chebЧебышевский сборникChebyshevskii Sbornik2226-8383Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University10.22405/2226-8383-2025-26-4-521-534cheb-2106Research ArticleИстория математики и приложенийСomputer scienceМоделирование энергетического воздействия при лазерном микроструктурировании изделий из углеродистых сталейModeling of energy effects during laser microstructuring of carbon steel productsМинаевИгорь 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 FederationТульский государственный педагогический университет им. Л. Н. ТолстогоРоссияTula State Lev Tolstoy Pedagogical UniversityRussian Federation202529122025264521534Copyright © 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/2106

В статье описана методика моделирования в программной среде COMSOL (ПК COMSOL Multiphysics ) энергетических параметров лазерного воздействия, позволяющегобез разрушения поверхностного слоя оптимизировать микроструктуру и повысить физико-механические свойства рабочих поверхностей деталей из углеродистых сталей.На основании теоретических представлений о механизмах основных процессов, определяющих энергетические характеристики воздействие лазерного излучения, были получены уравнения средней плотности энергии (энергетической дозы) лазерного излучения, температуры локального нагрева в центре пятна сканирования обрабатываемой поверхности, а также площади покрытия излучением в единицу времени и скорости её покрытия из-лучением, достаточной для изменения микроструктуры углеродистой стали без разрушения поверхностного слоя. На основании их экспериментальной апробации были разработаны режимы лазерного воздействия (микроструктурирования), обеспечившие возможностьуправления диффузией углерода из внутренних слоев детали к её рабочим поверхностям. Реализация разработанных режимов позволила сформировать структуру поверхностного слоя с повышенным содержанием углерода и высокой твердостью без оплавления за счётдиффузии углерода из внутренних слоев к рабочим поверхностям изделий. Результаты исследований послужили основой для оформления патента РФ на способ лазерной микрообработки сталей (RU 2 840 325 C1).

The article describes a technique for modeling the energy parameters of laser exposure in the COMSOL software environment (COMSOL Multiphysics PC), which makes it possibleto optimize the microstructure and improve the physics-mechanical properties of the working surfaces of carbon steel parts without destroying the surface layer.Based on theoretical concepts of the mechanisms of the main processes that determine the energy characteristics of laser radiation exposure, equations of the average energy density(energy dose) of laser radiation, the temperature of local heating in the center of the scanning spot of the treated surface, as well as the area of radiation coverage per unit time and the rateof radiation coverage sufficient to change the microstructure of carbon steel without destruction of the surface layer.Based on their experimental testing, laser exposure modes (microstructuring) were developed, which made it possible to control the diffusion of carbon from the inner layers of the partto its working surfaces. The implementation of the developed modes made it possible to form the structure of the surface layer with a high carbon content and high hardness without meltingdue to the diffusion of carbon from the inner layers to the working surfaces of the products.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 2 840 325 C1).

углеродистые сталилазерное микроструктурированиеплотность энергииплощадь лазерного покрытиятвёрдостьостаточные напряжения.carbon steelslaser microstructuringenergy densitylaser coating areahardnessresidual stresses.Работа выполнена при финансовой поддержке гранта правительства Тульской обрасти в сфере науки и техники ДС/161 от 28.12.2024 г.ReferencesУсов С. В. Промышленное применение физико-технических методов в производстве. — М.: Перо, 2021. — 283 с.Usov, S.V. 2021, Industrial Application of Physics-Technical Methods in Production, Moscow: Pero, 283 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 30KHGSA steel”, Proceedings of the Southwestern State University. Series: Engineering and Technology, 13(2), pp. 55–69.Гаврилов Д. И., Жданов А. В., Беляев И. В. Влияние лазерной модификации поверхности на физико-механические и трибологические свойства штамповой стали // Ползуновский вестник. — 2022. — № 4, т. 2. — С. 14–18. — DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2022.4.2.002.Gavrilov, D.I., Zhdanov, A.V., and Belyaev, I.V. 2022, “The effect of laser surface modification on the physico-mechanical and tribological properties of stamped steel”, Polzunovskiy Vestnik, 4(2), pp. 14–18, DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2022.4.2.002.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.Либенсон М. Н., Яковлев Е. Б., Шандыбина Г. Д. Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика). Ч. 2: Лазерный нагрев и разрушение материалов: учебное пособие / под общ. ред. В. П. Вейко. — СПб.: НИУ ИТМО, 2014. — 181 с.Libenson, M.N., Yakovlev, E.B., and Shandybina, G.D. 2014, Interaction of Laser Radiation with Matter (Power Optics). Part II: Laser Heating and Destruction of Materials, edited by Veiko, V.P., St. Petersburg: NRU ITMO, 181 p.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.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: SPb GITMO (TU), 264 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.Среда COMSOL (ПК COMSOL Multiphysics) [Электронный ресурс]. — URL: https://www.comsol.com (дата обращения: 01.01.2024).COMSOL. 2024, COMSOL Environment (PC COMSOL Multiphysics) [Online], Available at: https://www.comsol.comСуслов 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.Gamaly E. G. The physics of ultra-short laser interactions with solid at non relativistic intensities // Physics Reports. — 2011. — Vol. 508. — P. 91–243.Gamaly, E.G. 2011, “The physics of ultra-short laser interactions with solid at non-relativistic intensities”, Physics Reports, 508, pp. 91–243.Dyukin R. V., Martsinovskiy G. A., Sergaeva O. N., Shandybina G. D., Svirina V. V., Yakovlev E. B. Interaction of Femtosecond Laser Pulses with Solids: Electron/Phonon/Plasmon Dynamics // Laser Pulses — Theory, Technology, and Applications / ed. by I. Peshko. — Rijeka: InTech, 2012. — P. 197–218.Dyukin, R.V., Martsinovskiy, G.A., Sergaeva, O.N., Shandybina, G.D., Svirina, V.V., and Yakovlev, E.B. 2012, “Interaction of Femtosecond Laser Pulses with Solids: Electron/Phonon/Plasmon Dynamics”, in Laser Pulses - Theory, Technology, and Applications, edited by Peshko, I., Rijeka: InTech, pp. 197–218.Коздоба Л. А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. — М.: Наука, 1975. — 240 с.Kozdoba, L.A. 1975, Methods for Solving Nonlinear Problems of Thermal Conductivity, Moscow: Nauka, 240 p.Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. — М.: Наука, 1964. — 344 с.Janke, E., Emde, F., and L¨osch, F. 1964, Special Functions, Moscow: Nauka, 344 p.Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика. — М.: Изд-во МГУ: Наука, 2004. — 656 с.Akhmanov, S.A., and Nikitin, S.Y. 2004, Physical Optics, Moscow: MSU Publishing House: Nauka, 656 p.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., 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, “The effect 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.Минаев И. В., Журба Д. В., Голышев И. В., Клементьев Д. С., Сергеев А. Н., Малий Д. В. Способ лазерного микроструктурирования исполнительной плоской кромки деталей из углеродистой стали: пат. 2840325 Рос. Федерация. — № 2024132938; заявл. 01.11.2024; опубл. 21.05.2025, Бюл. № 15.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 executive flat edges of carbon steel parts”, Patent of the Russian Federation, 2840325.

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