Lazer kaplama işleminin enerji tüketimini ve işlem süresini azaltmak için bu makale bir öneri sunmaktadır. lazer kaplama enerji verimliliğine dayalı proses parametresi optimizasyon yöntemi. Belirli enerji tüketimini ölçüt olarak alarak lazer kaplama Enerji verimliliği, lazer kaplama enerji tüketimi modeli, lazer kaplamanın her bir alt sisteminin enerji tüketim özelliklerini analiz ederek oluşturulur. Bu temelde, sistemin toplam enerji tüketimi ile şekillendirme hacmi arasındaki özgül enerji tüketimi hesaplanır ve özgül enerji tüketimi ve işleme süresini optimizasyon hedefleri olarak kullanan lazer kaplama proses parametrelerinin çok amaçlı bir optimizasyon modeli oluşturulur ve NSGA-Ⅱ algoritması ile çözülür. Özgül enerji tüketimi modelinin doğruluğu, halka şeklindeki ince duvarlı parçalar üzerinde lazer kaplama testi ile doğrulanır ve optimize edilmiş proses parametrelerinin lazer kaplamanın enerji verimliliğini etkili bir şekilde artırabileceği ve işleme süresini azaltabileceği kanıtlanır.

lazer kaplama Ulusal savunma, havacılık, petrokimya ve otomobil üretimi gibi büyük ulusal mühendislik alanlarında yaygın olarak kullanılan yüksek hassasiyetli ve yüksek verimli bir malzeme yüzey modifikasyon teknolojisidir. Lazer kaplamanın enerji verimliliği ile ilgili işleme sürecindeki enerji tüketimi arasında yakın bir ilişki vardır. Dong Mengmeng ve arkadaşları, lazer kaplamanın her bir alt sisteminin enerji tüketim özelliklerini analiz ederek lazer kaplama işleminin enerji tüketimini tahmin edebilen bir model oluşturdular. Jiang ve arkadaşları, lazer kaplama yeniden üretim süreci için bir enerji tüketim modeli oluşturdular ve geliştirilmiş NSGA-Ⅱ algoritmasını kullanarak modeli optimize ettiler, bu da lazer kaplama yeniden üretim sürecinin enerji tüketimini ve maliyetini azaltmak için bir temel sağladı. Duan Chengmao ve arkadaşları, işleme verimliliği ve karbon etkisini optimizasyon hedefi olarak temel alarak lazer kaynağı için düşük karbonlu bir optimizasyon modeli oluşturdular ve lazer kaynak süreci sistemi için düşük karbonlu bir optimizasyon yöntemi önerdiler. Jiang Xingyu ve arkadaşları. Lazer eklemeli imalat süreci için bir karbon emisyon modeli kurdular ve karbon emisyonu, toz kullanım oranı ve kaplama kalitesini optimizasyon hedefleri olarak kullanarak ilgili süreç parametrelerini optimize ettiler. Panda ve arkadaşları sinterleme alanına dayalı enerji tüketimini hesapladılar, enerji tüketimini ve üretim verimliliğini kapsamlı bir şekilde dikkate alan bir lazer eklemeli imalat enerji tüketimi optimizasyon modeli kurdular ve kaplama tabakasının kalınlığının lazer eklemeli imalatın enerji tüketimini etkileyen önemli bir parametre olduğunu belirttiler. Streitenberger ve arkadaşları faktör analizi ve normal düzlem kesişim yöntemine dayalı iki aşamalı bir optimizasyon yöntemi önerdiler. Kaynak geometrisini optimize ederek, optimizasyon hedefi olarak lazer kaynak enerji tüketiminin ve malzeme tüketiminin en aza indirilmesiyle çok amaçlı optimizasyon stokastik problemi çözüldü.

Mevcut ilgili çalışmaların çoğunun, proses optimizasyonu için lazer kaplama sisteminin toplam enerji tüketimine dayandığı ve enerji verimliliği perspektifinden lazer kaplama proses parametrelerinin optimizasyonu hakkında çok az rapor bulunduğu belirtilmelidir. Bunu göz önünde bulundurarak, mekanik parçaların lazer kaplama işleminin enerji verimliliği modelinin oluşturulmasına dayanan bu makale, optimizasyon hedefleri olarak belirli enerji tüketimi ve işleme süresi ile lazer kaplama işlemi için çok amaçlı bir optimizasyon modeli oluşturur ve en iyi proses parametresi kombinasyonunu çözmek ve elde etmek için NSGA-Ⅱ algoritmasını kullanır ve oluşturulan modelin doğruluğunu, halka şeklindeki ince duvarlı parçalar üzerinde çok katmanlı ve çok geçişli lazer kaplama testleri yardımıyla doğrular.

