Peening laserového šoku: inovácia technológie posilňujúceho povrchu z laboratória po priemyselné miesto
Laserová šoková technológia Peening, inovatívny proces známy ako „revolúcia na posilnenie materiálu“, ticho pretvára vysokú - koncovú výrobnú krajinu. Od prvého pohľadu na zmenu mikroštruktúry zliatiny hliníka v americkom laboratóriu až po priemyselnú prax spracovania čepele Boeing 777; Od narodenia prvej linky kontinuálnej výroby impulzov v Číne až po prielom systému posilňujúceho disku s integrálnymi čepeľami, používa okamžitý výbuch vysokého {{{}} napätia na vyrezanie anti - Únava "ochranného štítu" na kovovom povrchu.
Keď sa nanosekundový laserový lúč zráža s kovom, odparovanie a odparovanie vrstvy absorpcie energie je ako mikro výbuch, čo vedie k ultra - vysokotlakový Výber vrstvy obmedzení je ako prispôsobenie - konečný účinok skla a priemyselná adaptácia toku vody, flexibilita čiernej farby, ale ťažko odstránenú a pohodlie hliníkovej fólie sa stáva prvou voľbou. V oblasti numerickej simulácie preplietnutie explicitných a implicitných algoritmov a inovácia modelu vnútorného kmeňa spôsobujú, že optimalizácia procesu sa presúva od „pokusu a chyby“ k „presnému výpočtu“.
Nejde iba o vývoj technológie, ale aj vyhlásenie výrobného priemyslu „spochybniť limit“: ako môže „srdce“ lietadlového motora vydržať desiatky tisíc vplyvu? Ako môže zvar jadrový reaktor vydržať desaťročia tlaku? Môžu biologické implantáty nájsť rovnováhu medzi húževnatosťou a degradáciou? Laserový šok Peening používa silu fotónov na písanie odpovedí na tieto zložité problémy.
Technológia laserového šoku Peening, známa tiež ako laserový záber peening, je nová, efektívna a rýchlo sa rozvíjajúca technológia modifikácie povrchu. V porovnaní s tradičnou technológiou Peening Mechanical Shot Peening môže na povrchu obrobku vytvárať hlbšiu zvyškovú vrstvu tlakového napätia a má silnú ovládateľnosť a dobrú adaptabilitu a dokáže zvládnuť ťažkú - na - rukoväť. V súčasnosti sa táto technológia široko používa v únave - odolnú výrobu, ako sú lopatky leteckých motorov, prevodové stupne a tlakové zvary jadrovej elektrárne. S ďalším poklesom ceny laserového vybavenia sa bude viac používať technológia Peening Laser Shock.
Technológia peeningu laserového šoku sa v inžinierstve široko používa.
V roku 1972 Spojené štáty americké používali vysoký - výkonový laser - vyvolané nárazové vlny na ošetrenie vysokej {{}} zliatiny hliníka po prvýkrát a zistili, že jeho povrchová mikroštruktúra sa zmenila a tonilná sila sa zvýšila o viac ako 30%, čo otvorilo náročný nárazový šokový šok. Koncom osemdesiatych rokov 20. storočia krajiny a regióny ako Európa, Japonsko a Izrael uskutočnili výskum technológie peeningu laserového šoku.
V roku 1995 bola v Spojených štátoch založená prvá spoločnosť na spracovanie laserového šoku na svete. V roku 1997 spoločnosť General Motors použila technológiu spracovania laserového šoku na spracovanie lopatiek ventilátora motorového motora, čím výrazne zlepšila ich toleranciu voči poškodeniu zahraničných predmetov. V roku 2001 spoločnosť American Laser Shock Spracing Technology Company vykonala laserové šokové šokovanie na viac ako 800 motoroch Rolls - Royce. V roku 2004 spoločnosť spolupracovala s laboratóriom letectva USA pri vykonávaní výskumu opravy laserového výstrelu na čepeľoch zliatiny s poškodeným zliatinami motora na F/A - 22 a jeho pevnosť únavy sa zdvojnásobila. V tom istom roku Spojené štáty oficiálne vyhlásili špecifikáciu spracovania laserového šoku a táto technológia sa použila na spracovanie Blade v Boeing 777. V roku 2012 Spojené štáty úspešne vyvinuli mobilné vybavenie laserového šokového spracovania, ktoré môže vstúpiť na priemyselné miesto na poskytovanie služieb v reálnom čase. V roku 2002 Japonská spoločnosť Toshiba Corporation použila malé lasery na spracovanie zvarov, ako sú tlakové nádoby jadrového reaktora a potrubné kĺby na zlepšenie únavovej životnosti častí.
