Лазерний удар Peening: Інновації технології зміцнення поверхні від лабораторного до промислового майданчика
Технологія лазерного шоку Peening, інноваційний процес, відомий як "революція матеріальної поверхні", спокійно переробляє високий - кінцевий виробничий ландшафт. Від першого погляду зміни мікроструктури алюмінієвого сплаву в американській лабораторії на промислову практику переробки леза Boeing 777; Від народження першої лінії виробництва безперервного імпульсу в Китаї до прориву інтегральної системи зміцнення диска лез, вона використовує миттєвий сплеск високої - плазми напруги для вирізання анти - втоми "захисного щита" на поверхні металу.
Коли наносекундний лазерний промінь стикається з металом, випаровування та випаровування шару поглинання енергії - це як мікро вибух, що спричиняє ультра - хвилі з високим тиском, плекаючи щільну мережу залишкового напруги в компресії всередині матеріалу. Вибір шару обмеження схожий на пошиття - Кінцевий ефект скла та промислова адаптація потоку води, гнучкість чорної фарби, але важко видалити, і зручність алюмінієвої фольги стає першим вибором. У галузі чисельного моделювання переплетення явних та неявних алгоритмів та інновації внутрішньої моделі деформації роблять оптимізацію процесу від "випробування та помилок" до "точного розрахунку".
Це не лише еволюція технології, але й декларація виробничої галузі "кинути виклик межі": як "серце" літака двигуна витримати десятки тисяч впливу? Як може ядерний реакторний зварювання протистояти десятиліттям тиску? Чи можуть біологічні імплантати знайти баланс між міцністю та деградації? Лазерний удар Peing використовує силу фотонів для написання відповідей на ці складні проблеми.
Лазерна технологія Peing Peening, також відома як лазерний постріл, - це нова, ефективна та швидко розвивається технологія модифікації поверхні. Порівняно з традиційною технологією механічного пострілу, він може утворювати більш глибокий залишковий шар стискаючого напруги на поверхні заготовки, має сильну керованість та хорошу адаптованість, і може обробляти складні частини ручки - -. В даний час ця технологія широко використовується у втомі - стійкості до виробництва, таких як лопатки двигунів літака, швейні засоби та зварні шви на атомні електростанції. З подальшим зниженням ціни на лазерне обладнання, технологія лазерного шоку буде більш широко використана.
Технологія лазерного шоку Peening широко використовується в інженерії.
У 1972 році Сполучені Штати використовували високі - потужні лазер - індуковані ударні хвилі для лікування високих - силові алюмінієві сплави вперше, і виявили, що його поверхнева мікроструктура змінювалася, а міцність на розтяг збільшувалася більш ніж на 30%, що відкрило прелюду до досліджень шак -лазер. Наприкінці 1980 -х країн та регіони, такі як Європа, Японія та Ізраїль, провели дослідження технології лазерного шоку.
У 1995 році в США була заснована перша в світі технологічна компанія з обробки лазерного шоку. У 1997 році General Motors використовував технологію обробки лазерного шоку для обробки лопатей вентиляторів двигуна літаків, значно покращуючи їх толерантність до пошкодження чужорідних об'єктів. У 2001 році Американська технологія з обробки лазерного шоку виконала лазерний шок, який переглянув понад 800 двигунів рулонів - royce. У 2004 році компанія співпрацювала з Лабораторією ВВС США для проведення лазерних досліджень з ремонту Peening на пошкоджених лопатках титанового сплаву з титанового двигуна на - 22, і його втома була подвоєна. Того ж року Сполучені Штати офіційно оприлюднили специфікацію обробки лазерного шоку, і технологія була застосована до переробки лез Boeing 777. У 2012 році США успішно розробили мобільне обладнання для переробки лазерного шоку, яке може входити на промисловий майданчик для надання послуг у реальному часі. У 2002 році корпорація Toshiba з Японії використовувала невеликі лазери для обробки швів, таких як судна ядерного реактора та труби для покращення терміну втоми частин.
Іноземні вчені також використовували технологію лазерного удару для зміцнення біомедичних металів та сплавів, поліпшення твердості, міцності врожаю та втоми постійних імплантатів та зниження швидкості деградації деградуваних імплантатів, таких як кальцій - сплавів магнію.
Внутрішні дослідження технології обробки лазерного шоку розпочалися в 90 -х роках, в основному зосереджуючись на серії експериментальних досліджень та пов'язаних теоретичних дискусіях щодо алюмінієвих сплавів та сталей. Починаючи з 1992 року, Нанкінський університет аеронавтики та космонавтики співпрацювали з Університетом науки та технологій Китаю про проведення досліджень щодо зміцнення лазерного шоку та виробництва стійкості до втоми авіаційних структурних частин. У 1995 році в Китаї був успішно розроблений перший пристрій лазерного шоку для одного експерименту з лазерним шоком у Китаї. У 2008 році Університет ВВС у поєднанні з Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. та Пекіном Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., успішно розробили першу лінію постійного імпульсного лазерного удару в моїй країні. У 2011 році перший набір інтегральних лезерних систем лазерного удару в країні було успішно розроблене в Інституті автоматизації Шеньяна, Китайської академії наук, і доставлений до Shenyang Learing Engine Co., Ltd. для використання.