1 Lazer kaplama işleminin enerji verimliliği modellemesi

1.1 Lazer kaplama işleminin enerji verimliliği endeks fonksiyonu
Lazer kaplama işleminin enerji verimliliği, mekanik parçaların lazer kaplama işlemi sırasında enerji ve kaynakların ne ölçüde etkili bir şekilde kullanıldığına işaret eder. Değerlendirme göstergeleri arasında özgül enerji tüketimi, enerji kullanım oranı, kaplama verimliliği, üretim hızı, malzeme kullanım oranı, işlem kalitesi ve kusur oranı vb. bulunur. Lazer kaplama işleminin özgül enerji tüketimi, kaplama işlemi sırasında şekillendirme birim hacmi tarafından üretilen enerji tüketimini ifade eder. Özgül enerji tüketimi ne kadar küçükse, lazer kaplama işleminin enerji verimliliği o kadar yüksek olur. Mevcut çalışmalar, özgül enerji tüketiminin işleme enerji verimliliğini doğru ve sezgisel bir şekilde karakterize edebileceğini göstermiştir. Bu nedenle, bu makale lazer kaplama işleminin enerji verimliliğini karakterize etmek için bir gösterge olarak özgül enerji tüketimini kullanır. Hesaplama formülü şudur: Şekildeki formül (1)'e bakın. Formülde, elc lazer kaplama işleminin özgül enerji tüketimidir, EA lazer kaplama işleminin toplam enerji tüketimidir ve Vlc lazer kaplama oluşturma hacmidir.

1.2 Lazer kaplamanın enerji tüketim özelliklerinin analizi
Lazer kaplama ekipmanının çalışma süreci, ekipman başlatma, bekleme, su soğutmalı ekipman çalışması, kaplama işlemi, ekipman soğutma, bekleme ve kapatma aşamalarına ayrılabilir. Her aşamadaki ekipman alt sistemleri koordineli bir şekilde çalışır ve güç değişimleri nispeten sabittir. Çok katmanlı ve çok geçişli lazer kaplama işlemini örnek olarak alırsak, güç izleme cihazı tarafından elde edilen lazer kaplama ekipmanının gerçek zamanlı güç eğrisi Şekil 1'de gösterilmiştir. Bunlar arasında, katmanlar arası dur ışığı, kaplama katmanının soğumasını bekleme aşamasını ifade eder.

Lazer kaplama ekipmanının enerji tüketim bileşimine ve ekipman alt sistemlerinin farklı aşamalardaki çalışmasına göre, lazer kaplama işleminin toplam enerji tüketimi EA esas olarak beş tür enerji tüketiminden oluşmaktadır: lazer sistemi enerji tüketimi El, su soğutma sistemi enerji tüketimi Eh, lazer kaplama özel takım tezgahı enerji tüketimi Em, toz besleyici ve koruyucu gaz sistemi enerji tüketimi Epg ve yardımcı sistem enerji tüketimi Ea, yani: Şekildeki formül (2)'ye bakınız.

