chebЧебышевский сборникChebyshevskii Sbornik2226-8383Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University10.22405/2226-8383-2025-26-4-510-520cheb-2105Research ArticleИстория математики и приложенийСomputer scienceМоделирование теплового воздействия при лазерной микрообработке проката углеродистых сталейModeling of thermal effects during laser microtreatment of rolled carbon steelsМинаевИгорь ВасильевичMinaevIgor Vasilyevich

кандидат технических наук, генеральный директор

candidate of technical sciences, general director

ivminaev1960@yandex.ruЧукановАлександр НиколаевичChukanovAlexander Nikolaevich

доктор технических наук

doctor of technical sciences

alexchukanov@yandex.ruЖурбаДанила ВладимировичZhurbaDanila Vladimirovich

аспирант

postgraduate student

zhurba.danila306@yandex.ruГолышевИван ВладимировичGolyshevIvan Vladimirovich

ведущий инженер

senior engineer

Ivan.golyshev@gmail.comКутеповСергей НиколаевичKutepovSergey Nikolaevich

кандидат педагогических наук

candidate of pedagogical sciences

kutepovsn@yandex.ruКлементьевДенис СергеевичClementyevDenis Sergeevichdenis.klementev.93@mail.ruЦойЕвгений ВладимировичTsoiEvgeny Vladimirovichtsoyev@tsput.ruООО «Научно-производственное предприятие “ТЕЛАР”»РоссияLLC Scientific and Production Enterprise “TELAR”Russian FederationТульский государственный педагогический университет им. Л. Н. ТолстогоРоссияTula State Lev Tolstoy Pedagogical UniversityRussian FederationНациональный исследовательский университет ИТМОРоссияITMO National Research University, ITMO UniversityRussian Federation202529122025264510520Copyright © Минаев И.В., Чуканов А.Н., Журба Д.В., Голышев И.В., Кутепов С.Н., Клементьев Д.С., Цой Е.В., 20252025Минаев И.В., Чуканов А.Н., Журба Д.В., Голышев И.В., Кутепов С.Н., Клементьев Д.С., Цой Е.В.Minaev I.V., Chukanov A.N., Zhurba D.V., Golyshev I.V., Kutepov S.N., Clementyev D.S., Tsoi E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.chebsbornik.ru/jour/article/view/2105

В статье описана методика моделирования в программной среде COMSOL (ПК COMSOL Multiphysics) температурных параметров лазерного воздействия, позволяющего без разрушения поверхностного слоя стального изделия очистить его поверхность от окалины, оптимизировать микроструктуру и повысить физико-механические свойства рабочих поверхностей проката из углеродистой стали.На основании теоретических представлений о тепловых процессах, определяющих энергетическое и температурное воздействие лазерного излучения, в результате моделирования были разработаны уравнения температуры локального нагрева обрабатываемой поверхности и площади покрытия излучением в единицу времени. С их использованием в численном эксперименте были определены характеристики термических циклов нагрева охлаждения при лазерном сканировании в ходе очистки поверхности образцов проката из стали марки 20 от окалины, состоящей из магнетита (Fe3O4). Получены значения температур нагрева окалины и стали в процессе очистки, а также определено их распределение на различнойглубине окалины и стали при многократном сканировании пучком непрерывного лазера. Выявлена незначительная аккумуляция тепловой энергии от ближайших по временитермоциклов (проходов лазерного сканирования). За время всех термоциклов зафиксировано увеличение стационарной температуры поверхности образцов всего на 100 градусов,что не влияет на структурную стабильность стальной поверхности.Результаты исследований послужили основой для оформления патента РФ на способ лазерной микрообработки сталей (RU 2 836 694 C1).

The article describes a method for modeling the temperature parameters of laser exposure in the COMSOL software environment (COMSOL Multiphysics PC), which makes it possibleto clean its surface from scale without destroying the surface layer of a steel product, optimize the microstructure and improve the physics-mechanical properties of the working surfaces ofrolled carbon steel.Based on theoretical concepts of thermal processes that determine the energy and temperature effects of laser radiation, the simulation resulted in the development of equations for the temperature of local heating of the treated surface and the area of radiation coverage per unit time. Using them in a numerical experiment, the characteristics of thermal heating-coolingcycles during laser scanning were determined during surface cleaning of rolled steel samples of grade 20 from scale consisting of magnetite (Fe3O4). The values of the heating temperaturesof scale and steel during the cleaning process were obtained, and their distribution at different depths of scale and steel was determined during repeated scanning with a continuous laserbeam. A slight accumulation of thermal energy from the nearest thermal cycles (laser scanning passes) was revealed. During all thermal cycles, an increase in the stationary surface temperatureof the samples by only 100 degrees was recorded, which does not affect the structural stability of the steel surface.The research results served as the basis for the registration of a patent of the Russian Federation for a method of laser micromachining of steels (RU 2 836 694 C1).

