占空比和脉冲频率对脉冲波激光定向能量沉积制备的SS316L薄壁件的影响：基于ANN和RSM方法的分析

《Welding in the World》：Effects of duty cycle and pulse frequency on SS316L thin walls fabricated by pulsed-wave laser directed energy deposition: ANN and RSM method analyses

　　

摘要

本研究采用人工神经网络（ANN）和响应曲面法（RSM）对脉冲波激光直接能量沉积（PW-LDED）工艺参数对316L不锈钢薄壁几何特征和显微硬度的影响进行建模与分析。所研究的参数包括占空比（DC）和脉冲频率（PF），各设置三个水平（DC：55%、75%、95%；PF：50、525、1000 Hz），分析了它们对熔深（D）、焊缝宽度（W）、最大宽度（W_max）、高度（H）和显微硬度（HV）的影响。研究结果表明，同时提高这两个参数会使几何特征（D、W、W_max和H）增大，显微硬度降低。增材制造薄壁的平均显微硬度范围为180至235 HV。光学显微镜（OM）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）显示，主要凝固形貌由胞状、柱状和等轴树枝状结构组成。通过统计指标（包括平均绝对百分比误差（MAPE）、均方根误差（RMSE）和决定系数（R²及R²_adj））对ANN和RSM模型进行比较，结果显示ANN代理模型在所有响应中均表现出稳定的强拟合能力，支持其用于后续优化。此外，采用非支配排序遗传算法II（NSGA-II）对PW-LDED工艺参数进行优化。最终，NSGA-II结合TOPSIS确定的最佳PW-LDED参数为占空比92.68%、脉冲频率898.70 Hz，预测响应值为D = 630.4 μm、W = 1036.5 μm、W_max = 2026.4 μm、H = 2251.1 μm、HV = 192.9 HV。

图形摘要

本研究采用人工神经网络（ANN）和响应曲面法（RSM）对脉冲波激光直接能量沉积（PW-LDED）工艺参数对316L不锈钢薄壁几何特征和显微硬度的影响进行建模与分析。所研究的参数包括占空比（DC）和脉冲频率（PF），各设置三个水平（DC：55%、75%、95%；PF：50、525、1000 Hz），分析了它们对熔深（D）、焊缝宽度（W）、最大宽度（W_max）、高度（H）和显微硬度（HV）的影响。研究结果表明，同时提高这两个参数会使几何特征（D、W、W_max和H）增大，显微硬度降低。增材制造薄壁的平均显微硬度范围为180至235 HV。光学显微镜（OM）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）显示，主要凝固形貌由胞状、柱状和等轴树枝状结构组成。通过统计指标（包括平均绝对百分比误差（MAPE）、均方根误差（RMSE）和决定系数（R²及R²_adj））对ANN和RSM模型进行比较，结果显示ANN代理模型在所有响应中均表现出稳定的强拟合能力，支持其用于后续优化。此外，采用非支配排序遗传算法II（NSGA-II）对PW-LDED工艺参数进行优化。最终，NSGA-II结合TOPSIS确定的最佳PW-LDED参数为占空比92.68%、脉冲频率898.70 Hz，预测响应值为D = 630.4 μm、W = 1036.5 μm、W_max = 2026.4 μm、H = 2251.1 μm、HV = 192.9 HV。

图形摘要