1) Lazer sistemi enerji tüketimi
Lazer sisteminin gücü, lazer kaplama işlemi sırasında sürekli olarak değişir. Buna dayanarak, lazer sistemi enerji tüketimi El, kaplama işlemi enerji tüketimi Etc, ara katman fren lambası enerji tüketimi Ed ve bekleme enerji tüketimi Els olarak ayrılır, yani: Şekildeki formül (3)'e bakın.
Formülde, Pin lazer giriş gücü, tlc metal tozu eritme süresi, yani kaplama süresi, Pls lazer bekleme gücü, td ara katman fren lambası süresi ve tls lazer bekleme süresi, yani kaplama hazırlama süresidir. Bunlar arasında, kaplama süresi tlc toplam lazer kaplama uzunluğu Slc ve lazer tarama hızı ile oranı ile belirlenir. Farklı şekillerdeki mekanik parçaların kaplama yolları farklıdır ve toplam kaplama uzunluğunun karşılık gelen hesaplama yöntemleri de farklı olacaktır. Yaygın düz parçalar ve dönen parçalar örnek olarak alındığında, ikisinin lazer kaplama işleme süresi için hesaplama formülleri şunlardır: Şekildeki formül (4)'e bakın.
Düz parçalar için lazer kaplama işleme süresi hesaplama formülünde, m düz parçaların kaplama katmanlarının sayısı, n düz parçaların kaplama katmanlarının sayısı ve L kaplanacak düz parçaların uzunluğudur. Dönen parçalar için lazer kaplama işleme süresi hesaplama formülünde, mi dönen parçanın i. katmanındaki (i=1,2,3,…,n) lazer kaplama katmanlarının sayısı, D dönen parçanın çapı ve Hlc dönen parçanın kaplama katmanının tek bir katmanının yüksekliğidir. Dönen parçalar için lazer kaplama işleme süresi hesaplanırken, işleme süreci boyunca dönen parçanın çapındaki değişim dikkate alınmalıdır. Ayrıca, mekanik parçaların kaplama katmanlarının sayısı n, işlenecek parçanın yüzey yüksekliği Hw, kaplama katmanı yüksekliği Hlc ve Z ekseni kaldırma miktarı ΔZ ile ilişkilidir ve mekanik parçaların kaplama katmanlarının sayısı, toplam kaplama genişliği W ve tek bir kaplama katmanının genişliği Wlc ile ilişkilidir. Bu çalışmada kullanılan lazerin nokta çapı lsd sabit bir değer olduğundan, mekanik bir parçanın tek bir kaplama katmanının genişliği Wlc=lsd'dir. Mekanik bir parçanın kaplama katmanlarının sayısı n ve kaplama yolu sayısı m için hesaplama formülleri aşağıdaki gibidir: Şekildeki (5) ve (6) formüllerine bakınız.
Formül (6)'da μ, örtüşme oranıdır. Kaplama katmanlarının sayısı ve gerçek işlemedeki mekanik parçanın yollarının sayısı tam sayılar olduğundan, kaplama katmanlarının sayısı n ve formüller (5) ila (6)'ya göre hesaplanan mekanik parçanın yollarının sayısı yukarı yuvarlanmalıdır.

2) Su soğutma sisteminin enerji tüketimi
Lazerler gibi yüksek güçlü ekipmanlar enerji dönüşümüne (elektrik enerjisini ışık enerjisine dönüştürme gibi) uğradığında, sistemdeki enerjinin bir kısmı ısı kaybı gibi faktörler nedeniyle doğrudan ısı enerjisine dönüşecektir, bu da lazer kaplama işleminin kalitesini ciddi şekilde etkileyecek ve hatta ekipmana zarar verecektir. Bu nedenle, lazerler gibi ekipmanları soğutmak için bir soğutma sistemine ihtiyaç vardır. Bu çalışmada, su soğutma sisteminin enerji tüketimi Eh, su soğutma sisteminin çalışma durumuna göre iki kısma ayrılmıştır: su soğutma sisteminin çalışma enerji tüketimi Ehc ve bekleme enerji tüketimi Ehs, yani: şekildeki formül (7)'ye bakınız.
Formülde, Phc su soğutma sisteminin çalışma gücüdür, Phs su soğutma sisteminin bekleme gücüdür, thc ve ths sırasıyla su soğutma sisteminin çalışma süresi ve bekleme süresidir. İkisinin hesaplama formülleri şunlardır: Şekildeki formül (8) ve (9)'a bakın.
Formül (8)'de Plc lazer gücü, ρ soğutma suyu yoğunluğu, cp soğutma suyunun özgül ısı kapasitesi, vh soğutma suyu akış hızı ve ΔT soğutma suyu sıcaklık farkıdır.

