Исследование физических механизмов и разработка технологии лазерной очистки поверхности стали от окалины за счет ее термомеханического разрушения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Журба Данила Владимирович

• Журба Данила Владимирович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Журба Данила Владимирович

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Очистка горячекатаного проката углеродистых сталей от окалины

1.1 Проблема удаления прокатной окалины

1.2 Структура и процесс формирования прокатной окалины

1.3 Способы удаления прокатной окалины

1.3.1 Технологии химической и механической очистки

1.3.2 Лазерная очистка поверхностей металлов

1.3.3 Лазерная очистка металлопроката от окалины

1.4 Процесс лазерного разрушения окалины

Выводы по главе

ГЛАВА 2. Лазерная очистка металлопроката от окалины в различных режимах воздействия

2.1 Экспериментальное оборудование, образцы и методика исследования

2.1.1 Образцы и методика исследования

2.1.2 Установка с импульсным волоконным лазером

2.1.3 Установка с непрерывным волоконным лазером

2.2 Очистка в испарительном режиме лазерного воздействия

2.2.1 Послойное испарение окалины наносекундными лазерными импульсами

2.2.2 Термоструктурные преобразования в окалине

2.2.3 Испарительная очистка непрерывным лазерным излучением

2.3 Очистка в доиспарительном режиме лазерного воздействия

2.3.1 Термомеханическое разрушение окалины толщиной до 20 мкм

2.3.2 Очистка комбинированным лазерным и механическим или химическим воздействием

2.3.3 Термомеханическое разрушение окалины толщиной более 100 мкм

2.4 Моделирование лазерного нагрева окалины

2.4.1 Качественное описание процесса доиспарительного режима лазерной

очистки

2.4.2 Распределение температуры в окалине и стали при лазерной обработке

2.4.3 Качественное рассмотрение процессов возникновения и развития термомеханических напряжений в окалине

2.4.4 Низкотемпературный механизм разрушения окалины

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Исследование воздействия лазерного нагрева на окалину и поверхность стали

3.1 Исследование разрушения окалины при лазерной очистке проката в доиспарительном режиме

3.2 Исследование поверхностного слоя в стали после лазерной очистки

3.3 Лазерное микроструктурирование поверхности углеродистых сталей

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Разработка системы сканирования и действующего прототипа промышленного устройства лазерной очистки металлопроката от прокатной окалины

4.1 Выбор лазерного источника

4.2 Выбор оптической схемы сканирования

4.3 Описание прототипа промышленной установки лазерной очистки

4.4 Предложения по доработке оптической системы

4.5 Оценка производительности и стоимости очистки

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Схема оптическая принципиальная

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акты внедрения

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Результаты интеллектуальной деятельности

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Тексты основных публикаций

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование физических механизмов и разработка технологии лазерной очистки поверхности стали от окалины за счет ее термомеханического разрушения»

РЕФЕРАТ Общая характеристика диссертации Актуальность темы

Фотоника, лазерная техника и лазерные технологии во всех их проявлениях кардинально меняют облик современной промышленности, причем не только микроэлектроники и приборостроения, но и обрабатывающих отраслей. Таких примеров можно привести множество, начиная от установок лазерной резки листов, труб и другой продукции на всех крупных металлообрабатывающих предприятиях [1-2] и кончая лазерными цехами по изготовлению рубашек и турбин реактивных двигателей на аэрокосмических предприятиях методами аддитивных технологий лазерного спекания и наплавки [3]. Опто-электронные методы применяются в прокатном производстве при контроле температуры и скорости проката [4]. Однако, удаление окалины - это особая задача, требующая нового нестандартного подхода.

В представляемой диссертации разрабатывается еще одна лазерная технология удаления прокатной окалины, чрезвычайно важная для металлургической промышленности, а именно, для технологии изготовления горячекатаных стальных листов. Прокатная окалина - это твердые оксидные слои, наличие которых на металлопрокате и металлоизделиях является крайне нежелательным, а иногда, и просто недопустимым явлением, поэтому поверхность стали требуется очищать от окалины. Сама по себе окалина не защищает сталь от коррозии, а в ряде случаев наоборот, приводит к ускорению коррозионных процессов, что сокращает срок службы изделий из металлопроката [5-8]. Кроме того, она обладает высокой твердостью и весьма прочно сцеплена с поверхностью стали, плохо поддается механической и химической обработке, что сделало задачу удаления окалины энергоемкой, трудоемкой и дорогостоящей технологической операцией обработки металлопроката [9].

К настоящему времени используются различные способы механической и химической очистки металлических поверхностей от окалины. К механическим методам очистки относятся дробеструйная, пескоструйная обработки [9],

шлифование абразивными щетками и другие. К химическим относятся травление в соляно-кислотных, сернокислых и азотнокислых ваннах или в щелочах, в том числе с применением электролиза [5].

Существенными недостатками данных способов являются: неудовлетворительная степени очистки, повреждение поверхности металла и негативное влияние на персонал и окружающую среду, связанное с использованием опасных расходных материалов, реактивов, образованием продуктов (песчаной пыли, пыли окалины, паров кислот, отработанных травильных растворов и загрязненного шлама), которые необходимо утилизировать, а также большая трудоемкость в связи с высокой твердостью и плохой растворимостью. Кроме того, в связи с необходимостью улучшения условий труда и безопасности для окружающей среды производств на данные способы накладываются существенные ограничения.

В связи с этим, все более широкое применение для удаления различных загрязнений, в частности оксидных слоев с поверхности металлов, находят лазерные методы. Технологические процессы очистки различных поверхностей от загрязнений с помощью лазерного излучения является удобными в использовании и безопасными для окружающей среды [10-14].

В настоящее время основным подходом к лазерной очистке является испарение материала нежелательного слоя или загрязнения наносекундными импульсами (100 нс - 200 нс) при плотности мощности лазерного

7 2

излучения > 10 Вт/см . Данный подход позволяет удалить практически любое загрязнение с поверхности большинства материалов [10-13, 15, 16]. Однако, удаление оксидных слоев в испарительном режиме - энергоемкий процесс. В связи с высокой жаростойкостью окалины процесс ее очистки импульсным лазерным излучением в режиме испарения оказывается низкопроизводительным [17].

Использование непрерывного лазерного изучения позволяет варьировать такие параметры обработки, как длительность воздействия, плотность мощности и энергии в широких диапазонах. Поэтому представляется целесообразным

исследовать и реализовывать различные механизмы удаления загрязнений, в том числе не связанные испарением, с помощью непрерывного лазера. При этом очистка металлопроката излучением непрерывного лазера за счет испарения до настоящего момента на практике была трудно реализуема, так как требует одновременно острой фокусировки лазерного пятна и очень высокой скорости сканирования. Нагрев поверхностного слоя окалины до температуры испарения приводит к значительному нагреву стали. В результате поверхность стали оплавляется и на ней может формироваться новый слой окалины (особенно при большой длительности нагрева) [18]. Столь сильный нагрев приводит не только к повреждению поверхности, но и к значительным термическим деформациям всего изделия. Поэтому для производительной лазерной очистки без повреждения металлопроката и конструкций из него от окалины в испарительном режиме воздействия требуются специальные высокоскоростные сканирующие системы, позволяющие обрабатывать поверхность сталей остросфокусированным (диаметр пятна менее 100 мкм) излучением мощных (более 1 кВт) непрерывных волоконных лазеров. При этом такие сканирующие системы должны обеспечивать эффективную длительность воздействия порядка 0,1 мкс - 1 мкс.

Другим важным направлением разработки технологии лазерной очистки металлопроката являются исследования в области доиспарительного режима лазерного воздействия и реализация более эффективных механизмов разрушения и удаления окалины, не требующих высокотемпературного нагрева. В этом направлении наиболее перспективным представляется исследование возможности и механизмов разрушения окалины за счет термических напряжений.

В настоящей диссертационной работе предложен новый способ удаления прокатной окалины за счет термомеханического разрушения при ее нагреве излучением непрерывного волоконного иттербиевого лазера. Высокая плотность мощности лазерного излучения позволяет в течение нескольких десятков микросекунд нагреть слой окалины на всю толщину, а в отсутствии излучения практически также быстро охладить ее за счет теплопроводности и отвода тепла в металлическую основу. Разрушение и удаление фрагментов окалины происходит

в твердом фазовом состоянии за счет фазово-структурной перестройки и уменьшения адгезии при формировании фазы вюстита. При этом нагрев до высоких температур происходит лишь в слое окалины. Поверхность стали не претерпевает существенного термического влияния. Лазерное разрушение окалины за счет термонапряжений является менее энергозатратным и более эффективным процессом, чем лазерное испарение.

Предложена и разработана лазерная высокоскоростная сканирующая система, позволяющая выполнять очистку металлопроката от окалины в испарительном режиме воздействия. Также данная сканирующая система успешно может быть использована для формирования упорядоченной микрогеометрии поверхности стали с шероховатостью поверхности = 40 мкм и более. За счет таких показателей шероховатости возможно заменить лазерным микроструктурированием дробеструйную и дробеметную обработку на этапе подготовки нанесения толстослойных лакокрасочных покрытий и прочих полимерных покрытий.

Исследованы также возможности дополнительных воздействий на окалину для увеличения эффективности и производительности очистки. Рассмотрена возможность улучшения эксплуатационных свойств поверхности стали с помощью лазерной обработки непрерывным и импульсным лазерным излучением.

Актуальность работы состоит в разработке новой востребованной в отрасли металлообработки технологии лазерной очистки готового горячекатаного металлопроката от окалины, основанной на термомеханических механизмах разрушения окалины. В технологии используются мощные непрерывные волоконные лазерные источники, обладающие высокими технико-экономическими показателями, чем определяется невысокая себестоимость очистки.

Цель работы: поиск и исследование методов лазерного разрушения прокатной окалины углеродистых сталей и разработка технологии и средств лазерной очистки поверхности металлопроката от нее.

Для достижения поставленной цели решались задачи:

1. Исследование механизмов и разработка метода термомеханического разрушения прокатной окалины воздействием непрерывного излучения волоконного лазера.

2. Изучение эффективности очистки в испарительном режиме воздействия непрерывным излучением волоконного лазера.

3. Исследование свойств поверхности стали после лазерной очистки от окалины.

4. Разработка способов очистки стали от окалины комбинированным лазерным и дополнительными воздействиями.

5. Создание прототипа промышленного устройства лазерной очистки металлопроката от окалины, включающего непрерывный волоконный лазер и специальную высокоскоростную сканирующую систему.

Научная новизна

Научная новизна состоит в следующем:

- предложен, теоретически обоснован и практически реализован доиспарительный режим лазерной очистки, при котором разрушение и фрагментация окалины происходит в твердом фазовом состоянии за счет термоупругих напряжений, возникающих под действием радиального расширения окалины в зоне лазерного нагрева и термоструктурных напряжений, связанных с преобразованием магнетита и железа в фазу вюстита. Окалина растрескивается на фрагменты. Фазовые преобразования и накопление дефектов по границе сталь окалина приводит к снижению теплового контакта фрагментов окалины со сталью в результате чего увеличивается их нагрев при последующих повторах лазерного воздействия. Нагрев фрагментов окалины на всю толщину выше температуры 950 0С вплоть до температуры плавления приводит к потере сцепления фрагментов окалины с очищаемой поверхностью. Выявленный режим лазерной очистки реализован с помощью излучения непрерывного волоконного лазера. Параметры лазерной обработки выбираются исходя из требований прогрева окалины на всю глубину (длительность воздействия порядка 10-4 с), и нагрева ее

не выше температуры плавления (порядок величины плотности мощности

5 2

10 Вт/см). Число воздействий для требуемой степени разупрочнения, фрагментации и удаления окалины экспериментально устанавливается в ходе отработки технологического процесса очистки образца из партии изделий (листов, труб и т.п.). Предложенный способ очистки реализован для стальных изделий с толщиной стенки 1 мм - 20 мм и толщиной окалины до 20 - 30 мкм.

- предложен новый вариант испарительной лазерной очистки излучением непрерывных лазеров мощностью более 1 кВт, отличающийся большей эффективностью и лучшим качеством очистки, а также минимальной зоной термического влияния. Отличием данного способа от известных является

72

повышение плотности мощности (более 2-10 Вт/см ) с одновременным увеличением скорости сканирования и снижением эффективной длительности воздействия (менее 5 мкс) за счет применения новой высокоскоростной лазерной системы сканирования.