Механізм та впливаючі фактори лазерного шоку Peening
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) плазмовий шар. Лазерний удар Peing використовує сильну ударну хвилю, що поширюється в матеріал, спричинений ударним навантаженням, застосованим високим рівнем плазмового шару тиску -.
Матеріали з обмеженими шарами, які зараз використовуються, в основному включають оптичне скло K9, органічний шар скляного та водного потоку. Обмежений скляний матеріал має найкращий ефект, але має погану пристосованість і зламається, що підходить лише для обробки одного лазерного удару. Як правило, шар потоку води використовується як обмежений шар у випробуваннях лазерного удару та промислових програмах. Він має переваги сильної застосовності, низької вартості, легкої роботи та не потрібно замінити. За винятком невеликої кількості процесів лазерного удару, які не використовують шари поглинання енергії, більшість з них потребують шарів поглинання енергії. Зазвичай використовувані шари поглинання енергії - це в основному матеріали з низьким теплом випаровування, такими як чорна фарба, алюмінієва фольга та чорна стрічка. Чорна фарба має хорошу застосовність і може бути використана для обробки лазерного удару з пазами, невеликими отворами тощо, але його видалити непросто після завершення удару, тому алюмінієва фольга та чорна стрічка зазвичай використовуються як шари поглинання енергії.
Існує багато факторів, які впливають на вплив лазерного удару, в основному матеріальні властивості, шар обмеження, шар поглинання енергії, параметри лазерного шоку тощо. Якщо щільність потужності лазера залишається незмінною, тим довше лазерна ширина імпульсу, тим довше час лазерного ударного хвилі діє на матеріал, і чим краще лазерний ефект від шоку. Однак, якщо ширина лазерного імпульсу занадто велика, дуже легко викликати опіки поверхні матеріалу. Тільки вибираючи розумний шар обмеження, шар поглинання енергії та параметри лазерного шоку відповідно до властивостей матеріалу може бути досягнуто кращого зміцненого ефекту.
Чисельне моделювання чисельного моделювання лазерного шоку допомагає отримати оптимальні параметри процесу для конкретних застосувань і поступово стало важливим засобом вивчення лазерного удару. Внутрішні та іноземні вчені провели багато досліджень щодо моделювання та оптимізації лазерного шоку. В даний час галузь досягла великого прогресу в явному динамічному аналізі + неявного статичного аналізу лазерного шоку з числовим методом моделювання та методом лазерного шоку чисельного моделювання на основі внутрішнього напруження.
Коли високий - плазмовий шар тиску впливає на цільовий матеріал, матеріал у області удару зазнає пластичної деформації високої швидкості деформації, а структурна реакція дуже швидко змінюється, що є дуже нелінійною високою - динамічною проблемою швидкості. Якщо неявний алгоритм кінцевих елементів використовується для вирішення цього типу проблеми, він не тільки вимагає великої кількості обчислення та зберігання, але й має труднощі в конвергенції обчислення. Необхідно використовувати явний метод аналізу кінцевих елементів для вирішення напруженої хвилі, що генерується шляхом впливу в плазмі. Зокрема, всебічне використання явних та неявних методів аналізу кінцевих елементів для виконання чисельного моделювання процесу динамічного реагування матеріалу в рамках дії ударної хвилі сприяє отримання точних результатів прогнозування поля залишкового напруги.
Коли для імітації багаторічного польоту лазерного удару в точці лазерного удару в точці лазерного удару лазерного шоку в точці лазерного шоку використовується метод лазерного удару та методу суперпозиції, загальна кількість розрахунку часто величезна, і для отримання залишкового поля напруження специденту потрібно багато часу. Крім того, завдяки великому впливу геометрії заготовки на поле залишкового напруги важко точно імітувати залишкове напружене поле мульти - точки перекриття лазерного удару реальних компонентів зі складними вигнутими поверхнями, використовуючи метод суперпозиції стресу.
З метою ефективного вирішення цих двох проблем деякі дослідники створили чисельну модель, засновану на внутрішньому штаму для імітації залишкового стресового поля лазерного шоку. Ця модель передбачає, що внутрішній штам, утворений лазерним шоком на поверхні компонента, нечутливий до геометрії компонентів. Процес моделювання фокусується лише на пластиковому штаму, спричиненому лазерним шоком. Поле штаму великого - область мульти - точковий лазерний удар компонента отримується за допомогою суперпозиції внутрішнього штаму, а термоеластична модель використовується для отримання кінцевого залишкового напруги та пластичної деформації.
Останніми роками відповідні вчені вдома та за кордоном використовували цю модель для чисельного моделювання залишкових стресових полів лазерного шоку, що зміцнює різні складні компоненти. Обчислювальна ефективність цієї внутрішньої моделі штаму значно покращується порівняно з традиційною моделлю, і встановлена модель може ефективно передбачити залишкове поле стресу, викликане лазерним шоком.