3) Lazer kaplama tezgahının enerji tüketimi
Bu çalışmada kullanılan lazer kaplama ekipmanı takım tezgahı esas olarak bir dönen mekanizma ve bir çeviri mekanizmasından oluşmaktadır. Dönen mekanizma, lazer kaplamayı tamamlamak için iş parçasının dönüşünü kontrol etmek üzere bir servo motor tarafından tahrik edilir ve çeviri mekanizması, iş parçasını kaplamanın başlangıç ​​pozisyonuna taşımak üzere bir adım motoru tarafından tahrik edilir. Özel takım tezgahının enerji tüketimi Em aşağıdaki şekilde hesaplanır: Şekildeki formül (10)'a bakın.
Formülde, Pmr dönen mekanizmanın çalışma gücü, Pmt öteleme mekanizmasının çalışma gücü ve tmt öteleme mekanizmasının çalışma süresi, yani her bir kaplama katmanı tamamlandıktan sonra iş parçasının kaplamanın başlangıç ​​pozisyonuna dönme süresidir. Şu şekildedir: (11). Formülde, vmt öteleme mekanizmasının hareket hızıdır.

4) Toz besleyici ve koruyucu gaz sisteminin enerji tüketimi
Toz besleyici ve koruyucu gaz sistemi, mekanik parçaların lazer kaplama işlemi sırasında toz oksidasyonunu önlemek için gerekli olan metal tozunu ve koruyucu gazı sağlar. Bu çalışmada kullanılan lazer kaplama ekipmanının toz besleyicisi bir yerçekimi toz besleyicisidir ve çalışma gücü sabit bir değerdir. Koruyucu gaz sistemi, tozu erimiş havuza üflemekten ve erimiş havuzdaki tozun yüksek sıcaklıkta oksidasyona uğramasını önlemekten sorumludur. Bu nedenle, koruyucu gaz sistemi ve toz besleyici senkron olarak çalışır ve çalışma süreleri lazer kaplama süresi tlc'ye eşittir. Toz besleyicinin ve koruyucu sistemin enerji tüketimi Epg aşağıdaki gibi hesaplanır: (12).
Burada Ppg, toz besleyicinin ve koruyucu gaz sisteminin çalışma gücüdür.
5) Yardımcı sistem enerji tüketimi
Lazer kaplama yardımcı sistemi, lazer kontrol kabininin ısı dağılımı için aydınlatma, entegre kontrol ve klima içerir. Gücü Pa sabit bir değerdir ve çalışma süresi, mekanik parçaların tüm lazer kaplama işlemi tarafından tüketilen zamana eşittir (tlc +tls +td). Yardımcı sistem enerji tüketimi Ea aşağıdaki gibi hesaplanır: (13).
Özetle, mekanik parçaların lazer kaplama işlemi sırasında, kaplama ekipmanının her bir alt sisteminin çalışma durumu büyük ölçüde değişse de, farklı aşamalardaki sistem gücü değişimleri nispeten kararlıdır, güç atlama süresi kısadır ve enerji tüketimi daha azdır. Bu nedenle, bu çalışma lazer kaplama enerji tüketimi modelini oluştururken yalnızca çalışma ve bekleme aşamalarındaki her bir alt sistemin enerji tüketimini dikkate alır ve lazer kaplama işleminin karşılık gelen toplam enerji tüketimi EA şu şekilde ifade edilebilir: (14).
Lazer kaplama işleminin enerji verimliliğini karakterize etmek için özgül enerji tüketimi (elc) kullanılır ve hesaplama formülü şöyledir: (15).

2 Enerji verimliliğine dayalı lazer kaplama parametre optimizasyonu

2.1 Sorun açıklaması
Enerji verimliliğine dayalı mekanik parçaların lazer kaplama işleminin çok amaçlı optimizasyon problemi şu şekilde tanımlanabilir: Mekanik parçaların çok katmanlı ve çok geçişli lazer kaplama işlemi, işleme boyutu gereksinimlerini karşılama öncülü altında en düşük özgül enerji tüketimini ve en kısa işleme süresini gerektirir. Bu çalışmada, mekanik parçaların lazer kaplama işleminin özgül enerji tüketimi ve işleme süresi üzerinde daha büyük etkiye sahip olan lazer gücü Plc, tarama hızı vs ve toz besleme miktarı Sp gibi üç işlem parametresi optimizasyon değişkenleri olarak kullanılır ve özgül enerji tüketimini en aza indirme ve en kısa işleme süresini sağlama amacıyla çok amaçlı optimizasyon gerçekleştirilir. Oluşturulan optimizasyon modeli Şekil 2'de gösterilmiştir.

