Традиційні термічні методи зміцнення з різними джерелами для нагрівання і складовими середовищ для охолодження, використовуються протягом десятиліть у промислових процесах [1]. Однак, слід відзначити, що для підвищення експлуатаційних властивостей металевих виробів розробляються і використовуються нові методи поверхневого термічного зміцнення робочих поверхонь з використанням висококонцентрованих потоків енергії плазми, електронного та лазерного променя [1–3].

Лазерна термообробка (ЛТО) є найбільш ефективнішою серед висококонцентрованих методів поверхневої обробки як малогабаритних, так і великогабаритних виробів за рахунок розробки нових високопотужних лазерних технологічних комплексів [1–3]. Ефективність процесу ЛТО зростає із застосуванням сканувальної оптики, які сприяють формуванню лазерного променя лінійної форми з рівномірним розподілом густини енергії випромінювання. Крім того, процес ЛТО дозволяє локально зміцнити важкодоступні поверхні складної форми, забезпечуючи збереження вихідних властивостей об’єму матеріалу [1, 2].

Тим не менш, відомо, що технології лазерного термозміцнення відповідальних деталей на виробництві стримується відсутністю експериментально перевірених комп’ютерних методів визначення оптимальних режимів обробки [2]. У зв'язку з цим, особливої актуальності набуває передбачення діапазону температури нагрівання при лазерного термозміцнення для зменшення кількості експериментальних досліджень.

Метою даної роботи є визначення температури на поверхні зразка із сталі 45 методом скінчених різниць та експериментальна перевірка визначеної величини пірометром.

Експериментальні дослідження проводились на лазерному технологічному комплексі, який містив волоконний лазер Rofin Sinar FL010 з максимальною вихідною потужністю 1 кВт, установку Kondia Aktinos B500 з числовим програмним керуванням (ЧПК) для переміщення оброблюваної деталі по вісям XY та загальною робочою площею 500х300 мм, де монтувалася оптична 2D система Scanlab Hurryscan25  із плоскою лінзою для сканування лазерного променя у фокальній площині 120х120 мм [3]. Призматичні зразки (рис. 1) оброблялись сканувальним лазерним променем при потужності лазерного променя 690 °С, швидкості обробки 90 мм/хв, та діаметрі лазерного променя 1 мм. Лазерний промінь сканували в ширину 10 мм з швидкістю сканування 1000 мм/с.

Рис. 1. Розрахункова схема ЛТО сканувальним лазерним променем.

В якості моделі використовували тривимірне рівняння теплопровідності для передбачення розподілу температури Т(x,y,z,t) як по глибині, так і поверхні однорідного матеріалу [2, 4]:

,                                         (1)

де Т – температура поверхні матеріалу зразка в точці з координатами (x, y, z) в момент часу t [0, Т_к], ρ – густина матеріалу зразка (кг/м³), с(Т) – коефіцієнт теплоємності матеріалу зразка (Дж/кг°С), λ(Т) – коефіцієнт теплопровідності матеріалу зразка (Вт/м°С).

У даній моделі, граничні умови лазерного променя розглядали у вигляді прямокутної форми зони дії (рис. 1):

,                                                            (2)

де А – коефіцієнт поглинальної здатності поверхні, P – потужність лазера, Вт; h_lb – ширина лазерного променя (1 см), l_lb – довжина лазерного променя (0.1 см).

Розподіл температури по глибині зразка згідно термофізичної моделі приведено на рис. 2а. Чисельне моделювання розподілу температури реалізовували за формулою (1) методом скінчених різниць за допомогою спеціального програмного забезпечення. Умови теплообміну зразка з навколишнім середовищем описували законом Ньютона. При цьому температуру навколишнього середовища  та коефіцієнт теплообміну приймали постійними для усіх граничних поверхонь. При розрахунках було використано наступні теплофізичні характеристики сталі 45: ρ = 7800 кг/м³, с = 473 Дж/кг·°С, λ = 50 Вт/м°С, α = 2.3·10⁻⁵ м²/с, T⁰ = 20 °C, А = 0.8.

(а)                                                                             (б)

Рис. 2. Розподіл температури при ЛТО сталі 45 по глибині (а) та поверхні (б) зразка.

Цикл нагрівання та охолодження в реальному часі на оброблюваній поверхні було визначено двоколірним лазерним пірометром в центрі лазерної доріжки (рис. 2б).

За результатами проведених досліджень можна зробити такі висновки:

1. Розрахована густина потужності знаходилась в діапазоні від 10³...10⁴ Вт/см² при тривалості лазерного впливу ~0.5 с, що забезпечувало ЛТО без оплавлення поверхні.
2. Підтверджено, що експериментальна величина температури на поверхні добре корелює із теоретичною величиною температури визначеною термофізичною моделлю.
3. Застосована термофізична модель дозволить звузити діапазон оптимальних режимів лазерного термозміцнення з використанням волоконного лазера та сканатора