Prediction of the quality of coatings formed by pulsed laser radiation on 30ХГСН2A steel using metamodeling

Abstract

The high degree of nonlinearity of the thermophysical processes of pulsed laser cladding requires the use of modern predictive analytics methods to control surface layer quality. In this study, metamodels were developed for the process of forming nichrome coatings on 30ХГСН2A steel using nonparametric regression techniques. The data source consisted of results from physical experiments conducted according to a D-optimal design on a laser system featuring a controllable pump-current pulse shape. Laser pulse energy, duration, and frequency served as the input variables. Layer thickness, surface microhardness, and defect criteria (presence of pores and cracks) were evaluated as response functions. An assessment of quality metrics (RMSE, R²) demonstrated the high adequacy of the resulting surrogate models. It was found that the geometry of the deposited bead and the susceptibility to cracking depend primarily on pulse energy, whereas minimizing porosity requires adjusting both pulse energy and pulse repetition frequency. The proposed approach enhances the efficiency of selecting processing parameters for laser coating formation on 30ХГСН 2A steel while minimizing the need for physical experiments.

Высокая нелинейность теплофизических процессов при импульсной лазерной наплавке требует применения современных методов предиктивной аналитики для управления качеством поверхностного слоя. В данной работе разработаны метамодели процесса лазерного формирования нихромовых по- крытий на стали 30ХГСН2А с использованием методов непараметрической регрессии. В качестве источника данных использованы результаты натурных экспериментов, проведенных по d-оптимальному плану на лазерной установке с контролируемой формой импульса тока накачки. Входными переменными выступали энергия, длительность и частота лазерных импульсов. В качестве функций отклика оценивались толщина слоя, микротвердость поверхности, а также критерии дефектности (наличие пор и трещин). Оценка метрик качества (RMSE, R2 ) показала хорошую адекватность полученных суррогатных моделей. Показано, что геометрия наплавленного валика и склонность к трещинообразованию в наибольшей степени зависят от энергии импульса, тогда как минимизация пористости требует регулировки энергии и частоты следования импульсов. Предложенный в работе подход позволяет повысить эффективность выбора технологических режимов при формировании лазерных покрытий на стали 30ХГСН2А при минимизации натурных экспериментов.