2.2 Amaç fonksiyonu ve kısıtlamalar
1) Amaç fonksiyonu Mekanik parçaların lazer kaplama işleminde özgül enerji tüketimi elc ve işlem süresi tA optimizasyon hedefleri olarak alınır ve ikincisi şu şekilde ifade edilebilir: (16).
2) Kısıtlamalar
Mekanik parçaların lazer kaplama işleme sürecinin sorunsuz bir şekilde uygulanabilmesi için lazer giriş gücü, lazer tarama hızı, toz besleme miktarı ve işleme payı gibi birden fazla kısıtın karşılanması gerekmektedir.
① Lazer güç kısıtlaması Lazer gücündeki değişiklik, mekanik parçaların yüzey ısı akısı yoğunluğunu etkileyecektir. Lazer gücü çok küçük olduğunda, kaplama tozu tamamen eritilemez ve aşırı güç, mekanik parçaların yüksek sıcaklıkta deformasyonuna neden olur. Bu nedenle, kullanılan ekipman parametrelerine ve gerçek işleme gereksinimlerine göre, seçilen lazer gücü Plc, minimum lazer gücü Plc-min'den düşük veya maksimum lazer gücü Plc-max'tan yüksek olamaz, yani: (17).
② Lazer tarama hızı kısıtlaması Lazer tarama hızı, mekanik parçaların kaplama tabakasının şekillendirme kalitesini doğrudan etkiler. Çok yavaş lazer tarama hızı, mekanik parçaların kaplama tabakasının seyreltme oranının çok yüksek olmasına neden olur ve böylece kaplama tabakasının sertliğini azaltır. Ancak, lazer tarama hızı çok hızlıysa, mekanik parçaların kaplama tabakası, alt tabaka ile metalurjik bir bağ oluşturamaz ve bu da parçaların bağlanma mukavemeti üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olur. Bu nedenle, seçilen lazer tarama hızı vs, minimum lazer tarama hızı vs-min'den düşük olamaz veya maksimum lazer tarama hızı vs-max'ı aşamaz, yani: (18).
③ Toz besleme miktarı kısıtlaması Gerçek işleme sürecinde, toz besleme miktarının boyutu, mekanik parçaların lazer kaplama işleminin kalitesini ve performansını doğrudan etkiler. Çok küçük bir toz besleme miktarı, mekanik parçaların kaplama tabakasında kolayca gözeneklere ve kapanımlara yol açabilirken, çok büyük bir toz besleme miktarı tozun tamamen erimesini zorlaştırarak mekanik parçaların lazer kaplama işleminin kalitesini düşürür. Bu nedenle, mekanik parçaların lazer kaplama işleminde toz besleme miktarı Sp, minimum sınır değeri Sp-min'den düşük veya maksimum sınır değeri Sp-max'tan yüksek olamaz, yani: (19).
④ İşleme payı kısıtlaması Lazer kaplama işleminden sonra mekanik parçaların yüzeyi dalgalı ve pürüzlüdür ve doğrudan kullanılamaz. Bu nedenle, lazer kaplama işlemi sırasında, sonraki işlemeyi kolaylaştırmak için mekanik parçalar için belirli bir işleme payı h ayrılmalıdır. Mekanik parçaların lazer kaplamasının işleme payı, gerçek işleme gereksinimlerini karşılamalıdır. Mekanik parçaların lazer kaplamasının işleme payının çok küçük olmasını ve daha sonra işlenememesini önlemek için, kaplamanın işleme payı, parçaların minimum işleme boyutu hmin'den düşük olmamalıdır. Aynı zamanda, maliyetleri düşürmek ve sonraki işleme adımlarını azaltmak için, mekanik parçaların lazer kaplamasının işleme payı, maksimum işleme boyutu hmax'ı aşmamalıdır, yani: (20).
Yukarıdaki dört kısıtlama altında mekanik parçaların lazer kaplama işleminin çok amaçlı optimizasyon modeli aşağıdaki gibi oluşturulmuştur: (21).

