Моделирование теплового воздействия при лазерной микрообработке проката углеродистых сталей

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 различной
глубине окалины и стали при многократном сканировании пучком непрерывного лазера. Выявлена незначительная аккумуляция тепловой энергии от ближайших по времени
термоциклов (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).

1. Вейко В. П., Либенсон М. Н., Червяков Г. Г., Яковлев Е. Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом, силовая оптика. — М.: Физматлит, 2008. — 312 с.

2. 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.

3. Вейко В. П. Лазерное микроформообразование (физические основы, применения, проблемы и перспективы) // Известия Академии наук. Серия физическая. — 2001. — Т. 65, № 6. — С. 864–870.

4. 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.

5. Шнейдер Ю. Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. — СПб.: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. — 264 с.

6. Вейко В. П., Смирнов В. Н., Чирков А. М., Шахно Е. А. Лазерная очистка в машиностроении и приборостроении. — СПб.: НИУ ИТМО, 2013. — 103 с.

7. 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.

8. 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.

9. Суслов А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. — М.: Машиностроение, 2000. — 320 с.

10. Вейко В. П., Дышловенко С. С. Лазерное микроструктурирование поверхностей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2001. — Т. 1, № 4. — С. 119–128.

11. Ведерникова И. И., Полетаев В. А. Упрочнение рабочих поверхностей деталей машин лазерным модифицированием // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. — 2008. — Вып. 3. — С. 1–3.

12. 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.

13. 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.

14. Среда COMSOL (ПК COMSOL Multiphysics) [Электронный ресурс]. — URL: https://www.comsol.com (дата обращения: 01.01.2024).

15. Вейко 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.

16. 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.

17. 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.