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).