2.3 Optimizasyon modeli çözümü

Bu çalışmada oluşturulan mekanik parçaların lazer kaplama işleminin çok amaçlı optimizasyon modeli, NSGA-Ⅱ algoritmasının yardımıyla optimize edilmiştir. Çözüm süreci (bkz. Şekil 3) şu şekildedir: ① Popülasyonu başlat. Lazer gücü, tarama hızı ve toz besleme miktarı işlem parametresi kombinasyonlarına karşılık gelen bir grup bireyi rastgele oluştur. ② Uygunluğu değerlendir. Özgül enerji tüketim modeli ve ilgili deneylere dayanarak, rastgele oluşturulan bireylere karşılık gelen özgül enerji tüketimini ve işlem süresini hesapla ve ikisinin hesaplanan değerlerini sırasıyla bireylerin iki amaç fonksiyonuna ata. ③ Baskın olmayan sıralama. Tüm bireyler baskın değildir ve birden fazla farklı cepheye sıralanır. Cephe 1 optimum çözümü, cephe 2 alt optimum çözümü içerir, vb. ④ Kalabalık hesaplaması. Her cephedeki bireylerin kalabalık mesafesini hesapla. ⑤ Sonraki nesli seç. Sonraki neslin bireylerini belirlemek için seçim operatörünü kullan. ⑥ Çaprazlama mutasyonu. Yeni bireyler üretmek için bir sonraki neslin bireylerinde çapraz mutasyon gerçekleştirin. Bu adımda, işlem parametre değerleri olasılıksal olarak değiştirilir ve aday çözümler üretilir. ⑦ Popülasyonu güncelleyin. Yeni üretilen popülasyon, yeni bir popülasyon oluşturmak için orijinal popülasyonla birleştirilir. ⑧ Yineleme. Maksimum yineleme sayısına ulaşılana kadar ②~⑦ adımlarını tekrarlayın.

3 Vaka analizi

3.1 Deneysel koşullar
BS-ODE6000 yarı iletken lazer yüzey işleme ekipmanı (bkz. Şekil (4)), halka şeklindeki ince duvarlı parçalarda lazer kaplama işlemi gerçekleştirmek için kullanılır ve lazer kaplama ekipmanının gerçek zamanlı gücü, güç izleme ekipmanının yardımıyla toplanır. Numunenin malzemesi, 32 mm dış çapa, 165 mm yüksekliğe ve 3 mm genişliğe sahip ZG20MnMo döküm çeliktir. Kullanılan kaplama tozu demir bazlı bir alaşımdır ve soğutma suyu deiyonize su veya saf sudur. Gerçek işleme durumuna ve ekipman performansına göre, mekanik parçalar için lazer kaplama işleme ekipmanının sabit parametreleri Tablo 1'de gösterildiği gibi belirlenir.

3.2 İlgili parametre edinim testi

3.2.1 Lazer sistemi gücü
Testte kullanılan lazer kaplama ekipmanı lazeri yarı iletken bir lazerdir. Güç izleme ekipmanının yardımıyla farklı lazer giriş güçleri ve bunlara karşılık gelen lazer güçleri ölçülür. Sonuçlar Tablo 2'de gösterilmiştir.
Tablo 2'deki veriler eşleştirilir ve lazer giriş gücü ile lazer gücü arasındaki işlevsel ilişki elde edilebilir: (22).

3.2.2 Özel takım tezgahı gücü
Lazer kaplama ekipmanı için özel takım tezgahı, dönen bir mekanizma ve üç boyutlu bir çeviri mekanizması içerir. Dönen mekanizma bir servo motor tarafından tahrik edilir ve gücü tork ve mil hızı tarafından belirlenir. Bu deneydeki takım tezgahı milinin hızı, küçük bir değişim aralığına sahip olan lazer tarama hızıdır, bu nedenle servo motor çalışma gücü çok değişmez. Servo motor çalışma gücü, güç algılama ekipmanı kullanılarak birkaç kez ölçülür ve ortalama değer hesaplanır ve dönüş mekanizması çalışma gücü Pr 157 W'tır. Üç boyutlu çeviri mekanizması bir adım motoru tarafından tahrik edilir ve çalışma gücü esas olarak mil hareket hızı tarafından belirlenir. Bu deneyde, özel takım tezgahının yatay hareket hızı vtm 10 mm/s'dir ve üç boyutlu çeviri mekanizması çalışma gücü Pt, güç izleme ekipmanı tarafından 80 W olarak ölçülmüştür.