углеродистая стальмагнетитлазерная микрообработкамоделированиеочисткатемпература локального нагреватермоциклы.carbon steelmagnetitelaser microtreatmentmodelingpurificationlocal heating temperaturethermal cycles.Работа выполнена при финансовой поддержке гранта правительства Тульской обрасти в сфере науки и техники ДС/161 от 28.12.2024 г.ReferencesВейко В. П., Либенсон М. Н., Червяков Г. Г., Яковлев Е. Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом, силовая оптика. — М.: Физматлит, 2008. — 312 с.Veiko, V.P., Libenson, M.N., Chervyakov, G.G., and Yakovlev, E.B. 2008, Interaction of Laser Radiation with Matter, Power Optics, Moscow: Fizmatlit, 312 p.Минаев И. В., Клементьев Д. С., Кутепов С. Н., Агеева Е. В., Журба Д. В. Формирование упрочнённого поверхностного слоя при комплексном лазерном воздействии на кромку реза деталей из конструкционных углеродистых сталей и механических свойств поверхностного слоя деталей из стали марки 30ХГСА // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. — 2023. — Т. 13, № 2. — С. 55–69.Minaev, I.V., Klementyev, D.S., Kutepov, S.N., Ageeva, E.V., and Zhurba, D.V. 2023, “Formation of a hardened surface layer under complex laser action on the cutting edge of parts made of structural carbon steels and the mechanical properties of the surface layer of parts made of 30HGSA steel”, Proceedings of the Southwestern State University. Series: Machinery and Technology, 13(2), pp. 55–69.Вейко В. П. Лазерное микроформообразование (физические основы, применения, проблемы и перспективы) // Известия Академии наук. Серия физическая. — 2001. — Т. 65, № 6. — С. 864–870.Veiko, V.P. 2001, “Laser microforming (physical foundations, applications, problems and prospects)”, Proceedings of the Academy of Sciences. Physical Series, 65(6), pp. 864–870.Войтович О. Н., Сокоров И. О. Исследование влияния параметров лазерной термообработки на свойства упрочненных поверхностных слоев // Вестник Белорусско-Российского университета. — 2013. — № 2 (39). — С. 6–14.Voitovich, O.N., and Sokolov, I.O. 2013, “Investigation of the influence of laser heat treatment parameters on the properties of hardened surface layers”, Bulletin of the Belarusian-Russian University, 2(39), pp. 6–14.Шнейдер Ю. Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. — СПб.: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. — 264 с.Schneider, Yu.G. 2001, Operational Properties of Parts with Regular Microrelief, St. Petersburg: St. Petersburg GITMO (TU), 264 p.Вейко В. П., Смирнов В. Н., Чирков А. М., Шахно Е. А. Лазерная очистка в машиностроении и приборостроении. — СПб.: НИУ ИТМО, 2013. — 103 с.Veiko, V.P., Smirnov, V.N., Chirkov, A.M., and Shakhno, E.A. 2013, Laser Cleaning in Mechanical Engineering and Instrument Engineering, St. Petersburg: NRU ITMO, 103 p.Вейко В. П., Мутин Т. Ю., Смирнов В. Н., Шахно Е. А., Батище С. А. Лазерная очистка поверхностей металлов: физические процессы и применение // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. — 2008. — Т. 51, № 4. — С. 30–36.Veiko, V.P., Mutin, T.Y., Smirnov, V.N., Shakhno, E.A., and Batishche, S.A. 2008, “Laser cleaning of metal surfaces: physical processes and applications”, News of Higher Educational Institutions. Instrument Engineering, 51(4), pp. 30–36.Вейко В. П., Кишалов А. А., Мутин Т. Ю., Смирнов В. Н. Перспективы индустриальных применений лазерной очистки материалов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2012. — № 3 (79). — С. 50–54.Veiko, V.P., Kishalov, A.A., Mutin, T.Y., and Smirnov, V.N. 2012, “Prospects of industrial applications of laser cleaning of materials”, Scientific and Technical Bulletin of Information Technologies, Mechanics and Optics, 3(79), pp. 50–54.