- для повышения производительности и качества очистки предложено использовать комбинированное воздействие, при котором процесс очистки разделяется на два этапа: черновой и чистовой очистки. Черновая очистка выполняется с помощью излучения непрерывного волоконного лазера в доиспарительном режиме воздействия и приводит к разупрочнению и удалению окалины до требуемой степени очистки. На втором этапе чистовая очистка может осуществляться как с помощью непрерывного или импульсного лазерного излучения в режиме испарения, так и без использования лазеров традиционными механическими или химическими методами.

- предложен режим лазерной термической модификации поверхности углеродистых сталей, при котором на поверхности детали формируется слой микротвердостью до 820 НУ, состоящий из мелкодисперсного мартенсита игольчатого строения. Обработка ведется при плотности мощности 360 кВт/см , длительности воздействия около 160 мкс и высокой плотности перекрытия полос сканирования до 90%. Энергетическая доза обработки составляет около 1150 Дж/см .

Практическая значимость работы

При выполнении работы были получены следующие значимые практические результаты:

1. Создан действующий макет установки для лазерной очитки стали от окалины.

2. Разработана оригинальная система сканирования лазерного пучка для повышения производительности процесса.

3. Показана высокая эффективность предложенного метода лазерной очистки за счет термомеханического разрушения окалины, производительность которого достигает 7 м2/ч для 2 кВт средней мощности лазерного источника.

4. Получены режимы очистки, позволяющие либо сохранить высоту рельефа и микрогеометрию поверхности стали либо, напротив, создать глубокий упорядоченный рельеф с шероховатостью более 40 мкм и Яа более 7 мкм.

5. Предложен метод двухэтапной лазерной очистки непрерывным волоконным лазером: в доиспарительном режиме - на черновом этапе, в комбинации с дополнительными способами очистки на чистовом, который позволяет повысить качество очистки и до двух раз - производительность очистки. На чистовом этапе может применяться лазерная очистка в испарительном режиме, а также механическая или химическая очистка. Черновая обработка выполняется до удаления основного слоя окалины, обладающего высокой стойкостью к истиранию и травлению в кислотах. Остаточный разупрочненный тонкий слой окалины удаляется на этапе чистовой обработки, для получения очищенной поверхности стали. Увеличение производительности достигается за счет снижения до двух раз дозы энергии лазерного воздействия на черновом этапе. Снизить себестоимость процесса очистки удается, используя один и тот же непрерывный волоконный лазерный источник и одну и ту же универсальную сканирующую систему на этапах черновой и чистовой обработки.

Достигнуты следующие показатели лазерной очистки:

1. Высокая степень очистки - Sa3, и отсутствие термического или механического повреждения поверхности стали;

2. Отсутствие расходных материалов;

3. Улучшение условий труда;

4. Безопасность для окружающей среды.

Разработанная установка отличается высокой надежностью и долговечностью и подходит для промышленного применения. Примененная схема сканирования на основе вращающегося оптического клина существенно отличается от применяемых ранее гальванометрических систем сканирования.

Ее основными преимуществами являются:

1. Высокая лучевая прочность.

2. Возможность настройки параметров обработки в широких диапазонах: диаметр лазерного пятна в плоскости фокусировки (0,1 мм - 1,6 мм), линейная скорость сканирования (до 20 м/с - 50 м/с), диаметр окружности сканирования (14 мм - 82 мм). В результате плотность мощности может меняться

3 7 2

в диапазоне от 10 до 2,5-10 Вт/см , а эффективная длительность воздействия - от 5 мкс до 1 мс и более.

3. Постоянная скорость сканирования (без изменения направления сканирования, отсутствие разгона и торможения, как у гальваносканеров).

4. Устойчивость к ударам и вибрации.

5. Широкий температурный диапазон работы.

Большой рабочий ресурс (изнашиваются только опорные подшипники качения, ресурс которых при периодической смазке и не превышении допустимых оборотов достигает 100 тыс. часов) и простотой в обслуживании, заключающейся только в периодической смазке подшипников и проверке чистоты воздуха в пневматической магистрали. В перспективе, при доработке системы сканирования и исключении подшипников качения (что в частности исключает точки смазки) в пользу опоры на газовой смазке и соблюдении требуемой чистоты сжатого воздуха, необходимость в обслуживании многократно сократится.

Положения, выносимые на защиту

Положение 1. Нагрев прокатной окалины углеродистой стали непрерывным лазерным излучением до температуры плавления < 1600 °С вызывает структурно-

фазовый переход смеси магнетита и металлического железа в фазу вюстита (по реакции FeзO4 + Fe ^ 4FeO), обладающую на 200°С меньшей температурой плавления и на 15 % меньшим объемом. При этом за счет термоупругих напряжений, возникающих под действием радиального расширения окалины, и термоструктурных напряжений, вызванных структурно-фазовым переходом, происходит разрушение и фрагментация окалины в твердом фазовом состоянии.

Положение 2. Термомеханический режим лазерной очистки углеродистых сталей от прокатной окалины реализуется в условиях прогрева окалины воздействием излучения непрерывного иттербиевого волоконного лазера мощностью > 500 Вт на всю ее глубину (при скорости сканирования, равной отношению произведения коэффициента температуропроводности и диаметра пятна излучения к квадрату толщины слоя окалины), нагреве не выше температуры плавления и градиенте температуры при нагреве не ниже 106 град/см. Оптимальными являются диапазоны параметров лазерного воздействия: плотность мощности 70 кВт/см2 - 250 кВт/см2, длительность воздействия 80 мкс - 280 мкс при диаметре пятна 1,6 мм - 1 мм и скорости сканирования 6 м/с - 12 м/с. Такой термомеханический, доиспарительный режим очистки металлопроката до 1,5 раз снижает энергоемкость и, соответственно, повышает производительность процесса удаления основного слоя окалины по сравнению с испарительным режимом.

Положение 3. Увеличение плотности мощности излучения свыше

72

10 Вт/см с одновременным увеличением скорости сканирования при условии обеспечения эффективной длительности воздействия менее 5 мкс (за счет использования непрерывного иттербиевого волоконного лазера мощностью > 1 кВт при фокусировке излучения в пятно ~ 100 мкм и скорости сканирования > 20 м/с) вызывает переход к испарительному механизму очистки от окалины. При этом остатки окалины удаляются полностью, в то время как благодаря достаточно малой длительности воздействия, поверхность стали не претерпевает вторичного термического окисления.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих всероссийских и международных конференциях:

1. D. Zhurba, V. Zhurba, M. Zhukov, V. Veiko / Fundamentals of laserassisted micro- and nanotechnologies (FLAMN-25) / Saint-Petersburg / 24.06.2527.06.25 / Technology of laser surface cleaning of hot-rolled metal products by laser radiation due to thermomechanical scale destruction.

2. G. Buslaev, D. Zhurba, V.Morenov, V.Zhurba / Fundamentals of laserassisted micro- and nanotechnologies (FLAMN-25) / Saint-Petersburg / 24.06.2527.06.25 / Promising areas of application of laser technologies in the oil and gas industry.

3. S. Smotrova, V.Semenov, V.Zhurba, V. Glukhikh, S. Manegin, A. Puisha, A. Sorokin, M. Volkov, D. Zhurba / Fundamentals of laser-assisted micro- and nanotechnologies (FLAMN-25) / Saint-Petersburg / 24.06.25-27.06.25 / About the advantages of the end-to-end laser treatment technology of wire rod surface for clinker removal in the in-line calibrated rolled products manufacture with defined properties.

4. D.V. Zhurba, V.M. Zhurba, V.P. Veiko / The 31st international conference advanced laser technologies (ALT24) / Vladivostok, Russia / 24.09.2024 - 27.09.2024/ Investigation of physical mechanisms of laser cleaning applicable for cleaning rolled metal from mill scale.

5. Журба Д.В., Журба В.М., Буслаев Г.В./ III Международная научнопрактическая конференция «Прорывные технологии в разведке, разработке и добыче углеводородного сырья» / Санкт-Петербург / 22.05.2024 - 24.05.2024 / Перспективы применения лазерных технологий в строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.

6. Журба Д.В., Журба В.М. / II Международная научнопрактическая конференция «Прорывные технологии в разведке, разработке и добыче углеводородного сырья» / Санкт-Петербург / 07.06.2023 - 09.06.2023 / Лазерная очистка поверхностей конструктивных элементов трубопроводного транспорта углеводородов.

7. Журба Д.В. / XII Конгресс молодых ученых / Санкт-Петербург, Университет ИТМО / 03.04.2023 - 06.04.2023 / Исследование режимов лазерного разрушения окалины горячекатаного проката под действием наносекундных импульсов иттербиевого волоконного лазера.

8. Журба Д.В. / Пятьдесят вторая (LII) научная и учебнометодическая конференция Университета ИТМО / 31.01.2023 - 03.02.2023 / Исследование возможности разрушения и удаления прокатной окалины с помощью лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм.

9. D. Zhurba, A. Petrov / Fundamentals of laser-assisted micro- and nanotechnologies (FLAMN-22) / Saint-Petersburg / 27.06.2022 - 30.06.2022 / Investigation of the physical mechanisms of laser cleaning of the surface of hot-rolled metal from mill scale under the influence of continuous laser radiation with a wavelength of 1.06 microns.

10. Журба Д.В. / Пятьдесят первая (LI) научная и учебнометодическая конференция Университета ИТМО / 02.02.2022 - 05.02.2022 / Лазерная очистка поверхности горячекатаной стали от окалины комбинированным воздействием непрерывного и импульсного лазерного излучения.

11. Журба Д.В. / XI Конгресс молодых ученых / Санкт-Петербург, Университет ИТМО / 04.04.2022 - 08.04.2022 / Исследование физических механизмов лазерной очистки поверхности горячекатаного металлопроката от окалины при воздействии непрерывного лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм.

Внедрение результатов работы

По результатам данной диссертационной работы разработан и внедрен в компании ООО «НИИ ВОЛО» регламент производства работ СТО ИНЛЖ.041-2025 «Лазерная очистка от окалины поверхностей изделий из углеродистых и низколегированных сталей». Результаты работы намечены к реализации при выполнении НИОКР «Экспериментальные исследования по оптимизации режимов лазерного удаления окалины с поверхности катанки из различных видов

стали и геометрии с целью повышения скорости и качества обработки поверхности проката в процессе поточного производства» в рамках реализации ГНЦ ФГУП «ЦНИИчермет им. П.И. Бардина» инновационного проекта в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 12 декабря 2019 г. № 1649 «Об утверждении Правил предоставления субсидий из федерального бюджета российским организациям», что подтверждается актом о внедрении от 14.07.2025 г.

Разработанный технологический процесс лазерной очистки использован для выполнения очистки поверхности стальных листов от окалины перед газолазерной резкой деталей. Высокопроизводительный технологический процесс, позволяет производить эффективную лазерную очистку до 10 тонн стального проката в месяц на предприятии ООО НПП «Телар». Результаты внедрения подтверждаются актом от 23.09.2025 г.

Результаты работы защищены следующими патентами:

1. Патент на изобретение № 2812150 от 29.08.2023. Способ лазерной очистки металлических поверхностей от окалины / В. М. Журба, Д. В. Журба, А. Э. Пуйша.

2. Патент на изобретение № 2836694 от 06.05.2024. Способ лазерного микроструктурирования поверхностного слоя углеродистых сталей / И. В. Минаев, Д. В. Журба, И. В. Голышев, Д. С. Клементьев, А. Н. Сергеев, Д.В. Малий.

3. Патент на изобретение № 2840325 от 01.11.2024. Способ лазерного микроструктурирования исполнительной плоской кромки деталей из углеродистой стали / И. В. Минаев, Д. В. Журба, И. В. Голышев, Д. С. Клементьев, А. Н. Сергеев, Д.В. Малий.

Личный вклад автора Развивать направление научных исследований в области лазерной очистки и обработки поверхности металлопроката углеродистых сталей было предложено ведущими специалистами компании ООО «НПП ВОЛО», которая занимается разработками лазерных технологий, как перспективное и востребованное в

промышленности. Совместно с научным руководителем автором были сформулированы цель и задачи работы, разработан план исследований. Автор лично планировал и проводил все экспериментальные исследования, в том числе проводил сборку и настройку использованных оптических систем сканирования, сформулировал предложения по их улучшению, изготавливал экспериментальные образцы. Инструментальное исследование образцов и анализ результатов измерений проводились совместно с соавторами научных публикаций. Интерпретация результатов лазерной очистки и описание механизмов разрушения окалины проводились при участии научного руководителя.

