. Flemingz // In Proceedings of the 5th International Conference on Genetic Algorithms. CA, USA. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers Inc, 1993. P. 416–423.Fonsecay C., Flemingz P. (1993) Genetic Algorithms for Multiobjective Optimization: Formulation Discussion and generalization. In Proceedings of The 5th International Conference on Genetic Algorithms. CA, USA. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers Inc, 416–423.Ansys [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.ansys.com/.Ansys. Available at: https://www.ansys.com/.Зиновьев, В. Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: справочник / В. Е. Зиновьев. М.: Металлургия, 1989. 384 с.Zinoviev V. E. (1989) Thermophysical Properties of Metals at High Temperatures. Moscow, Metallurgiya Publ. 384 (in Russian).Баевич, Г. А. Динамика формирования термических циклов при импульсной лазерной сварке и наплавке высокопрочных конструкционных сталей / Г. А. Баевич, А. В. Максименко, В. Н. Мышковец // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. 2016. № 1. С. 38–44.Baevich G. A., Maximenko A. V., Myshkovets V. N. (2016) Dynamics of Thermal Cycles formation in Pulsed Laser Welding and Surfacing of High-Strength Structural steels. Vestnik GGTU im. P. O. Sukhogo = Bulletin Sukhoi State Technical University of Gomel, (1), 38–44 (in Russian).Multi-Objective Optimization of Microstructure of Gravure Cell Based on Response Surface Method / S. Wu [at al.] // Processes. 2021. Vol. 9, № 2. Р. 1–15. https://doi.org/10.3390/pr9020403.Wu S., Xing J., Dong L., Zhu H. (2021) Multi-Objective Optimization of Microstructure of Gravure Cell Based on Response Surface Method. Processes, 9 (2), 403. https://doi.org/10.3390/pr9020403.Моргунов, А. П. Планирование и анализ результатов эксперимента: учеб. Пособие / А. П. Моргунов, И. В. Ревина; М-во образования России, ОмГТУ. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014. 343 с.Morgunov A. P., Revina I. V. (2014) Planning and Analysis of the Results of the Experiment. Omsk, Publishing House of Omsk State Technical University, 343 (in Russian).Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий/ Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. М.: Наука. 1976. 278 с.Adler Yu. P., Markova E. V., Granovsky Yu. V. (1976) Planning an Experiment in the Search for Optimal Conditions. Moscow, Nauka Publ, 278 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.