Zahraniční vedci tiež použili technológiu spracovania laserového šoku na posilnenie biomedicínskych kovov a zliatin, zlepšenie tvrdosti, pevnosti výťažku a únavovej životnosti trvalých implantátov a zníženie rýchlosti degradácie degradovateľných implantátov, ako je vápnik -.
Domáci výskum technológie spracovania laserového šoku sa začal v 90. rokoch 20. storočia, hlavne sa zameriava na sériu experimentálnych štúdií a súvisiacich teoretických diskusií o zliatinách a ocelech hliníka. Od roku 1992 Nanjingská univerzita v oblasti letectva a astronautiky spolupracovala s Čínskou univerzitou voči a technike na vykonaní výskumu posilňovania laserového šoku a výroby únavovej odolnosti v oblasti leteckých štruktúrnych častí. V roku 1995 bolo na University of Science and Technology v Číne úspešne vyvinuté prvé zariadenie na posilnenie laserového šoku pre experiment s jedným laserovým šokom v Číne. V roku 2008 Univerzita letectva Engineering University v spojení s Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. a Peking Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., úspešne vyvinuli prvú výrobnú líniu kontinuálneho impulzného laserového šoku. V roku 2011 sa v roku 2011 v Shenyang Institute pre automatizáciu, čínska akadémia vied, úspešne vyvinula zariadenie na posilnenie šoku v oblasti integrálneho čepele a dodala spoločnosť Shenyang Liming Engine Co., Ltd. na použitie.
Mechanizmus a ovplyvňujúce faktory peeningu laserového šoku
When a laser beam with a power density greater than 10⁹W/cm² and a pulse width of nanoseconds irradiates the metal surface, the energy absorption layer absorbs the laser energy and undergoes explosive vaporization and evaporation, generating a high-temperature (>10⁷K) and high-pressure (>1GPA) plazmová vrstva. Laserové šokové peening využíva silnú šokovú vlnu šíriacu sa do materiálu spôsobeného nárazovým zaťažením aplikovaným vysokou - vrstvou tlakovej plazmatickej vrstvy na cieli.
Materiály s obmedzenou vrstvou, ktoré sa v súčasnosti používajú hlavne, zahŕňajú hlavne K9 optické sklo, organické sklo a vrstvu prietoku vody. Vrstva obmedzená skleneným materiálom má najlepší účinok, má však zlú adaptabilitu a zlomí sa, čo je vhodné iba na ošetrenie s jedným laserovým šokom. Všeobecne platí, že vrstva prietoku vody sa používa ako obmedzená vrstva v testoch laserového šoku a priemyselných aplikácií. Má výhody silnej uplatniteľnosti, nízkej ceny, ľahkej prevádzky a nie je potrebné výmenu. S výnimkou malého počtu procesov ošetrenia laserového šoku, ktoré nepoužívajú vrstvy absorpcie energie, väčšina z nich vyžaduje vrstvy absorpcie energie. Bežne používané vrstvy absorpcie energie sú hlavne materiály s nízkym odparovaním, ako je čierna farba, hliníková fólia a čierna páska. Čierna farba má dobrú použiteľnosť a môže sa použiť na ošetrenie drážok drážok, malých dier atď., Po dokončení šoku sa však po dokončení šoku nie je ľahké odstrániť, takže hliníková fólia a čierna páska sa všeobecne používajú ako vrstvy absorpcie energie.