Достоверность научных результатов Результаты исследования доиспарительного и испарительного режимов лазерной очистки металлопроката от окалины включают в себя описание механизмов лазерного разрушения окалины, сформулированные на основе данных проведенных экспериментов, оценок и расчетов. Исследование результатов лазерного воздействия выполнялось с использованием таких общепринятых методов исследования образцов, как оптическая и сканирующая электронная микроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния света, металлографический анализ. Проведенные в работе оценки и расчеты температуры нагрева, в том числе с помощью компьютерного моделирования, основаны на общепринятых теоретических моделях, они также сравнивались с термограммами, снятыми тепловизионной камерой.

Структура и объем диссертации Работа включает в себя введение, 4 основные главы, разделенные на подразделы в соответствии с представленными результатами исследований, заключение и список литературы из 80 наименований. Материалы работы представлены на 273 страницах, и включают 67 рисунков и 11 таблиц.

Во введении представлены актуальность исследования, цель и задачи работы, отражена научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор научных работ по теме исследования.

В разделе 1.1 описано современное состояние дел по проблеме удаления прокатной окалины с поверхностей горячекатаного металлопроката из углеродистых сталей.

В разделе 1.2 рассмотрена структура и процесс формирования прокатной окалины. Прокатная окалина, в особенности на листовом прокате (который сворачивают в рулоны), существенно отличается от печной окалины по химическому составу, толщине, адгезии к металлу. Прокатная окалина является прочным и твердым слоем оксидов, в состав которой входит в основном первичный магнетит и продукт распада вюстита - смесь магнетита распада и металлического железа. Прокатная окалина обладает высокой адгезией со сталью [9]. Характерные для данной окалины свойства определяют высокие трудоемкость и энергозатратность процесса ее очистки традиционными способами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Журба Данила Владимирович, 2025 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Sun, Bin 8.Cheng, Lei 8.Du, Chong-Yang LZhang, Jing-Ke 8. He, Yong-Quan 8. Cao, Guang-Ming. Effect of Oxide Scale Microstructure on Atmospheric Corrosion Behavior of Hot Rolled Steel Strip. Coatings. 2021; 11: 517. DOI: 10.3390/coatingsll 050517. 2 Evans Yulik Richardson. Corrosion and oxidation of metals [Text]: (Theory, the basics and their practice, append«)/Translated from English. Edited by Dr I. L. Rosenfeld. Doctor of Chemical Sciences. - Moscow: Mashgiz, 1962.856 p.

3. K.A. Chandler, J. K. Hudson, J. R. Stepners, et al. Corrosion. Guide. Edited by L.LSchraer,translatedbyV.S.Sinyavsky - M.: Metallurgy, 1981.632 p.

4. Evans Yulik Richardson.Corrosion. Passivity and protection of

metals [Text] / Translated from English, edited by Prof.-Dr. G.V.Akimov. -Moscow; Leningrad: Metallurgizdat, 1941 (Leningrad). - 888 p

5. Wang, Xiaochen 8. Ai, Rui 8.Yang, Quan ¿Wang, Shang 8. Zhang, Yanjiei. Meng, Yingying 8. Ma, Xianghong. Effect of oxide scale structure on shot-blasting of hot-rolled strip steel. Peer) Materials Science. 2. e9.2020. DOI: 10.7717/peerj-matsci.9.

6 Li X. 8. Huang T. 8. Chong A. W. t Zhou, R. 8. Choo, Y.s 8. Hong, M. User cleaning of steel structure surface for paint removal and repaint adhesion. Guangdian Congcheng. Opto-Electronic Engineering. 2017; 44:340-344

7. Kayahan, Ersin L Candan. Levent lAras, M. L Gundogdu, Ozcan. Surface Cleaning of Metals Using Low Power Fiber Lasers. Acta Physico PolonicaA. 2018:134:371-373.

8. Lu Y.. Yang L..Wang Y. Continuous Wave Fiber Laser. Coatings. 2019; 9:488.

9. Kravchenko, Ya £ Klimentov, Sergey 8. Derzhavin, S. £ Mamonov, D. 8. Karpov, N. £ Mayorov.A. Optimization of laser cleaning conditions using multimode short-pulse radiation. Optical and Ouantum Electronics. 2020; 52. DOI; 10.1007/sll 082-020-02399-1.

10 Sun X., Yu Q„ Bai X.Jin G„ Cai)., Yuan B. Substrate Cleaning Threshold for Various Coated Al Alloys Using a Continuous-Wave Laser. Photonics. 2021;8:395. DOI: 10.3390/photonics8090395.

11 Veiko V. P., Smimov V. N.. Chirkov A. M„ Shakhno E. A. Laser cleaning in mechanical engineering and instrumentation - St. Petersburg: ITMO Research Institute, 2013.103 p.

12. Veiko V.. Samohvalov A„ Ageev E. Laser cleaning of engraved rolls coupled with spectroscopic control.Optics and Laser Technologies (JOLT) 2013:54:170-175.

13 G.X.Chen,T.J.Kwee, K. P.Tan.Y.S. Choo, M.H.Hong. High-Power Fibre Laser Cleaning for Green Shipbuilding. Journal of Loser/Micro/ Nanoengineering. 2012; 7:249-253.

14 Deschenes JM., Fraser A. Empirical Study of Laser Cleaning of Rust, Paint, and Mill Scale from Steel Surface. In: Lee J., WagstaffS., Lambotte G„ Allanore A., Tesfaye F. (eds) Materials Processing Fundamentals 2020. The Minerals, Metals ^Materials Series. Springer, Cham. 2020.

15. Veiko V. P.. Shakhno E.A. Physical mechanisms of laser surface cleaning, Izvestiya RAS, ser. phys. 2001; 65(4):584-587.

16 Zhuang, Shusen £ Kainuma, Shigenobu £ Yang. Muye £ Haraguchi, Manabu £Asano, Takahiro. Characterizing corrosion properties of carbon steel affected by high-power laser cleaning. Construction and Building Materials. 274.2021.122085. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.122085.

17. Graf, Marcel £ Kawalla. R. Scale Behaviourand Deformation Properties of Oxide Scale during Hot Rolling of Steel. Key Engineering Materials. 2012:504506:199-204. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.504-506.199.

18. Ahmadi, D. Oxide Scales Behaviour During Descaling and Hot Rolling. The University of Sheffield. England. |une2019, p. ii.

19 Grudev A. P. Friction and lubricants in metal pressure treatment: Handbook. -M Metallurgy, 1982.310 p

20 Chen, Rex £ Yuen. W. Oxidation of Low-Carbon, Low-Silicon Mild Steel at 450-900 °C Under Conditions Relevant to Hot-Strip Processing. Oxidation of Metals. 2002;57: 53-79. DOI: 10.1023/A:1013390628475.

21 Chen, Rex lYeun.W.Y.D. Review of the High-Temperature Oxidation of Iron and Carbon Steels in Air or Oxygen. Oxidation of Metals. 2003:59:433468. DOI: 10.1023/A:1023685905159.

22 Yu, Xianglong £ Zhao, J i ngwei £ Wei, Dong £ Zhou, Ji. A Review of Microstructure and Microtexture of Tertiary Oxide Scale in a Hot Strip Mill. Key Engineering Materials. 2016;716:843-855. DOI: 10.4028/www.scientific. net/KEM.716.843.

23. Choi JW, Choi JW. Convective heat transfer coefficient for high pressure water jet. ISIJ International. 2002,42(3): 283-289 DOI: 10.2355/ ¡sijinternational.42.283.

24. TeplyakovYu. N. The decay ofwustite. which is part of the scale Bulletin af SUSU. Series: Chemistry. 2009. No.23 (156).

25. Teplyakov Yu. N. Kinetics of phase formation during the decay of wustite // Bulletin of SUSU. Series: Metallurgy. 2021;1.

26. Naipinij. Sun 8. Sukieum, Sasapan 8. Namprai, Ravinupha 8. Nilsonthi, Thanasak. Formation of thermal oxide scale and its adhesion to hot-rolled low carbon steels with different final strip thicknesses. E3S Web of Conferences. 355. 02008.2022. DOI: 10.1051/e3sconf/202235502008.

27 CAO, Guang-ming £WU, Teng-zhi £XU, Rong £ Zhi-feng, Li £ WANG, Fu-xiang £ Liu, Zhenyu. Effects of CoilingTemperatureandCooling Condition on Transformation Behavior of Tertiary Oxide Scale. Journal

of Iron and Steel Research, International. 2015:22:892-896. DOI: 10.1016/ S1006-706X(15)30086-8.

28 Shizukawa, Yuta £ Hayashi, Shigenari £Yoneda, Suzue 8. Kondo, Yasumitsu £Tanei, Hiroshi 8. Ukai, Shigeharu. Mechanism of Magnetite Seam Formation and its Role for FeO Scale Transformation. Oxidation of Metals. 2016;86 DOI: 10.1007/sll085-016-9638-8.

29 A S. 1819908 USSR. MPC C21D1/82, B21B 45/04. Method for cleaning rolled metalfram scale/Vakula L.A - No. 4942792. application 1991.04.23; publ 1993.06.07.- 5p.

30. Patent 2280712 0 Russian Federation, IPC C23F13/16. Method far producing cast magnetite / Khorishko B.A.; patent holder Novomoskovskiy Institute of the D. I. Mendeleev Russian Technical Technical University. - No. 2004138773/02, application 2004.12.30: publ. 2006.07.27, Issue No. 21- 8 p.

31. Patent2812150 C Russian Federation, IPC B08B 7/00 (2006.01).iWethodof laser cleaning af metal surfaces from scale / Zhurba V. M.; patent holder Limited Liability Company "Scientific and Production Enterprise of Fiber-Optic

iiiiiMiiiiiiiiiiiiiiiiiMiMimiiiiii

IIIIIIMIHIIIIIIIIIIIIIIIMIIIII

i ним in in и in i in mihi i »i in hihi i пиши и, _ -TECHNOLOGIES i TECHNOLOGY EQUIPMENT [ЩцК]

11111111111111111M h 11111111' 111111111И 111111111111

and U»i Huipment (Ни) - fco ai/JUWA dedaredon WMf№. [■Mhed on очаао» Byul. No i IIP E CUtunovj N.A., Potapenko Yu. A. rveffoctof tili Hydiaj. pump irst jikition on Ihr 'pialny cf 11* rollfit lUthf.r CasTiiy ani iwndul.lv Ш ttl

U TeailyaMMII N.V. rjfVfbpiritnt of meotfiml pta;V»ofliiw«iilu«..j and low-caibswlnij ee»l hracinj tKhnobgirs Bolrtm if Wr 5Ьег.лп \utr mAHrul IlcwPiit» 10П. 1 Q») » Л W Patent J619MiU Russian FederaLwi. Ilt B088 //00 (2X16 Ol) МлМ Inr luffialion ,' M V Valko« patent holde Llm«ed ItaMity

Company 'kienfic and tYoduction Interprise of hbtr-Opt* and Las« lijupmenf (KU). No 20Ш21ХШ. amounced on 05/24/7016 publislvd orOVI///OWItv»Mn U-6p 35 (jpluIicmrtittinfFr.KH(li«yil.Iii) Wide. MagiwMe)Query 198V п. к ОЛ-55 6 pm (Electronic lewurce). -Arcesimwle https/;rffrjawidci in(ii/i)i*l(-m,iiriltii!oHfKMipaijf-iJuriry (iUr of»«cv, Ю/Й/ИИ) № rtpiral prvntin ofгккз mi miwmli (prtrephpia/ Ceophrw lUfew« Bookiidited by S В Dcunan, ind ed . recrmt ала addfconal M ve-j 19И 455 p ¡7 Vaiko V. Р., Patron А А , Samoilwalo« А. A. .ntr.diu to Ufr inlunlofo -Sl Peteisbunj ITUOResoirb Institute, iOlSlHp

АВТОРЫ

Лурба Данила Еладимирсви-, аспират Оеяералыюе государственное аатмоамое обраюватель«« ^реждечие высшего образован«» •н ,читальный ««иледаителсаий уимерим ИТМО» санкг nereptypi илалшия на»ч«ыи сотрулни«, ООО «Н»учк> пии»вздст»еииое предприятие (омммммтмсм* и лакрисио