3.2.3 Kaplama katman yüksekliği ve ara katman durdurucu kirişi
Farklı lazer gücü, tarama hızı ve toz besleme koşulları altında, numune tek katmanlı tek geçişli lazer kaplama işleme testine tabi tutuldu. Daha sonra, numune kaplama tabakasının normal yönü boyunca kesilerek kaplama tabakası yüksekliği Hlc ölçüldü. Şekil 5, numune kesiminin kesit fotoğrafını göstermektedir. Numune kaplama tabakası yüksekliğinin farklı parametre koşulları altında ölçüm sonuçları Tablo 3'te gösterilmiştir.
Tablo 3'teki lazer kaplama işlemi parametrelerinin, ilgili numunenin tek katmanlı kaplama katman yüksekliği verileriyle uyumlu hale getirilmesi için en küçük kareler yöntemi kullanıldı ve numune kaplama katman yüksekliği için hesaplama formülü aşağıdaki gibi elde edildi: (23).
Bu araştırma grubunun ön araştırma sonuçları, örnek kaplama katmanlarının sayısı n arttıkça, kaplama alanının soğumasını sağlamak için her kaplama katmanı tamamlandıktan sonra belirli bir süre beklenmesi gerektiğini ve böylece kaplama katmanının sertliğinde bir azalmanın önlenmesi gerektiğini göstermektedir. Bunlar arasında, lazer ışınının geçici olarak durduğu bekleme süresi, katmanlar arası durdurma ışını süresidir. Bu deneyde kullanılan malzemeler ve gerçek işleme gereksinimleri ile birleştirildiğinde, optimum katmanlar arası durdurma ışını süresi şu şekilde belirlenmiştir: (24).

3.3 Enerji verimliliği modeli doğrulaması
Halka ince cidarlı numuneler üzerinde çok katmanlı ve çok geçişli lazer kaplama testleri ile elde edilen işleme enerji verimliliği test değerleri ve bu makalede kurulan lazer kaplama işleme enerji verimliliği modeli kullanılarak elde edilen ilgili teorik değerler Tablo 4'te gösterilmiştir. Tablo 4'ten görülebileceği gibi, birden fazla numune grubunun lazer kaplama işleme enerji verimliliğinin teorik değerleri temelde ilgili deneysel değerlerle tutarlıdır ve ortalama hata küçüktür, yaklaşık %3'tür. Bu sonuç, bu makalede kurulan enerji verimliliği modelinin doğruluğunu kanıtlamaktadır.

3.4 Optimum parametre çözümü ve doğrulama
NSGA-Ⅱ algoritması, mekanik parçaların lazer kaplama işleminin çok amaçlı optimizasyon modelini çözmek için kullanılır. Pareto sınır katsayısı 0.3 olarak ayarlanır, nüfus boyutu 100'dür ve yineleme sayısı 200'dür. 27 nokta içeren Pareto sınır çözüm kümesi Şekil 6'da gösterilmiştir.
Farklı optimizasyon hedefleri altında optimum proses parametre kombinasyonları ve karşılık gelen optimizasyon sonuçları Tablo 5'te listelenmiştir. Tablo 5'te listelenen verilerin analizi, minimum özgül enerji tüketiminin ana optimizasyon hedefi olduğunda, daha küçük lazer gücü ve daha yavaş tarama hızının işleme enerji tüketimini azalttığını ve daha büyük toz besleme miktarının lazer kaplama oluşturma hacminde bir artışa yol açtığını, bu da lazer kaplamanın özgül enerji tüketimini azalttığını, ancak yavaş tarama hızının ayrıca lazer kaplama işleme süresinin uzamasına neden olduğunu göstermektedir. En kısa işleme süresi ana optimizasyon hedefi olduğunda, daha büyük lazer gücü ve daha hızlı tarama hızı işleme enerji tüketimini artırır ve işleme süresini kısaltır, ancak lazer kaplama oluşturma hacmindeki küçük değişiklik lazer kaplama özgül enerji tüketiminin nispeten artmasına neden olur. Özgül enerji tüketimi düşük ve işleme süresi kısa olduğunda, yalnızca minimum özgül enerji tüketimi dikkate alındığında özgül enerji tüketimi %7.8 artarken, yalnızca en kısa süre dikkate alındığında %11 azalmaktadır. İşleme süresi sırasıyla %25 azalmakta ve %12 artmaktadır. Dolayısıyla, en düşük özgül enerji tüketimine ve en kısa süreye sahip proses parametreleri hedef olarak seçilerek, bu iki hedef dengelenebilirken, lazer kaplama işleminin enerji verimliliği en üst düzeye çıkarılırken, işleme verimliliği de güvence altına alınabilir.