Existuje mnoho faktorov, ktoré ovplyvňujú účinok peeningu laserového šoku, hlavne vlastností materiálu, vrstvy obmedzenia, vrstvy absorpcie energie, parametrov laserového šoku atď. Ak hustota laserového výkonu zostáva nezmenená, čím dlhší je laserová šírka impulzu, čím dlhší čas laserová šoková vlna pôsobí na materiál a tým lepší je účinok ošetrenia laserom. Ak je však šírka laserového impulzu príliš veľká, je veľmi ľahké spôsobiť povrchové popáleniny nárazu materiálu. Letter posilňovacím účinkom sa dá dosiahnuť iba výberom primeranej vrstvy obmedzenia, vrstvy absorpcie energie a laserového šoku podľa vlastností materiálu.
Numerická simulácia numerickej simulácie laserového šoku pomáha získať optimálne parametre procesu pre konkrétne aplikácie a postupne sa stala dôležitým prostriedkom na štúdium peeningu laserového šoku. Domáci a zahraniční vedci vykonali veľa výskumov o modelovaní a optimalizácii peeningu laserového šoku. V súčasnosti tento priemysel dosiahol veľký pokrok v explicitnej dynamickej analýze + implicitná statická analýza laserová šoková šoková metóda numerickej simulácie a metódu laserového šoku numerickej simulácie založenej na vnútornom kmeni.
Keď vysoká - plazmatická vrstva vplýva na cieľový materiál, materiál v oblasti nárazu prechádza plastickou deformáciou vysokej deformácie a štrukturálna odozva sa veľmi rýchlo mení, čo je vysoko nelineárny vysoký - rýchlosť dynamického problému. Ak sa na vyriešenie tohto typu problému používa implicitný algoritmus konečných prvkov, vyžaduje nielen veľké množstvo výpočtu a skladovania, ale má tiež ťažkosti s konvergenciou výpočtu. Na vyriešenie stresovej vlny generovanej plazmovým nárazom je potrebné použiť explicitnú metódu analýzy konečných prvkov. Najmä komplexné použitie explicitných a implicitných metód analýzy konečných prvkov na vykonanie numerickej simulácie procesu dynamickej odozvy materiálu pri pôsobení nárazovej vlny vedie k získaniu presných výsledkov predikcie poľa zvyškového napätia.
Keď sa na simuláciu viac {{}} laserového šoku vo veľkej ploche použije jediný {- laserový náraz, celkové množstvo výpočtu je často obrovské a vyžaduje si veľa času, aby sa získalo pole zvyškového napätia. Okrem toho, v dôsledku veľkého vplyvu geometrie obrobku na pole zvyškového napätia je ťažké presne simulovať pole zvyškového napätia viacerých -, prekrývajúce laserové tvrdenie reálnych komponentov s komplexnými zakrivenými povrchmi pomocou metódy superpozície napätia.
Za účelom efektívneho vyriešenia týchto dvoch problémov niektorí vedci vytvorili numerický model založený na vnútornom napätí na simuláciu zvyškového stresového poľa laserového šoku. Tento model predpokladá, že vnútorný kmeň tvorený laserovým šokom na povrchu komponentu je necitlivý na geometriu komponentov. Simulačný proces sa zameriava iba na plastický kmeň vyvolaný laserovým šokom. Pole kmeňa veľkého - oblasti Multi - Point laserový šok zložky sa získa superpozíciou vnútorného kmeňa a termoelastický model sa používa na získanie konečného poľa zvyškového napätia a plastickej deformácie.
V posledných rokoch príslušní vedci doma aj v zahraničí použili tento model na numerickú simuláciu zvyškových stresových polí posilňovania laserového šoku rôznych komplexných komponentov. Výpočtová účinnosť tohto vnútorného modelu kmeňa sa výrazne zlepšuje v porovnaní s tradičným modelom a zavedený model môže účinne predpovedať zvyškové napätie vyvolané laserovým šokom.