□бордаомя««".CAwl-tVrrpSypi Росс«»

0«СЮ ОООМООНМ-ТО

Вклад апсоа планирование и проведение *спери»емчлы*л исследовании, о6»р литератуоы, анали! и описание результатов подготовь стать« ЖурЬавладоыирЫихаилсмч киевапыш* директор 000«к<«чис пин ладтвенное предоиятие взлиюни -сгпныкшиа н лаирною оборчйоыма**, Cjmr-ftrtepSvpi. Po«»" Оинадавтсса КД'-S исследована», сбег ручмояпвогчхия'ом кино далии Гивпомч драмр тем мук профессор. пип>м м«ч««м стрцджак. вентральное государственное ¡»гсмяное обраквлтельное учреждение высшего ори «вач« -Национальный исследовательский университет ИТ МО- Санкт Петербург России Пиыд автора научное р^воцсгви помащ* • лрДОММИв* prviihiarua рциактроалние статьи

Пунша Александр Эдуардович кали ruh »»/> нмапьник научно теинкческого отдела. ООО «научно поимодавенюе предприятие волоконио-оптумесихо* aaiep«a.Yo оборудовании Сани Петербург Рос«»

Вклад автора нагнав «оисултамив. мыошь в редактирэвмии статьи

ИНФОРМАЦИЯ О КОНФЛИКТЕ ИНТЕРЕСОВ

Авторы ыивмют что рсаа^ыи ила пошииааы-ин етифихг «anepeio« между «ими огсутстгуп

AUTHORS

Zhuli.i Darela '/Udimronen pwi^adu«^ ttudrM FKMl ital» Aiilmwnwui Educational imMutionof Higher Ediicalion 1TMO National HbhiIi t*weruty )'. "etersburg, lunioc Reseaidief. UC'StieiHif«: and MaaufKtunng tnterpnse a| Tibrf optic and User tqinsmenr St Printbutfl. Huvia ORCID: 0X9 0001 iBW 17V

TTie juthufcontnbutlon planning and ccnjucting expemienial ^tudin IHeiituie trmw »ualpwand doc»ipi«ir oftheiruiltv cepauKn o((»if artxle

fliuba Vtadrr»! VildiailotKh, Ceneral Drectot, iaewlftc and Uanu^cturins Enterprise of TiberOptK and uwi Esuipmm 51 tytenbuig. ««sia The author s rontnbution the «dea of the study the $entn! manj^omiit of the pfojeci

yviko Vadm PaylonKti. Doaof of Technical Sciences. Pressor, OHif Rrsrarrlie! Fednal Mate AKonomous Educational lo-.lituion of i«<fli« Education "ITMO Naiiooal »esearrh Unnersity" M Petersburg, «usiia TV authors contntnitinn soentlfit ointancr ass«l*nif in presentiraj tr» resulh editing the article

Putsha Alexandei (duaidovicti, Candidate of Tethmcd Soences, Head of the Scientific and Technical Oepannient. Saeaifc ana Production Imitpnse j| fiber Opti' and Laset l^uipment. St Pneisbui). Russia the au'Ciar s contnbutlon scientific advee. austance in editing the ■nkle

INFORMATION ABOUT A CONFLICT OF INTEREST

the auiwr. Kate llut theie is no real a potrtul iDn[kt o| interest wtwen Uiir

Новые компоненты для ИК спектроскопии

• См-тодиоды и фогодиодь.

• Ммо'оаломрмтмые светодиодное и ■{ютодиоднме сборки (матрицы!

< Ф ©

• Сопутствующая электроника

Прои »ведено о России

Преимущества

4 никое «иергопотрсблеике;

/ высокое быстродействие.

•f миниатюрные р«тмеры,

* большой срок служб««

отсутствие иеобкодимости частой пергкалиброики

1000 - 5000 нм

Области применение

гаювиапиэ (детечтироилпиг СН. и др углеводородов. СОЛ; определение содержания воды/ влажности,

яомтропь состава материалов/ продуктов на основе аналии ИК спектров поглощении

A led..

ООО а ЛСД МИИ]ИК*«Л>Р КГ». «Ьпич

г. Сам» Лвпгрбурс. ул Курчатова, д. 10, яит А m4n|M«ntnt 111 Intufhmxt елгп »wwkniHi ni

ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ КОНСТРУКЦИИ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА УГЛЕВОДОРОДОВ

Д.В. ЖУРБА'*,

младший научный сотрудник, аспирант ¡ЫяЬкЬЫШб^т

В.М.ЖУРБА',

генеральный директор

\Miu(ba®yeii<lexiti

А.Э. ПУИША',

к.т.н., начальник научно-исследовательскою отдела

piftfetprww/л/

ООО ■Научно-производственное предприятие волоконно-оптического и лазерного оборудования"

г. Санкт-Петербург, 199034, РФ

-Федеральное государственное авюномное образовательное учреждение высшего образования -Национальный исследовательский университет ИТМО*

г. Санкт-Петербург, 197101, РФ

D.V. ZHURBA' =, V.M.ZHURBA', А.Е. PUIS НА1

Scientific ana production enterprise ot fiber-optic ano laser equipment LLC

St. Petersburg, 199034. Russian Federation

'Federal State Autonomous Educational Institution ot Highet Educalion National Research University ITMO St. Petersburg, 197101, Russian Federation

Рассмотрены направления применения лазерной очистки в топливно-энергетическом комплексе на примере трубопроводного транспорта углеводородов. Представлены предварительные результаты исследования лазерной очистки коррозионных и эксплуатационных отложений с внутренних поверхностей насосно-компрессорных труб и лазерной очистки металлопроката от окалины методом ее термомеханического разрушения с использованием непрерывного волоконного лазера мощностью 2 кВт. На примере исследования лазерного газодинамического напыления показано увеличение эффективности напыления металлических покрытий за счет предварительной лазерной очистки импульсным волоконным лазером средней мощностью 100 Вт. Проведенные исследования показывают эффективность применения лазерной очистки в топливно-энергетическом комплексе.

Ключевые слова: лазерная очистка, трубопроводный транспорт углеводородов, очистка продуктов коррозии, удаление окалины

LASER CLEANING OF SURFACES OF STRUCTURES OF PIPELINE TRANSPORT OF

HYDROCARBONS

The directions ol application of laser cleaning in me fuel arid energy complex on the example ot pipeline transportation of hydrocaibons aie considered. Preliminary results of Itie study of laser cleaning of corrosion and operational deposits from lire Internal surfaces of ритр-сотргевог pipes and laser cleaning of rolled metal from mil scale by its ttiermomechanicaJ destruction using a continuous IDer laser with a power of 2 kW are presented. Using the example of a study ol laser-assisted cold spray, an increase in Die efficiency of sptaying metal coatings due to preliminary laser cleaning with a pulsed fiber laser with an average power of 100 walls is shown The conducted sludies show the effectiveness of laser cleaning in the fuel and energy oomplex.

ВВЕДЕНИЕ

Нефтегазовое оборудование работает с агрессивными средами. Наиболее актуальной проблемой являются процессы коррозионной эрозии поверхности. Элементы трубопроводного транспорта углеводородов подвергаются химической, электрохимической, подземной, биологической и атмосферной коррозии [1-2] Именно поэтому к данному оборудованию предъявляются высокие требования по надежности и долговечности.

Защита металлоконструкций от коррозии - это комплекс мероприятий по антикоррозионной обработке.

включающий в себя рациональное проектирование изделий и механизмов, качественную очистку поверхности от производственных загрязнений, структурирование поверхности, модификацию свойств поверхности (легирование. упрочнение и т.п.) и нанесение антикоррозионных покрытий.

Защитные антикоррозионные покрытия можно разделить на две основные группы: металлические (цинковые, алюминиевые и т.п.) и неметаллические (лакокрасочные покрытия, полимерные термопластичные покрытия и т.п.). Наилучшего результата добиваются при нанесении

на поверхность металлоконструкций металлического покрытия, которое также защищается от окружающей среды неметаллическим покрытием [1-3]. Первым и важным этапом обработки поверхностей является их очистка от оксидных пленок, окалины и органических и неорганических покрытий и загрязнений. От качества очистки поверхности металла зависит результат антикоррозионной обработки

Традиционные технологии очистки стальных поверхностей (химические и механические) являются энергозатратными. недостаточно эффективными, требуют применения расходных материалов, а также обладают множеством других недостатков, из которых наиболее существенным является вредность для окружающей среды, особенно при химических способах [4] При использовании традиционных технологии полное удаление загрязнений, как правило, невозможно без повреждения основного материала.

В данной работе рассматривается инновационный подход для очистки поверхностей стальных конструкций трубопроводного транспорта углеводородов, основанный на применении источников лазерного излучения Так, компанией ООО «НПП ВОЛО» за последние 5 лет были выполнены инициативные исследования по возможности лазерной очистки внутренних поверхностей насосно-компрессорных труб (НКТ) от эксплуатационных загрязнений; слоя солевых отложений, ржавчины, а также от старого защитного покрытия

Кроме того. НПП ВОЛО совместно с Университетом ИТМО проводит исследования по разработке технологии лазерной очистки металлопроката от окалины способом термомеханичоского разрушения

Также приведены результаты исследований по улучшению эффективности холодного газодинамического напыления металлических покрытий при использовании лазерной очистки поверхности подложки с одновременным лазерным подогревом области напыления.

Известно [5-14]. что лазерная очистка уже зарекомендовала себя в реставрационной деятельное™ и в некоторых сферах промышленного применения как безопасный для окружающей среды и удобный в использовании способ удаления различных загрязнений, отличающийся бесконтактностъю, отсутствием расходных материалов и инструментов, низкими эксплуатационными затратами, принципиальной возможностью удалять любые типы загрязнений и рядом других преимуществ, связанных с применением лазерного излучения с высокой плотностью мощности.

В последнее десятилетие наибольшее распространение получила технология лазерной очистки, основанная на испарении материала загрязнения наносекундными (100-200 не) импульсами с высокой плотностью мощности (>10' Вт/см-'). Применение иттербиевых импульсных наносекундных волоконных лазерных источников оправдывается универсальностью воздействия, остросфоку-сированный лазерный пучок позволяет удалить практически любое загрязнение с поверхности большинства материалов. Короткая длительность импульса также позволяет минимизировать воздействие на основной материал в металлах зона термического воздействия и оплавления ограничивается единицами микрон [5-10] Однако использование коротких импульсов для испарения загрязнения оправдывается в случае малой толщины удаляемого слон (1-10 мкм). При толщине

загрязнения порядка 0,1 мм и более, например слоя эпоксидной краски, солевых отложений или слоя ржавчины процесс очистки с использованием лазерных источников с короткой длительностью импульсов оказывается низкопроизводительным

В настоящее время также развивается направление лазерной очистки с использованием непрерывного волоконного лазера высокой средней мощности [11-14]. Непрерывные волоконные лазеры позволяют выполнять очистку с высокой производительностью. Однако при нерациональном выборе параметров воздействия непрерывное лазерное излучение может в значительной степени повреждать поверхность металла и приводить к нежелательным термическим преобразованиям в структуре металла [14]. Поэтому для внедрения лазерной очистки на предприятия топливно-энергетического комплекса необходимо решить две основные задачи: увеличить производительность и энерпоэффективность лазерных комплексов очистки, а также минимизировать повреждение очищаемой поверхности.

1. ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НКТ

1.1. Задачи лазерной очистки НКТ

Очистка внутренней поверхности НКТ от асфаль-тосмолистых веществ, парафинов и всевозможных других отложений, присутствующих в сырой нефти является актуальной задачей для нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих компаний. В процессе эксплуатации НКТ и труб местных нефтепроводов постепенно происходит уменьшение их пропускного сечения и их пропускной способности. Поэтому трубы подлежат периодической замене. Восстановить эксплуатационные свойства бывших в употреблении труб возможно за счет их очистки. Существующие традиционные технологии позволяют эффективно удалить основной слой асфаль-тосмопистых веществ, парафинов и солевых отложений, однако оставшийся относительно тонкий слой обладает высокой адгезией к металлу и механической прочностью Окончательная чистовая снистка внутренней поверхности НКТ и труб нефтепроводов может быть эффективно осуществлена с помощью лазеров.

1.2. Оборудование и образцы

В рамках исследований лазерной очистки внутренней поверхности НКТ от эксплуатационных загрязнений и покрытий был создан лаборэторно-экспериментапь-ный стенд лазерной очистки. Основные технические характеристики стенда приведены в табл. 1.