Суслов А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. — М.: Машиностроение, 2000. — 320 с.Suslov, A.G. 2000, The Quality of the Surface Layer of Machine Parts, Moscow: Mashinostroenie, 320 p.Вейко В. П., Дышловенко С. С. Лазерное микроструктурирование поверхностей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2001. — Т. 1, № 4. — С. 119–128.Veiko, V.P., and Dyshlovenko, S.S. 2001, “Laser microstructuring of surfaces”, Scientific and Technical Bulletin of Information Technologies, Mechanics and Optics, 1(4), pp. 119–128.Ведерникова И. И., Полетаев В. А. Упрочнение рабочих поверхностей деталей машин лазерным модифицированием // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. — 2008. — Вып. 3. — С. 1–3.Vedernikova, I.I., and Poletaev, V.A. 2008, “Hardening of working surfaces of machine parts by laser modification”, Bulletin of the Ivanovo State Power Engineering University, 3, pp. 1–3.Верещагин М. Н., Целуева С. Н., Целуев М. Ю. Модифицирование поверхностных слоев металлических деталей импульсной лазерной обработкой // Литье и металлургия. — 2020. — № 1. — С. 99–109.Vereshchagin, M.N., Tseluyeva, S.N., and Tseluyev, M.Y. 2020, “Modification of surface layers of metal parts by pulsed laser treatment”, Casting and Metallurgy, 1, pp. 99–109.Минаев И. В., Кутепов С. Н., Клементьев Д. С., Агеев Е. В. Влияние режимов лазерной обработки на изменение структуры и механических свойств поверхностного слоя деталей из стали марки 30ХГСА // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. — 2023. — Т. 13, № 1. — С. 73–86.Minaev, I.V., Kutepov, S.N., Klementyev, D.S., and Ageev, E.V. 2023, “Influence of laser processing modes on changes in the structure and mechanical properties of the surface layer of parts made of 30KHGSA steel”, Proceedings of the Southwestern State University. Series: Engineering and Technology, 13(1), pp. 73–86.Среда COMSOL (ПК COMSOL Multiphysics) [Электронный ресурс]. — URL: https://www.comsol.com (дата обращения: 01.01.2024).COMSOL, 2024, COMSOL Environment (COMSOL Multiphysics PC) [Online], Available at: https://www.comsol.comВейко В. П., Либенсон М. Н., Червяков Г. Г., Яковлев Е. Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Силовая оптика / под ред. В. И. Конова. — М.: Физматлит, 2008. — 312 с. — ISBN 978-5-9221-0934-5.Veiko, V.P., Libenson, M.N., Chervyakov, G.G., and Yakovlev, E.B. 2008, Interaction of Laser Radiation with Matter. Power Optics, edited by Konov, V.I., Moscow: Fizmatlit, 312 p., ISBN 978-5-9221-0934-5.Амирханов И. В., Саркер Н. Р., Сархадов И. Численное моделирование лазерной абляции материалов // Discrete and Continuous Models and Applied Computational Science. — 2020. — Т. 28, № 4. — С. 398–405. — ISSN 2658-4670.Amirkhanov, I.V., Sarker, N.R., and Sarkhadov, I. 2020, “Numerical modeling of laser ablation of materials”, Discrete and Continuous Models and Applied Computational Science, 28(4), pp. 398–405, ISSN 2658-4670.Минаев И. В., Журба Д. В., Голышев И. В., Клементьев Д. С., Сергеев А. Н., Малий Д. В. Способ лазерного микроструктурирования поверхностного слоя углеродистых сталей: пат. 2836694 Рос. Федерация. — № 2024112231; заявл. 06.05.2024; опубл. 19.03.2025, Бюл. № 8.Minaev, I.V., Zhurba, D.V., Golyshev, I.V., Klementyev, D.S., Sergeev, A.N., and Maliy, D.V. 2025, “Method of laser microstructuring of the surface layer of carbon steels”, Patent of the Russian Federation, 2836694.

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