vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2018-63-4-435-443vestift-406Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERМоделирование поверхностной закалки с использованием сканирующего оптоволоконного лазераSimulation of surface hardening using a fiber-optic laser scanningДевойноО. Г.DevoinoO. G.

доктор технических наук, профессор, заведующий научно-исследовательской лабораторией плазменных и лазерных технологий

D. Sc. (Engineering), Professor, Head of Plasma and Laser Technologies Research Laboratory

scvdmed@bntu.byЖарскийВ. В.JarskiV. V.

доктор технических наук, директор

D. Sc. (Engineering), Director

v.jarski@ruchservomotor.comПилипчукА. П.PilipchukA. P.

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механики

Ph. D. (Engineering), Assistant Professor, Assistant Professor of the Department of Mechanics

vikmech@mail.ruБелорусский национальный технический университет, МинскBelarusian National Technical University, MinskООО «Рухсервомотор», МинскLTD “Ruchservomotor”, MinskВоенная академия Республики Беларусь, МинскMilitary Academy of the Republic of Belarus, Minsk201812012019634435443Copyright © Девойно О.Г., Жарский В.В., Пилипчук А.П., 20192019Девойно О.Г., Жарский В.В., Пилипчук А.П.Devoino O.G., Jarski V.V., Pilipchuk A.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/406

Показана возможность управления температурными полями в процессе сканирующей лазерной обработки оптоволоконным лазером. Разработана математическая модель процесса закалки сканирующим лазерным излучением при возвратно-поступательном движении лазерного луча и поступательном движении детали. Выполнен расчет температурного поля, возникающего при лазерной закалке с постоянной мощностью и с изменением мощности лазерного излучения в зависимости от положения лазерного луча при его относительном перемещении. В результате математического моделирования процесса лазерной закалки при изменении мощности лазерного излучения в зависимости от положения лазерного луча установлено, что применение сканирующей системы с программноизменяемой мощностью излучения позволяет снизить на 25 % энергетические затраты с сохранением заданной геометрии зоны упрочнения. Представлены результаты лазерной закалки поверхности стали 45 на газовом лазере 1,2 кВт и технологической установке на базе оптоволоконного лазера мощностью до 2 кВт, оснащенной сканирующей системой. За показатель производительности был принят объем закаленного материала в единицу времени. Анализ полученных результатов показывает, что использование излучения оптоволоконного лазера обеспечивает повышение производительности закалки в 3–5 раз по сравнению с применением излучения СО2 -лазера той же мощности. Полученный эффект объясняется изменением условий взаимодействия излучения с поверхностью металла при изменении длины волны излучения, а также изменением баланса распределения тепла в зоне воздействия лазерного луча. С учетом более высокого КПД энергоэффективность использования оптоволоконных лазеров для поверхностного упрочнения в 9–15 раз выше, чем при использовании СО2 -лазеров.

An analysis of process of scanning laser processing is made. The possibility of use of program and changeable power of a laser radiation in the course of scanning is shown. A mathematical model of process of training is developed by the scanning laser radiation. The model considers parameters of reciprocation of a laser beam and headway of a detail. Calculation of the temperature profile arising at laser training with a constant power and with change of power of a laser radiation depending on the provision of a laser beam at its relative movement is executed. Implementation of laser training with a program and changeable power of radiation in the course of scanning allows lowering a metabolic cost by 25 % with preservation of the given geometry of a zone of hardening. Results of laser training of a surface of steel 45 with the gas laser and the process unit on the basis of the fiberoptic laser with power up to 2 kW are presented. The volume, hardened in unit of time, was taken for an indicator of efficiency. Use of radiation of the fiber-optic laser provides increase in efficiency of training by 3–5 times in comparison with use of radiation of CO2 laser of the same power. The gained effect is explained by change of conditions of interaction of radiation with the surface of metal at change by an order of a radiation wavelength and also by change of balance distribution of heat in a zone of influence of a laser beam. Taking into account higher efficiency of fiber-optic lasers in comparison with gas, the energy efficiency of use of fiber-optic lasers for the surface strengthening is 9–15 times higher than when using CO2 lasers.