Табл. t. Характеристики установки лазерной очистки НКТ

Лчцимет Зм'1вми

Скорость линейного перемадения сканирующей готовки 0,1-60 мм/с

Частота вращения сканирующей галоши 60 - 3000 мин

Средняя выкоднао мошюсть лазерного излучателя 2000 Вт

Максимальная дпичз очищаемой трубы 1000 мм

Минимальным внутренним диаметр очищаемой труб« 61 мм

Основными составляющими прокатной окалины являются магнетит и продукт эвтектоидной реакции распада вюстита: смесь магнетита и железа. Также в прокатной окалине может сохраняться некоторое количество вю-стига [15-18] Учитывая структуру окалины и процесс ее формирования, был сделан вывод о возможности разрушения и удаления окалины за счет интенсивного лазерного нагрева ее на всю глубину и интенсивного охлаждения при отведении тепла вглубь ме галла. В процессе нагрева окалины свыше 570 С из механической смеси магнетита и металлического железа формируется вюстит Во время охлаждения при температуре ниже 570 "С вюстит вновь распадается на магнетит и металлическое железо. Высокие градиенты температур при циклах нагрева и охлаждения и различные коэффициенты линейного расширения фаз окалины и стали формируют напряжения в слое окалины [19]. В результате совокупность физико-химических и термомеханических механизмов при лазерном воздействии позволяет разулрочнигь и разрушить исходный слой окалины. Так как температура натрева поверхности стали существенно ниже температуры ее плавления, то повреждение поверхности и формирование новой окалины не происходит [20].

2.3. Результаты экспериментов

Эксперименты выполнялись на листах горячекатаного металлопроката толщиной 2,5.6 и 10 мм. Поверхность данных листов была покрыта тонкой, гладкой, сплошной и твердой прокатной окалиной, толщина которой варьировалась для различных листов от 10 до 30 мкм. Экспериментально установлено, что данная окалина не может быть удалена методом испарения при обработке пучком излучения непрерывного лазера с плотностью мощности до 1000 кВт/см1.

Выполним оценку параметров для прогрева окалины толщиной 15 мкм. Длительность нагрева оценим по глубине термического влияния по формуле (1) [21], которая должна составлять 15 мкм.

( /г 245*10"'

■ 130.4X1,

(1)

1,75*10

где И - глубина термического влияния; и - температуропроводность магнетита, которая определяется по формуле (2)

где А - теплопроводность магнетита; /I - плотность магнетита; с - теплоемкость магнетита (табл. 3).

Табл. 3. Теплофизическио свойства магнетита (22)

(2)

к атм'к Р1«г/«г ., Дмг*

| 53 5170 586.1

По формуле (3) [21] оценим минимальное значение плотности мощности для выполнения термомеханического разупрочнения окалины. Критерием выберем локальное оплавление поверхности окалины, т.е. нагрев поверхности окалины до температуры плавления Г =1597 С [22] При этом принимается приближение равномерного распределения плотности мощности по пятну. Начальная

температура образца принимается равной 20 С Чтобы получить на поверхности окалины плотность мощности, рассчитанную по формуле (3) для лазера мощностью 2 кВт необходимо выбрать пятно диаметра 2,1 мм.

ЯЛкВт1си (3)

При исследовании термомеханическош разрушения были экспериментально найдены параметры лазерного воздействия, приводящие к разупрочнению и разрушению прокатной окалины в твердом фазовом состоянии. без заметного вклада испарения. Переменными параметрами режимов являлись: плотность мощности, длительность воздействия и число циклов воздействий (нагрева и охлаждения). Линейная скорость перемещения центра окружности сканирования устанавливалась так, чтобы за один оборот пятна происходило смещонио окружности на диаметр пятна.

Если в исследуемом режиме достигался эффект удаления окалины, то для него определялось число циклов воздействий и пороговая плотность энергии очистки (плотность энергии от одного воздействия, умноженная на число воздействий), необходимые для удаления окалины. Пороговая плотность энергии очистки является критерием эффективности исследуемого режима, чем она ниже, тем эффективнее данный режим и, соответственно, выше его производительность.

Критерием разупрочнения и разрушения окалины считалось появление трещин на ее поверхности, фрагментация и отслоение фрагментов окалины. При этом внешний вид поверхности менялся с глянцевого (у исходной окалины) на матовый (у разрушенной)

В результате проведенных экспериментов была получена область режимов обработки, при которых реализовывался механизм разрушения окалины. Получен следующий диапазон основных параметров лазерного воздействия при очистке листов проката толщиной 5 мм длительности воздействия 400-80 мкс при выборе плотности мощности из диапазона 50250 кВт/см'. На рис 2 приведен график зависимости плотности энергии очистки (от всех воздействий) от длительности однократного воздействия.

Зависимость суммарной плотности анергии удаления окалины от длительности воздействий при заданной плотности мощности

■ нчлт/шч • 250l.Br/c»";

Рис. 2. Зависимость пороговой плотности энергии разрушении окалины от длительности воздействия при заданной плотности мощности

Рис. 3. Результат комбинированной обработки непрерывным (шаг 1) и импульсным лазерами (шаг 2)

Окончательная очистка выполнялась лазерным (рис. 3), механическим и химическим воздействием. В первом случае очистка от остаточного слоя окалины выполнялась с помощью импульсного волоконного лазера с длительностью импульсов 100 не в режиме испарения и сублимации окалины Для лазерного испарения импульсами длительностью 100 не пороговая плотность энергии чистовой очистки составляет всего - 20 Дж/см'.

При механической очистке использовалась обработка металлической щеткой и абразивным лепестковым кругам. В качестве химического метода окончательной очистки выполнялось травление в лимонной кислоте. Во всех описанных случаях окончательная очистка выполнялась в несколько раз быстрее, чем очистка данными способами исходной окалины, что подтверждает правильность выбранной стратегии предварительного лазерного разупрочнения и разрушения исходной окалины перед дополнительным воздействием с целью полной очистки металлопроката от окалины.

Низкотемпературное воздействие на первом этапе обработки и минимальное, либо полное отсутствие теплового воздействия на этапе окончательной очистки позволили сохранить исходную структуру стали, а также избежать термической деформации и коробления очищаемых листов металлопроката. Производительность процесса очистки, полученная в экспериментах, зависела от свойств окалины на очищаемом образце. Очистка листов толщиной 5 мм выполнялась с производительностью 4,5 м-'/ч

Полученные результаты имеют высокую практическую значимость. Была обоснована возможность удаления прокатной окалины толщиной около 10-30 мкм. состоящей в основном из магнетита, с помощью излучения непрерывного волоконного лазера Вместо испарения было предложено удалять окалину в твердом фазовом состоянии за счет термомеханического разрушения. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили возможность практической реализации данного подхода к очистке металлопроката от окалины.

3. ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ НАПЫЛЕНИИ

3.1. Задачи лазерной очистки при лазерном газодинамическом напылении

Один из основных способов защиты рабочих поверхностей элементов трубопроводного транспорта углеводородов - нанесение металлических покрытий При создании защитных металлических покрытий необходимо обеспечить качественную очистку поверхности стальной подложки. Сразу после удаления основных слоев загрязнений. окалины, слоя солевых отложений, ржавчины, старых покрытий, нефтепродуктов и тп. очищенная поверхность начинает адсорбировать газообразные

Полученные результаты имеют высокую практическую значимость. Была обоснована возможность удаления прокатной окалины толщиной около 10-ЗО мкм, состоящей в основном из магнетита с помощью излучения непрерывного волоконного лазера. Вместо испарения было предложено удалять окагину в твердом фазовом состоянии за счет термомеханического разрушения. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили возможность практической реализации данного подхода к очистке металлопроката от окалины.

загрязнения, влагу, на нее оседает пыль, при повышенной влажности происходит атмосферная коррозия стали. Поэтому необходимо минимизировать временную задержку между процессом очистки и нанесением защитного покрытия. Лазерная очистка с помощью импульсного волоконного лазера может быть использована непосредственно перед нанесением покрытия.

Для исследования лазерного газодинамического напыления металлических покрытий на поверхность сталей был разработан экспериментальный стенд. Сущность лазерного газодинамического напыления состоит в использовании лазерного нагрева области напыления для увеличения эффективности напыления металлического порошка и улучшения качества получаемого покрытия [24. 25]. Напыление происходит при соударении металлических частиц со стальной подложкой. Частицы разгоняются в сверхзвуковом воздушном потоке. При ударе о поверхность подложки часть кинетической энергии частицы переходит в нагрев и деформацию частицы и подложки. За время контакта частиц с подложкой успевают сформироваться адгезионные связи, которые приводят к закреплению частиц и наращиванию покрытия [26] Лазерный подогрев области напыления снижает пороговую скорость частиц, необходимую для закрепления, в результате этого увеличивается число закрепляющихся частиц и сила адгезионных связей. Лазерная очистка области напыления непосредственно перед напылением также повышает эффективность напыления и устраняет дефекты покрытия на границе с подложкой.

3.2. Результаты экспериментов

Очистка поверхности стального образца выполнялась иттербиевым импульсным волоконным лазером с максимальной средней мощностью 100 Вт при сканировании поверхности по быстрой координате гальваносканером и при сканировании по медленной координате за счет линейного перемещении образца. Был подобран следующий режим обработки:

• энергия в импульсе - 0,25 мДж;

• диаметр пятна в фокусе - 90 мкм:

• частота следования импульоов - 200 кГц;

• частота развертки лазерного пучка - 200 Гц.

В данном режиме обработка может выполняться с производительностью более 3 м-'/ч. Реализуется чистовая очистка поверхности образцов, поверхность получалась свободной от различных загрязнений с упорядоченной микроструктурой.

В экспериментах по напылению цинковых покрытий установлено, что лазерная очистка поверхности подложки позволяет увеличить коэффициент использования порошка. Для неочищенной поверхности коэффициент использования порошка составил 11,5 %, а для очищенной- 18.9%. т.е. увеличился в 1,6 раз. Лазерный нагрев очищенной поверхности при напылении привел к дополнительному увеличению коэффициента использования порошка до 20,4 %. Коэффициент использования медного порошка при напылении на очищенную поверхность без лазерного нагрева составил 14,2 % и при напылении с лазерным нагревом - 21,8 %, т е увеличился в 1,5 раза

Толщина напыляемых покрытий составляла 50300 мкм. Цинковые покрытия такой толщины эффективно защищают сталь от коррозии. Проведенные эксперименты показали, что применение лазерного излучения совместно с холодным газодинамическим напылением позволяет улучшить качество покрытий и увеличить коэффициент использования напыляемого порошка.

В экспериментах по напылению цинковых покрытий установлено что лазерная очистка поверхности подложки позволяет увеличить коэффициент использования порошка Для неочищенной поверхности коэффициент использования порошка составил 1 1,5 ЧЬ, а дгга очищенной - 18,9 ЧЬ, т.е. увеличился в 1.6 раз. Лазерный нагрев очищенной поверхности при напылении привел к дополнительному увеличению коэффициента использования порошка до 20.4 ЧЬ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнен ряд перспективных исследований по лазерной очистке и разработаны образцы новой лазерной техники. Полученные результаты являются значимым научно-техническим заделом в области лазерной очистки металлических поверхностей и актуальны для использования в топливно-энергетическом комплексе России. Внедрение предложенных направлений лазерной очистки на производственные и сервисные предприятия позволит выпускать высококачественное и надежное оборудование и элементы конструкций трубопроводного транспорта углеводородов.

Лазерная очистка внутренних поверхностей НКТ от коррозионных слоев слоев солевых отложений и старых защитных покрытий с последующим лазерным газодинамическим нанесением металлических защитных покрытий позволяет восстановить эксплуатационные свойства бывших в использовании труб.

Внедрение технологии лазерной очистки поверхности металлопроката совместно с лазерным газодинамическим напылением защитных покрытий позволит выпускать трубы и металлоконструкции высокого качества с увеличенным сроком службы и сократит расходы на их эксплуатацию

Продолжая исследования в области лазерной очистки металлических поверхностей, ООО «НПП ВОЛО» приглашает к сотрудничеству заинтересованные предприятия и научные коллективы.

Литература

1. Коррозия. Справочник. / Под ред. Л.Л. Шраера, перевод В С Синявского. - М Металлургия, - 1981. - 632 о.