Optimizasyon sonuçlarının doğruluğunu doğrulamak amacıyla, Tablo 5'te gösterilen optimum işlem parametre kombinasyonu ve lazer kaplama işleminin ampirik değerleri test parametreleri olarak seçilmiş ve lazer kaplama karşılaştırma testi, işleme genişliği 20 mm ve yüksekliği 3 mm hedef olarak belirlenen numuneler üzerinde gerçekleştirilmiştir. Karşılaştırma sonuçları Tablo 6'da gösterilmiştir. Tablo 6'dan görülebileceği gibi, optimize edilmiş parametreler kullanılarak yapılan lazer kaplama işleminin özgül enerji tüketimi ve işlem süresi, ampirik değerleri parametre olarak alan karşılık gelen değerlerle karşılaştırıldığında sırasıyla %5.1 ve %9.5 oranında azaltılmıştır. Yukarıdaki analize dayanarak, bu makalede oluşturulan mekanik parçaların lazer kaplama işlemi için çok amaçlı optimizasyon modeli yüksek doğruluk ve etkinliğe sahiptir. Aynı zamanda, optimize edilmiş parametreler lazer kaplama işlemi için kullanıldığında kaplama tabakasının kalitesinin etkilenmemesini sağlamak amacıyla, iki grup test parametresi altında numune kaplama tabakasının kalitesi test edilmiş ve karşılaştırılmıştır. Sertlik, reaksiyon kaplama tabakasının kalitesinin ana göstergelerinden biri olarak alınır ve boyutu doğrudan numune yüzeyinin aşınma direncinin gücünü yansıtır. Numune kaplama tabakasının sertlik testi gerçekleştirilir ve numune kaplama tabakasının farklı derinliklerine (yani sertlik test noktasından kaplama tabakasının tepesine kadar olan mesafeye) karşılık gelen sertlik değişimi Şekil 7'de gösterildiği gibi elde edilir. Şekil 7'de görüldüğü gibi, optimize edilmiş işlem parametresi kombinasyonunu kullanan numunenin kaplama tabakasının sertlik değeri %2.4 içinde hafifçe dalgalanmaktadır; bu da bu makalede oluşturulan optimizasyon modelinin kullanımının, lazer kaplama işleminin enerji verimliliğini ve işleme verimliliğini artırırken kaplama tabakasının kalitesini düşürmeyeceğini göstermektedir.

4 Sonuç

1) Enerji verimliliğini karakterize etmek için özgül enerji tüketimini kullanın lazer kaplama Mekanik parçaların işlenmesi. Mekanik parçaların lazer kaplama işleminin enerji tüketim özelliklerine dayanarak, bir kaplama işleme enerji verimliliği modeli oluşturulmuştur. İlgili parametreler elde edilmiş ve enerji verimliliği modeli örnek lazer kaplama testleri kullanılarak doğrulanmıştır. Sonuçlar, ortalama hatanın %3 olduğunu göstermektedir; bu da oluşturulan enerji verimliliği modelinin doğru ve güvenilir olduğunu kanıtlamaktadır.

2) Enerji verimliliği modeline dayanarak, mekanik parçaların lazer kaplama işlemi için çok amaçlı bir optimizasyon modeli oluşturulmuş ve çözüm sonuçları karşılaştırılıp analiz edilmiş ve aynı anda en yüksek enerji verimliliğini ve en kısa işleme süresini karşılayabilen optimum işlem parametresi kombinasyonu elde edilmiştir: Plc=3062W, vs=11.2mm/s, Sp=49.8g/dk.

3) Lazer kaplama işleminin deneysel parametreleriyle karşılaştırıldığında, optimize edilmiş işlem parametresi kombinasyonunun kullanılması, numune lazer kaplama işleminin özgül enerji tüketimini %5.1 ve işlem süresini %9.5 oranında azaltabilirken, kaplama tabakasının kalitesini de garanti altına alabilir.