Оптимизация обработки стали 12Х18Н9Т кольцевыми лазерными пучками

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 %.

1. Григорьянц, А. Г. Технологические процессы лазерной обработки / А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 664 с.

2. 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).

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Бессмельцев, В. П. Оптимизация режимов лазерной микрообработки / В. П. Бессмельцев, Е. Д. Булушев // Автометрия. 2014. Т. 50, № 6. С. 3–21.

7. 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.

8. 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.

9. Емельянов, В. В. Теория и практика эволюционного моделирования / В. В. Емельянов, В. В. Курейчик, В. М. Курейчик. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 432 с.

10. 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.

11. 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.

12. Ansys [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.ansys.com/.

13. Зиновьев, В. Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: справочник / В. Е. Зиновьев. М.: Металлургия, 1989. 384 с.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий/ Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. М.: Наука. 1976. 278 с.