2. Коррозия и окисление металлов [Текст|: (Теорет. основы и их лракт. приложение): Пер. с англ. / Под ред. д-ра хим. Наук, проф И.Л. Розенфельда. - Москва: Машгиэ. - 1962, -856 е.: ил.. 27 см.

3. Розенфельд И.Л Зашита металлов от коррозии лакокрасочными покрытиями I И.Л Розенфельд, ш.И Рубинштейн, К.А. Жигалова. - М . Химия, - 1987. - 222 с.

4. Wang. Xiaochen & Ai, Rui A Yang. Ouan 4 Wang. Shang & Zhang, Nfcnjie & Meng, Yingytng & Ma, Xianghong (2020) Effect of oxide scale structure on shot-blasting ol hot-rolled strip steel. PeeiJ Materials Science. 2. e9.10 7717/peer|-mntsci.9

5. Журоа B.M.. Волков M.B., Орлов Н.Л.. Пуиша А.Э. Инновационные технологии лазерной обработки металлов, направленные на улучшение свойств поверхности // Главный механик. - 2020. Ns 2.

6. Веико В.П.. Мутин Т.Ю., Смирнов В.Н , Шахно Е.А., 6а-тище С.А. Лазерная очистка поверхностей металлов: физические процессы и применение II Изв. вузов. Приборостроение. - 2008 -Т 51. - № 4. - С. 30-36.

7 LI, X & Huang, Т. 8 Chong. A.W. 4 Zhou, R 8 Choo. Ys & Hong, M. Laser cleaning of steel structure surface lor paint removal and repaint adhesion II Guangdlan Gongcheng/Opto-Electronic Engineering. - 2017, 44 (3). 340-344.

8. Kayahan, Ersin & Candari. Levant & Aras, M. & Gundogdu, Ozcan. Surface Cleaning of Metals Using Low Power Fiber Lasers // Acta Physica Polonica A. 2010. 134. 371-373.

9. Lu, У; Yang, L„ Wang. Y; Chen. H.; Guo. В.; Tian, Z Paint Removal on the 5A06 Aluminum Alloy Using a Continuous Wave Fiber Laser. Coatings. 2019, 9. 488.

to. Kravchenko. Ya & Klimentov, Sergey 4 Derzhavin, S. & Mamonov, D 8 Karpov, N 8 Mayorov. A (2020). Optimization of laser cleaning conditions using multimode short-pulse radiation. Optical and Quantum Electronics 52.10.1007/s11082-020-02399-1

11. Sun. X.. Yu. Q„ Bai. X.. Jin, G.. Cai, J.: Yuan. B. Substrate Cleaning Threshold for Various Coaled AI Alloys Using a Continuous-Wave Laser. Photonics 2021. 8, 395. floi: 10.3390/ photonic S8090395.

12. G. X. Chen, T J. Kwee. K. P. Tan, Y. S. Choo, M. H. Hong. High-Power Fibre Laser Cleaning for Green Shipbuilding //Journal ol Laser Micro / Nanoengineenng 2012. 7. 249-253

13. Deschenes JM,, Fraser A. (2020) Empirical Study of Laser Cleaning ol Rust, Paint, and Mill Scale from Steel Surface. In Lee J., Wagstaf) S., LambotteG., Allanore A .Tesfaye F (eds) Materials Processing Fundamentals 2020 The Minerals, Metals & Matenals Series. Springer. Cham.

14 Zhuang, Shusen & Kainuma, Shlgenohu 4 Yang, Muye 4 Haraguchi, Manabu 4 Asano, Takahiro. (2021). Characterizing corrosion properties of carbon sleel allected by high-power laser cleaning Construction and Building Materials. 274. 122085 10.101 b|.conbuildmat.2020.122085.

15. Chen, Rex 8 Yuen, W. (2002). Oxidation ol Low-Carbon, Low-Silicon Mild Steel at450-900C Under Conditions Relevant to Hoi-Strip Processing. Oxidation ol Metals. 57. 53-79. 10.1023/A: 1013390628475.

16. Chen. Rex & Yeun. W.Y.D.. (2003) Review ol the High-Temperature Oxidation ol Iron and Carton Steels in Air or Oxygen. Oxidation ol Metals. 59. 433-168.10.1023/A:1023685905159.

17 Тепляков Ю,Н. Распад вюстита, входящего в состав окалины // Вестник ЮУрГУ Серия: Химия. - 2009. -№ 23 (156).

18. Naipinij, Sun & Sukieum. Sasapan & Namprai, Ravinupha & Nilsonthi. Thanasak. (2022). Formation ol thermal oxide scale and Its adhesion lo hot-rolled low carbon sleels with different final strip thicknesses. E3S Web of Conferences. 355. 02008. 10.1051/ e3sconf/202235502008.

19. A. c. 1819908 СССР, МПК C21D 1/82, B21B 45/04. Способ очистки металлопроката от окалины / Вакула Л.А. - № 4942792, заявл. 1991.04.23; опубл. 1993.06.07- 5 с.

20. Журба Д.В. Исследование физических механизмов лазерной очистки поверхности горячекатаного металлопроката от окалины при воздействии непрерывного лазерного излучения с длиной волны 1.06 мкм // Сборник трудов XI Конгресса молодых ученых (Санкт-Петербург. 4-8 апреля 2022 г.) -2022.-Т. 2.-С. 231-233.

21. Веико В.П., Шахно Е.А. Лазерные технологии в задачах и примерах: уч. лос. - СПб: Университет ИТМО. - 2014, -88 с.

22. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика / под ред. Н.Б. Дорт-ман, - 2-е изд.. перераб. и доп. - М.: Недра, - 1984,-455 с,

23. Optical constants of Fe304 (lron(ll,lll) oxide, Magnetite) Querry 1985: n,k 0.21-55.6 um |Электронный pecypc|. - Режим доступа; https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=Fe304&p age-Querry (дата обращения: 29.03.2023).

24. E О. Olakanmi. Laser-Assisted Cold-Sprayed Corrosion-and Wear-Resislanl Coatings: A Review I E.O. Olakanmi and M. Doyoyo //J. Therm. Spray Technol. - 2014, - 23(5), - p. 765-785.

25. Hell Koivuluoto. Structures and Properties of LaserAssisted Cold-Sprayed Aluminum Coatings / Heli Koivuluoto. Andrea Milanti, Giovanni Bolelli, Jyrki Latokartano, Francesco Мала, Giovanni Pulci, Jorma Vlhinen, Luca Lusvarghi, Peiri Vuoristo // Materials Science Forum. - 2016, - 879, p 984-989.

26. Управление эрозионно-адгезионным переходом при ХГН: автореферат дис. .. доктора физико-математических наук: 01.02.05 / Клинков С.В (Место защиты. Ин-т теорет и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН). - Новосибирск. 2013, - 30 с.

References

1. Corrosion Diiectory. / Ed. L.L Shraor. translated liy V.S. Sin yavsky - Moscow Metallurgy Publ - 1981 - P 632.

2. Corrosion and oxidation of metals: (Theoretical foundations and then practical application i. ТгапзI. from English. / Ed. dr. cnem. Sciences, prof I.L, flosentein - Moscow Mashgi? Pulil, - 1962, -p 85S.

3. Rasenfeld I.L Protection ol metals irom nonosion by paint and varnish coalings ' l,L Rnsenfeki, F.I Rubinstein, К A. Zhiga lova, -Moscow: Chemistry Publ,, - 1887.-p. 222

4 Wang, Xlaochen S Ai Rul & Vhng, Quan 4 Wang, Shang 4 Zhang, Ykn|ie & Meng, Vingying & Ma, Xianghong (2020) Effect of oxide scale structure on shot-blasting olhcl rolled strip steel. Peer J Materials Science. 2e9. 10.77l//peerj-malsci,9.

i.ZliurbaVM VolkuvM V. Orlov N.L., Pulslia A,E. Innuvalive technologies lor laser processing ol metals aimed at Improving the properties of the surface // Chiet mechanic - 2020 - No. 2.

6 YBiko V.R. Miitin T.Yu,, Smrrov V.N. SliakhniiE.A Balish-nhe S.A. Laser cleaning of metal surtaxes; physical processes and applications livesiiaol universities. Instrumentation.-2008 -Vol 51, -no 4 - Pp 30-36

7. LI, X. & Huang, T. & Chong, A.W, A Zhou, R. & Choo. Y.s & Hong, M. Laser cleaning ol steel stnjctuiB surface lorpainl removal mid rapaim adhesion II Guanydian Gotignheng/Opfo-EteRlioiiic Engineering - 2017, «4(3). 340-344.

8. Kayanan, Ersin & Canaan, Levant & Atas M. & Gundogdu. Огсап Sin lace Cleaning ol Metals Using Low Power Flbei Lasers II Acta Physica Polortiaa A. -20I8.-Pp 134 371-373

9 Lu. Y Yang, L : Wang. Y Chen. H Guo. B , Tlan, Z Paint Removal on the 5A06 Aluminum Aflfly Using a Continuous Wave Fiber Laser. Coatings. - 2019. 0, 488

10 Kravchenko, Yb & Klimentw Sergey 6 Derzhavin, S & Mamtmov, D. & Karpov, N. & Mayorov A. (2020). Optimization ol laser cleaning cuirdillons using inulttmode short-pulse radiation Optical and Ousntum Electronics. 52.l0.1007/s11oa2-020-02396-1.

11. Sun, X , Yij O , Bai, X„ Jin, G., Cai, ,l„ Yuan B. Sutisiraie Cleaning Threshold for Various Coaled AI Alloys Using a Continuous-Wave Laser Photonics 2021 8. 395. dol: 10.3390/pliolon-Ics8090395

12 G X. Chen. T. J. Kwee. K. P. Tan.Y. S. Choo. M. M. Hong. High-Power Fibre Laser Clertning lor Green Shipbuilding//Journal of Laser Micro / Nanoengmeermg - 2012. 7 249-253.

13. Desch^nes JM. Frasei A. 12020) Empirical Study of Lasei Cleaning of Run. Paint, and MHI Scale tmm Steel Surface. In Lee J , Wagstaff S., Lambotte G , Allanore A., Testaye F. (eds) Materials Piocessing Fundamentals 2020 The Minerals Metals & Mnlenals Series. Springer. Cham.

14. Zhuang, Stiusen & Kairtuma. Shigenobu K Yang Muye & Haiagur.lTI. Manabu & Asano, TaJiahiro. (2021). Cliaradun2-mg corrosion orooerues of carbon steel affected bv nign-cower laser cleaning Conslruclion and Building Matenets 274 122085 10,1016/1 conbulldm«1.2020 122085.

15. Chen Rex & Yuen. W. |2u02i. Oxiaaiion of Lciw-Camoii, Low-SiHron Mild Steel at 450-900~C Under Conditions Relevant lo Hoi Strip Processing Oxidation of Melals 57 53-79 10,1023/A. 1013390628475.

18. Chan. Rex S Yeun W YD. (2U03) Review of the High-Temperature Oxidation of iron and Caiuon Steels in Air or Oxygen. Oxi-dallon of Metals. 69 433-468 10.1023/A;1023885905159

17 Teplyakov Yu.N Decay ol woslile, which Is part ol the scale II Bulletin of trie South Ural State University. Series. Chemistry: -2009 - No 23(156)

18. Naipinii, Sun & Sukieum. Sasapan « Namprai, Raylnupha & Nllsontlit Thanasak. (2022) Fnnnallon of thermal oxide scale and its adl lesion to not-rolled low carbon steels with dlffere/il final strip thicknesses, E3S Web ol Conferences, 355.02006.10.1051/ e3sconf/202235502008

19 A, s. 1619908 USSR, IPC C21D 1/82, B21Q 45.-04. Method for r;leanlng matal-iou from scale / Vaknla L A - No. 4942792, claim. 1991 04 23; publ. 1993.06 07- P. 5.

20 Zhuibs D.V Study ui the physical mechanisms of lasei cleaning ol the surface ol hot-rolled metal from scale under the inlluenre of continuous laser radiation with a wavelength of 1.06 rim // Proceedings ol the XI Congress ol Vuung Scientists (St. Peters burg, Aprll4-8. 2022/. -2022 Vol. 2. - Pp. 231 233.

21 Veiko VP, Shakhno E A Laser technologies in lasks and examples. HjIoiibI - Si. Petersburg ITMO University. - 2014 -0 88

22. Physical properties ol racks and minerals (pefrophysics) Handbook of gaophyf.lcs / eddllor M B Dorlman, 2nd eddlllon revised, and additional. - Moscow. Nedra Publ.. -1904. - p. 455.