лазермощность лазерного излучениялазерная закалкасканирующая системаматематическая модельтемпературное полеlaserlaser powerlaser hardeningscanning systemmathematical modeltemperatureReferencesЮгов, В. И. Высокоэффективная технология ресурсосбережения: лазерная поверхностная обработка / В. Югов // Фотоника. – 2012. – № 4. – С. 13–20.Yugov V. I. High cost-effective use of resources technology: laser surface treatment. Fotonika = Photonics, 2012, no. 4, pp. 13–20 (in Russian).Бирюков, В. П. Модификация поверхности с помощью лазерного излучения / В. П. Бирюков // Фотоника. – 2010. – № 3. – С. 18–21.Biryukov V. P. Modification of a surface by means of laser radiation. Fotonika = Photonics, 2010, no. 3, pp. 18–21 (in Russian).Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В. Я. Панченко. – М.: Физматлит, 2009. – 664 с.Panchenko V. Ya., Golubev V. S., Vasil’tsov V. V., Galushkin M. G., Grezev A. N. Laser Techniques of Handling of Materials: Modern Problems of Basic Researches and Application Workings out. Moscow, Fizmatlit Publ., 2009. 664 p. (in Russian).Бирюков, В. П. Изменение структуры и свойств сталей при лазерном упрочнении / В. П. Бирюков // Фотоника. – 2012. – № 3. – С. 22–26.Biryukov V. P. Change of structure and properties of steels at laser hardening. Fotonika = Photonics, 2012, no. 3, pp. 22–26 (in Russian).Манако, В. В. Методика оценки размеров зоны закалки при обработке движущимся лучом лазера / В. В. Ма нако, В. А. Путилин // Физика и xимия обработки материалов. – 2010. – № 5. – С. 23–28.Manako V. V., Putilin V. A. Technique of an estimation of the sizes of a zone of quenching at handling by a moving ray of the laser. Fizika i himiya obrabotki materialov = Physics and Chemistry of Materials Treatment, 2010, vol. 1, no. 5, pp. 23–28 (in Russian).Иванов, С. Ю. Моделирование тепловых процессов при сварке соединений с криволинейными швами / С. Ю. Иванов, В. А. Кархин, В. Г. Михайлов // Изв. ТулГУ. Техн. науки. – 2015. – Вып. 6, ч. 2. – С. 62–66.Ivanov S. Yu., Karkhin V. A., Mikhailov V. G. Simulation of thermal processes at welding of connections with curvilinear welds. Izvestiya TulGU. Tekhnicheskie nauki = Izvestiya Tula State University. Technical Sciences, 2015, vol. 6, no. 2, pp. 62–66 (in Russian).Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: cправочник / Н. Н. Рыкалин [и др.]. – М.: Ма шиностроение, 1985. – 496 с.Rykalin N. N., Uglov A. A., Zuev I. V., Kokora A. N. Laser and Electron Beam Handling of Materials. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1985. 496 p. (in Russian).Манако, В. В. Аналитическое решение задачи нагрева образца движущимся лучом лазера / В. В. Манако, В. А. Путилин // Вестн. СамГТУ. Сер.: Физ.-мат. науки. – 2009. – № 1 (18). – С. 206–213.Manako V. V., Putilin V. A. The analytical decision of a problem of heat of the sample a moving ray of the laser. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Fiziko-matematicheskie nauki = Journal of Samara State Technical University, Ser. Physical and Mathematical Sciences, 2009, no. 1, pp. 206–213 (in Russian).Хирд, Г. Измерение лазерных параметров / Г. Хирд. – М.: Мир, 1970. – 540 с.Heard H. G. Laser Parameter Measurements. N. Y., Wiley, 1968. 489 p.

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