23 Optical constants of Fe304 (Iron(ll.tll) oxide. Magnelite) Ouerry 1985 n,k 0 21-55.6 pm Available at' tillps//relractiveln' dex.into/?shalf=main&book=Fe3046p3ge=Querry (accessed 03/29/2023)

24. E.O. Olakanmi, Lasei-Assisted Cold-Sprayed Corrosion-and Weai-Resistant Coalings. A Review IE Q Olakanmi and M Doyoyo II,/ Therm Spray Technol. - 2014. - 23(5). - Pp. 765-785.

25. Hell Koivuluoto Structures and Properties of Laser-Assisted Cold-Sprayed Aluminum Coatings / Hell Koivuluoto, Andrea Milanti, Giovanni Bolelli. Jyifcl Latokartano, Francesco Maria, Giovanni Pulci, Jorma Vihinan, Luc« Lusvarghi, Petri Vuurislo H Mmeilal/i Science Forum. - 2016. - 879 Pp. 984-989.

26. Management of the erosion-adhesion transition in CGN: Abstract of the thesis . Doctor ol Physical and MathemalluaJ Sciences: 0t.U2.051 Kllnkov S V. |Piace ol proieclion Institute of tne-ory. and Applied Mechanics named attei S.A. Khnslianovtch 3B RAS1 - Novosibirsk, - 2013, - p 30 ■

МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE

Ординальная статья I Original anide

УДК в21 791.947 2:539,4

hnps://doi.org/10.2ie69/2223-152B-2Q24-14-2-8-21 [ЩВИИ1

Поверхностное микроструктурирование горячекатаных углеродистых конструкционных сталей при комплексном воздействии лазерным излучением

И. В Минаев1. С. Н. Кутепов23, Я С. Клементьев^, Д. В. Журба1, И. В. Голышев'

' ООО Научно-производственное предприятие «Телар" Городской переулок, д. 39. г. Тупа 300Q26. Российская Федеоацмя

• Тульским государством-«* педагогический университет им Л H Толстого пр Панина д 125 г Тула 30026, Российская Федерация

Национальный исследовательский университет ИТМО

пр Кроипорксм« д <tfi г. Санкт-Петербург 197101, Российская Федерация

" ечпла; tHdiipovandJtyaniiMX iu Резюме

Цепью работы яелялосо илу««* влияния режимов лазерного микр<зслюуктурирования рем на из-

менение структуры и механических свойств поверхностною с поя детвпеО изаотовленно" из ворячекета-ныч конструкционным углеродисты» сталей мерок 20, 33, J5

Методы. В качестве объектов исследования Ныли выбраны «онспрукшо«%if yenepaiucmtfe стали чарок 20 35, 45. Дгтя исследования влиянья лазерном /.юдифииироегни" на изменение структур* и межаночвсл/> свойств деталей машин с использованием лазерной резки Выпи изготслпены специальные обр«т«в> в виде квадратных пластин 135*35 м«,1 толщиной 2 ми (Ст20 и CmiSl и J ми (Ст35/ После лазерной резни пс режимам одну из сторон образца подвергли механическому шлифованию с цапаю удалений слоя с ¡/менян-ной структурой лолучалчоео в оде лазерного рас кров материала Далее с использование*! непрерывного волоконного лазере проводит/ лазерное микроструктурировенив поверхностей сбоозирс Для итуиениа влияния лазерного микросшоуктурирования на изменения структура/ и свойств повергностноео ело* проводили метлтагрефичвете и дкзрсмвтри^ес^е исследования

Результаты Выявлена! за*ъномер#осепи строения jcwei лазерного «ojóeücmiTUB конструкционных углеродистых сталей после пшзврного мияроструктурировения. которая состоит из двуч слоев нетршвещийся (сла6отравяыий^я\ белый слои' представляющий собой мелкодисперсный мартенсит игольчатого строенья и «eroqpedcmeenrio слес^ чмАвс за ним зо*>з теодшнеского алиями» «отopa» в зависимости от содеожа-пия углероде в степи имеет различную структуру: ферритно-пеомтыую мартенситwye, троостома/у тенситную мартенсигпно-перлитную Установлено, что лазерное мшроструктурироввние предварительно отшпифоаенной поверхности в ряде случаев приводит » увеличения значений мигро/поердости ч протяженности зоны лазерного воздействия что м«о*ет быть связано с увеличением гкглсша'ошви способности материала отшлифованной поверхности и. соответственно, уменьшением вес отражающей способности.

t Минаев II В , К\теП'т» С И , Мнешься Д. С . ЖурЛ* Д В Гочмще» II В ЛШ_

Или«:тив Юго-Заодною 'ооударстиииою унимирси и та Сории ГеНИМа * ivn^iormt ' Proceeding* о( The Sojmwost Slate (inrveiaiy Ser-e* Engineering and T»:i\nologiei 202't T4|2) ft-21

Минам И В , К/топов С И Кпимонгмм» Д С идо 1Ъяерхностнсв мифос1руктур«ч(к«лмие горячокягано« Ч Заключение Полученные рез/латагп» мшут бртть использована/ при создании ресурсосберегающим про иессоо обработки ыатариапоа

Ключевые слова: лазерная разка лазерное иипроструктурирование, зона лазерного воздействия: белый слой зспа териииесмосо влияния; иикротеврдость

Конфликт интересов; Авторы декларируют! отсутствие явных и поНШщиальныЯ конфликтов интересов. связанных с публикаиией настоящей статьи

Для цитирования: Пимюхяэстиол микроструктуририваим« (ирсм» .ганы. упшрцщ»сп*« хочетружииоммы» статей три комплексном воздействий лазерным излучением / И В. Минаев, С Н Кутепов Д. С. Клементьев. Д. В. Жусба. И В Гопь-аяв II Извести Юго-Западного государственного университета. Серия Техника и текно-пол» 2П24 I 14,1*2 С. В-21 Мф«;«010тдг1а21а№ 2223-1528-2024-14-2.8-21

/(полупило едвйеящм 01 IXХ'М ЧпСтиса^впвиатьО! <А102* Ступтнована ! 20И

Surface microstructuring of hot-rolled carbon structural steels under complex exposure to laser radiation

Igor V Minaev', Sergey N Kutepov"8, Denis S. Klementyev', Danila V. Zhurba\ Ivan V. Golyshev1

COO Snentinc and Production Enterpnse "Telnr"

38 ary Uno. Tula 300026 Riaslao Foduiaiion

Tul/> Stale Pad.v3gli.al Unft>««ity narn>d attor I N Tolswoy

125 Lenin Ave Tula 30026. Russian FederaBon

fTMO National Resesrcn Urweraity

•19 Kronverksky Ave., lit A. St Petersburg 197101. Russian Federation

e-maJ *ulHpnvsniajy«nde* «<

Abstract

The purpose of the ivertr »as tc sfutfy the effect cf laser mioostnjctunng modes of the cuttirg edge on charges mths structure ano mechanical properties of the surface layer of parts made of hot-toUed Structural carbon sleets grtnet 20 35 45

Methods. Structural carbon sloe's of graoas 20 35 45 were selected as otyecls of ¡»search To study effect of iaser modification on ¿hanging tne structure and mechanical properties of machine parts using laser cutting, special samples were made m the form of square plates 35 »35 mm) with a thickness of 2 mm (SIX and S>45/ and 4 mm lSt35i After laser cutting according to trie modes, one of the sides of the sample ivss subjected to mechanical grinding in order to mmov* a layer with a modified structure of the material obtained dunng laser cutting Next, laser mcrosHuc-tuhng of the sample surfaces »as performed using a continuous fiber laser Metatiographic and durometrrc studies iv ere carried out to study the effect of laser micrcsrucfirnng on changes m the slrjcture and properties of the surface layer

Results The negulanfies of the stiucture of the zone of1aser action of stveturai carbon steels after laser rn.icrostrjc-turmg hay» been revealed, which consists of /wo layers a no" -etching <slightly efchingl white layer, which u a <Wv tispersea in»rt»nWf» o' • needle ztnjcture and immediately toHowing it e tone of thermel influence on t*e carbon content in the iteel has e Otfrenl structure '»mte-pearute martenslbc, tmosfomartensitic. merfensltic-pea'Mx It has been established that laser mkrostmdunng of a pra-polished surface m some cases leads to an increase m the values o' micnohe'oneas and the length of the laser exposura ram which may be associated n\th an ■rtcntasein Iht absatphen capec.fy ol th> r^et^jl at thv od/shed surface and accordingly a decrease in Us refteebidt,-Conclusion. Pi« results obtained can he used m the creation of msourtassaying meteeiei processing processes

Keywords: laser cutfAng; laser microstructunng, laser exposure tone, while layer: thermal influence zone microhard-ness.

Conflict of ¡merest: The authors declare the absence of obvious and potential conflicts of interest related to the publication of this article.

For citation: Minaev I.V., Kutepov S N Wementyev D.S., Zhurba DV, Gctyshev I.V. Surface microstructunng of hotroiled carton structural steels under complex exposure to laser radiation tzvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstven-nogo urvversiteta. Senya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University Series: Engineering and Technologies 2024.14(2) 8-21 (In Rusj ) hrtpsV/doi org/10 21869/ 2223-1528-2024-14-2-8-21

Received Ot 04 2024

Accepted 07 06 2024

PuUisheO 17 06 2024

Введение

Лазер п лазерные технологии являются перспективными методами получения и обработки изделий различного на1начения. в свяли с чем они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности [1].

Одной из актуальных задач современного металловедения и термической обработки металлов п сплавов является исследование в области воздействия .лазерного излучения как при газолазерной речке деталей in металлических сплавов, так и при лазерном неразрушающем воздействии на поверхность металлов и сплавов, влияющем на изменение микроструктуры и свойств облучаемых поверхностей [1]. В обоих случаях эти процессы (лазерная резка, микроструктурированнс) характерны высокой скоростью нагренания (от 10* до 106 градусов в секунду) и высокой скоростью охлаждения (10s градусов в секунду и более) облучаемой детали за счет скорости потока квантовых частиц излучения лазера (~3 10* м/с) [2; 3].

Главное достоинство технологии лазерного мнкроструктурнрования (наряду с общими достоинствами лазерных технологий обрабош! материалов) [4; 5): локальность обработки, возможность обработки труднодоступных участков, химическая чистота, контролируемость толщины обработки, минимальная финишная доводка (или ее отсутствие), возможность

дистанционного контроля и автоматизация процесса, матая пористость созданного поверхностного слоя, минимальное коробление обрабатываемого изделия, высокая производительность процесса [6]. высокая работоспособность созданною поверхностного слоя, существенное (в 2-5 раз) увеличение ресурса обработанных изделии [7: 8]. Однако в настоящее время имеется незначительное число работ |9; 10], посвященных исследованию изменений структуры |11| и свойств деталей машин после такой обработки [12: 13].

Целью роботы являлось изучение влияния режимов лазерного микроструктурирования кромки реза на изменение структуры и механических свойств поверхностною слоя деталей, изготовленных из горячекатаных конструкционных углеродистых сталей марок 20,35,45.

Материалы и методы

В качестве объектов исследования были выбраны конструкционные углеродистые стали марок 20. 35. 45. Для исследования влияния лазерного мнкроструктурнрования на изменение структуры и механических свойств деталей машин с использованием лазерной резки были изготовлены специальные образцы (рнс. 1, а) в виде квадратных пластин (35x35 мы) толщиной 2мм(С'т20 и С'т45) и 4 мм (Ст35). Резку осуществляли применением

Известия Юго-Западного государстве*««™ университета Серия Гехиика и технологии I Proceedings of the Soutfwrest State University. Senes: Engineering and Technologies 2024; 14^1): 8-21

М»см>И В. KytetwaC.H KfwMOHTweil С. идо Пияврхностьос миюаспауктур*ри«онио горячвотамых II

ВОЛОКОННОГО непрерывного талера, сНао-женного omuictKini готовкой ЭНН) 119 производства НТО «ИР'> Полос». В качестве вспомогательного газа использовали кислород, После лазерной релки порезки мам, представленным в таблице I. одну из

сторон (сторона 4| подвергли механическому шлифованию с целью удаления слоя с измененной структурой получае мого в холе лазерного раскроя материала 114; 15].

— А

Сторона 1

Сторона J ~äf

о

Ö)

Рис. 1. Образец для исследования: а - вид сверху б - вид сбоку;

А - начлип на хромм» рвзл поело пааормого микростоуктурирования

Fig, 1. Sample for hip a - 1op view. 4 side view

A - natttenmg on trio cuf edge alter laset modiltoabon

Таблица 1. Речапмы паэернгаи peaai образцов

Table 1. Modes of laser cutting of samples

Марка стали / толщина. мм MouiHocl ь резки. Вт Скорость релкп. мм млн Фокус Диаметр сопла, мм Давление вспомогательного газа (кислорода), атм

Ст20Я 400 2200 в 1 1

Ст354 800 1700 +4 t 1

Ст45/2 500 2000 i-З [ 1

Далее по режимам, представленным в таблице 2, с использованием непрерыв нот о волоконного л ¡пера было проведено лазерное михроептукгурнрозанне поверх ностеп образцов (см. рис. 1. б) исслгдуе мых сталей непосредственно после л тернии резки (стороны I 1) и последующей механической обработки (сторона 4)

Птотиоеп. «лалиики» поверхности кромки речи излучением нмпульспого лазера I вьшосноп элемент на рис. I. б I

обеспечивалась на следующих режимах: скорост». перемещения развертки лупа по к-у 122 мм мин, длительность импульса т = 1 00 кГц, диаметр нятна и.пучения D 411 100 мкм. энергия импульса Е - 1 мДж [II],

Мтткроструклуру OCHOBHOI о метали обритой и зоны лазерной» BotiefiuBUK (ЗЛВ) апилтгшровали до п после травления водным раствором CuSO«J НГ1 - НО на оптнче-ском микроскопе «Альтами MET-1CV.

И'гиветияЮга-Зааадногргосуаарпив'еаоюунивпрстяега Cepwa Тмхника и шхною ни I Proceedings of the Sautbv,est State University Serie* Engine an nq and Technologie» 2024 14(2): 6-21

Таблица 2. Режимы лазерного микроструктурирования образцов Table 2. Modes of laser microstructuring of samples

Параметры лазерной обработки Сторона обработки

12 3 4

Стать 20

Мощность. Вт 1400 1400 1200 1200

Частота колебаний гальваносканатора. Гц 200 200 50 50

Плотность заливки (перекрытие), % 87 87 87 87

Ширина развертки, мм 50 50 50 50

Скорость подачи, мм мни 1000 1000 250 250

Стать 35

Мощность. Вт 1400 1200 1400 | 1200

Частота колебаний гальваносканатора. Гц 200 50 200 50

Плотность заливки (перекрытие), "о 87 87 87 87

Ширина развертка мм 50 50 50 50

Скорость подачи, мм мин 1000 250 1000 250

Стать 45

Мощность. Вт 1400 1400 1200 | 1200

Частота колебашш гальваносканатора Гц 200 200 50 50

Плотность заливки (перекрытие), % 87 87 87 87

Ширина развертки, мм 50 50 50 50

Скорость подачи, мм мин 1000 1000 250 250

Микротвердость по Виккерсу определял в ЗЛВ в соответствии с ГОСТ 299975 с помощью твердомера 1 -V при нагрузке 0.1 Н (Ют) и выдержке под нагрузкой в течение 15 с.

Результаты и их обсуждение

С использованием метагтографнческою анализа установлено, что микроструктура зоны лазерного воздействия образцов после .лазерного мнкроструктурн-ровання преимущественно состоит из двух слоев - негравящегося (слаботравя-щегося) белого слоя и непосредственно следующей за ним зоны термического влияния (ЗТВ).

Структура белого слоя на всех исследуемых сталях представляет собой мелкодис-

персный игольчатой мартен сиг (рис 2) Исключение составляет .лишь образец 1 стали марки Ст20, у которого при исследовании стороны 4. предварительно подвергнутой механическому шлифованию, структура (рис. 3) представляла собой смесь мартенсита с пластинчатым перлитом, Также следует отметить тот факт. что именно на стали Сл20 белый слой имел прерывистую структуру. Данное обстоятельство может быть обусловлено тем фактом, что данная сталь отноагтея к классу малоуглеродистых и в связи с этим обладает низкой закаливаемостью [2; 3], о чем свидетельствуют результаты измерении мнкротвердостн образцов, по сравнению со сталями марок Ст35 и Ст45 (табл. 3).

Известия Юго-Западного государстве*««™ университета Серия Гехиика и технологии/ Proceedings of the Southwest State University. Senes: Engineering and Technologies 2024; 14(2): 8-21

ЬДмм« И В. Кутепош С. Н Клементьев Д С. и др Пов«рх>«остнов мифосгруктугрироааиие гарячаклтаиых 13

в

Рис. I. Структура зоны лазерного воздействия в образцах углеродистых сталей после лазерного микроструктурирования л - Ст20, «200. б - Ст35. «500, в - Ст45, «500

Fig. 2. Structure of the laser exposure zone in carton steel samples after laser microstructunng a - St20 «200; б - SQ5 « 500, В - S145, «500

Рис. 3. Структура зоны лазерного воздействия в предварительно отшлифованном образце 1 углеродистой стали март» Ст20 после лазерного микроструктурироеания «100

Fig. 3. The structure of the lasei exposure zone in the pre-ground sample 1 of carton steel grade St20 after laser rnir.rostruct'jnng «100

Итиеслия Юго-Западного rocyаарстве««ога университета Серий Техника и технологии I Proceedings of the South v«est State University Series: Engineenng and Technologies 2024; 14(2): 6-21

Таблица 3. Микротвврдость образцов исследуемых сталей после лазерного микроструктурирования в различных зонах

Table 3. Microhardness of the samples of the studied steels after laser moostructuring in various zones

Наименование слоя Мнкротвердость по Впккерсу (HVo.i) но сторонам обработки

1 2 3 4

Сталь 20

Белый сдой:

образец 1 образец 2 — — 282-320 157-340

Зона термического влияния: образец 1 157 194 166-280 169-282

образец 2 156-225 156-225 156-263 423-510

Основной металл:

образец 1 образец 2 140-150 140-150

Сталь 35

Белый слой:

образец 1 образец 2 — — 676-702 387-410 464-545

Зона термического влияния: образец 1 240-400 229-382

образец 2 220-390 — 229-628 -

Основной металл:

образец 1 образец 2 190-220 190-220

Сталь 45

Белый слой:

образец 1 494-510 494-513 759-791 605-791

образец 2 490 510 628 676 527-628 565-824

Зона термического влияния: образец 1 292 464 290 464 312 605

образец 2 294-449 312-565 312-464 -

Основной металл:

образец 1 образец 2 230-290 230-290

Причем одкротвердость стали марки Ст20 после лазерного мнкроструктурирования стали (см. табл. 3) в сравнении с исходной микротвердоетъю структуры 230-280HVo.es [11] непосредственно после лазерной речки существенно не изменяется. за исключением стороны 4 на образце 2, м1гкротвердость которого возросла в 1.8 раза (510 НУол) по сравнению с микротвердостью, полученной в ходе лазерной резки

Зона термическою влияния в стали марки Гт20 представляет собой ферритно-перлнтную смесь. Исключение составляет лишь образец 2, у которого при исследовании стороны 4. предварительно подвергнутой механическому шлифованию, структура представляла собой смесь мартенсита с пластинчатым перлитом. Структура основного металла стали марки Ст20 (рис. 4, а) представляет собой феррит + перлит (пластинчатый).

Известия Юго-Западного государстве!««™ университета Серия Гехника и технологии/ Proceedings of the Southwest State University. Senes: Engineenng and Technologies 2024; 14(2): в-21

КЬмаев И В. Кутвпов С. И . Климеитрия Д С к лр Поверхностное мифоетргуктуририаанио горячалдтамы* .15

Рис. 4, Структура осноеиэп» металла в образцах углеродистых сталей марок. »500 а - Ст20; б - Ст35; в -Ст45

Fig. 4 The structure of the base metal «i carbon steel samples of grades «600 a - St 20; б - St 35:e-St45

Зона термического влияния в стали марки Ст35 преимущественно представок-г собой смесь мар1снсигн с сорбнгооб-разным нерлигом. В целом микротвердость ЗЛВ 1см. табл 3) по значениям не уступает микротвердости образцов непосредственно после лазерной резки <470— 560 1IV»,о»). Но как и для стали марки С120, имеются исключения сторона 3 (образец 2) имеет явные отличия по значениям микротвсрдости как в белом слое (возросла в 1.3 раза (702 HVo.il>. так п в ЗТВ (возросла в 1.1 раза (628 К\0 ,)>. Структура основного металла стали марки Сг35 (рис. 4. б) представляет собой феррит + перлит (пластинчатый).

Зона термического влияния в стали марки Ст45 представляет собой троосто

мартенситиую и мартенептную струк туры, что обусловливает высокую закали-ваемос1ь сталей данного пша и. соответственно. высокие значения микротвсрдости по сравнению с мнкро твердостью. полученной непосредственно после лазер ной резки (45(М70 НУио-> Гак микротвердость белого слоя (см табл М увеличилась в 1.8 раза (824 Н\'<м)для предварительно отшлифованной поверхности и в 1,7 раза (791 Н\'о I) для поверхности в исходном состоянии (лазерная резка). Микротвердость ЗТВ увеличилась в 1 Л-13 раза (565 и 605 Н\7, ]) соответственно. Структура основного металла стали марки Ст45 (см. рис. 4. в) представляет собой трооепп - перлт сорбитообразнын карбиды.

Итвестия Юго-Западнога государственного университета Серия Техника и гехиопоии I Proceedings of the Souhwest State University Series Engine en ng and Technologies 2024; 14(2): 8-21

Анализ результатов изменения протяженности ЗЛВ после лазерного микроструктурирования в сравнешш с протя-жетюстью 'ЗЛВ непосрелственно после

лазерной резки (табл. 4) позволил установить. что в целом протяженность ЗЛВ после повторной лазерной обработки изменяется незначительно.

Таблица 4. Протяженность ЗЛВ в образцах после лазерной резки и лазерного микроструктур* рования Table 4. The extent of the laser exposure zone n samples after laser cutting and laser microstructumg

Режим обработки Протяженность зоны лазерного воздействия, мкм

Ст20 Ст35 С'т45

Лазерная резка 140-150 140-330 80-170

Лазерное микроструктур иравание 80 200 120 350 80 210

Однако имеется ряд исключений, которые наблюдаются на поверхностях образцов. подвергнутых предварительному шлифованию. Так. наиример для стали марки Сг20 протяженность ЗЛВ в образце 2 увеличилась в 1.9 раза по сравнению с исходным состоянием (лазерная резка), а для стали марки Ст45 - в 1,2 раза. Подобное увеличение ЗЛВ на поверхностях. подвергнутых предварительной механической обработке, может быть связано с увеличением поглощающей способности материала отшлифованной поверхности и, соответственно, уменьшением его отражающей способности [16].

Из выше представленных результатов видно, что ЗЛВ переходит в структуру основною металла, не подверженною термическому влиянию лазерного излучения

Сложные физические процессы, протекающие при лазерном микроструктурнрова-ннн в металлической структуре, сопровождаются переносом углерода т глубинных слоев к поверхностным, что подтверждается результатами полуколи чсствсн-ного химического анализа ЗЛВ исследуемых сталей (табл. 5).

Полученные результаты являются общими для всех исследованных марок дозвтекюндных статей. Такое перераспределение углерода и может служить причштой формирования белого слоя и мартенентной структуры даже в малоуглеродистых сталях, приводя к поверхностному упрочнению [17]. что важно при по-лучешш различных деталей машин сложной геометрической формы.

Таблица 5. Полукопичестеенный химический анализ ЗЛВ исследуемых сталей Table 5. Semi-quantitative chemical analysis of the laser exposure zone of the studied steels

Спектр Химический состав, мае. %

С | Мп | Fe

Сталь 45

22 4.21 3,18 92,61

23 4,16 3.04 92,80

24 3.87 2,65 93.49

25 3.48 2.57 93,95

26 4.21 3.89 91,90

27 3.13 3.51 93.36

28 2.32 3.21 44.4S

29 2.01 3.23 94.76

30 2.12 3.35 94.53

Известия Юго-Западного государстве!««™ университета Серия Гехника и технологии/ Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineenng and Technologies 2024; 14(2): B-21

№мш И В Кутепов С. Н., Клементьев Д С и яр Поверхностное мифоструктурирование горячекатаных 17