Laserski šok Peening: inovacija tehnologije krepitve površin od laboratorijskega do industrijskega mesta
Laserska tehnologija za peening, ki je inovativen postopek, znan kot "revolucija za krepitev materiala, mirno preoblikuje visoko - končna proizvodna pokrajina. Od prvega pogleda na spreminjanje mikrostrukture aluminijeve zlitine v ameriškem laboratoriju do industrijske prakse obdelave rezila Boeing 777; Od rojstva prve kontinuirane proizvodne linije impulza na Kitajskem do preboja celotnega sistema za krepitev rezila diska uporablja takojšen razpok visoke - napetostne plazme, da na kovinski površini izklesa anti - utrujenost "zaščitni ščit".
Ko nanosekundni laserski žarek trči v kovino, je uparjanje in izhlapevanje plasti absorpcije energije podobno mikro eksploziji, kar povzroča ultra - visokotlačni udarni valovi, tkanje goste mreže preostalega tlačnega stresa v materialu. Izbira omejitvene plasti je kot prilagoditev - Končni učinek stekla in industrijsko prilagoditev pretoka vode, prožnost črne barve, vendar težko odstraniti, in udobje aluminijaste folije postanejo prva izbira. Na področju numerične simulacije se prepletanje eksplicitnih in implicitnih algoritmov in inovacija modela notranjega seva naredi optimizacija procesov iz "preskušanja in napake" v "natančen izračun".
To ni samo razvoj tehnologije, ampak tudi deklaracija proizvodne industrije, da "izzove mejo": kako lahko "srce" zrakoplova zdrži več deset tisoč udarcev? Kako lahko zvari jedrski reaktor zdrži desetletja pritiska? Ali lahko biološki vsadki najdejo ravnovesje med žilavostjo in degradacijo? Lasersko udarno peening uporablja moč fotonov za pisanje odgovorov na te težke težave.
Laserska tehnologija za peening, ki je znana tudi kot laserski strel, je nova, učinkovita in hitro razvijajoča se tehnologija spreminjanja površin. V primerjavi s tradicionalno mehansko tehnologijo luščenja lahko tvori globlji preostali tlačni sloj napetosti na površini obdelovanja in ima močno nadzorovalnost in dobro prilagodljivost ter lahko težko obvlada - do - ročne dele. Trenutno se ta tehnologija široko uporablja pri utrujenosti - odporne proizvodnje, kot so rezila motornih zrakoplovov, zobniki in jedrski električni tlačni zvari. Z nadaljnjim znižanjem cene laserske opreme se bo širše uporabljena tehnologija laserskega udarnega peening.
Laserska tehnologija za udarno peening se pogosto uporablja pri inženirstvu.
Leta 1972 so ZDA uporabile visoko - laser moči - inducirane udarne valove za zdravljenje visokih - močnih aluminijevih zlitin in ugotovile, da se je njegova površinska mikrostruktura spremenila in natezna trdnost se je povečala za več kot 30%, kar je odprlo predtekmovalno udarno raziskavo. V poznih osemdesetih letih prejšnjega stoletja so države in regije, kot so Evropa, Japonska in Izrael, izvajale raziskave o tehnologiji laserskega šoka.
Leta 1995 je bilo v Združenih državah ustanovljeno prvo svetovno podjetje za lasersko tehnologijo za obdelavo udarcev. Leta 1997 je General Motors uporabil tehnologijo laserske obdelave udarcev za obdelavo rezil ventilatorjev zrakoplovov, kar je močno izboljšalo njihovo toleranco do poškodb tujih predmetov. Leta 2001 je ameriško podjetje za lasersko obdelavo udarcev izvajalo lasersko udarno peening na več kot 800 motorjih zvitkov - Royce. Leta 2004 je podjetje sodelovalo z ameriškim laboratorijem za zračne sile, da bi izvedlo laserske posnetke popravila raziskav o poškodovanih rezilih iz titanijeve zlitine na f/a - 22, njegova moč utrujenosti pa se je podvojila. Istega leta so ZDA uradno razglasile specifikacijo za obdelavo laserskega šoka, tehnologija pa je bila uporabljena za obdelavo rezila Boeinga 777. Leta 2012 so ZDA uspešno razvile mobilno opremo za obdelavo laserskih udarcev, ki lahko vstopi v industrijsko mesto za zagotavljanje storitev v realnem času. Leta 2002 je Japonska korporacija Toshiba uporabljala majhne laserje za obdelavo zvarov, kot so tlačna posoda jedrskega reaktorja in cevni sklepi za izboljšanje življenjske dobe utrujenosti delov.
Tuji učenjaki so uporabili tudi tehnologijo laserske predelave udarcev za krepitev biomedicinskih kovin in zlitin, izboljšanje trdote, moč donosa in utrujenost življenjskih vsadkov in zmanjšanje hitrosti razgradnje razgradljivih vsadkov, kot je kalcij - magnezijeve zlitine.
Domače raziskave o tehnologiji laserskega šoka za predelavo so se začele v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, ki so se osredotočale predvsem na vrsto eksperimentalnih študij in povezanih teoretičnih razprav o aluminijastih zlitinah in jeklah. Od leta 1992 je univerza za aeronavtiko in astronavtiko Nanjing sodelovala z Univerzo za znanost in tehnologijo na Kitajskem, da bi izvedla raziskave o krepitvi laserskih udarcev in odpornosti proti utrujenosti v letalskih strukturnih delih. Leta 1995 je bila na Kitajskem uspešno razvita prva naprava za krepitev laserskega udarca za enkratni eksperiment z laserskim šokom na Kitajskem. Leta 2008 je univerza za inženiring zračnih sil v povezavi z Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. in Peking Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., uspešno razvila prvo neprekinjeno proizvodno linijo krepitve pulznih laserskih udarcev. Leta 2011 je bil na Shenyang Institute of Automation, Kitajska akademija znanosti uspešno razvit prvi sklop sistemske opreme za krepitev laserskega šoka v rezilu rezila, ki je bila dostavljena v uporabo Shenyang Liming Engine Co., Ltd.
Mehanizem in vplivni dejavniki laserskega udarca
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) plazemski sloj. Laserski udarni peening uporablja močan udarni val, ki se širi v material, ki ga povzroča udarna obremenitev, ki ga uporablja visoka - tlačna plazemska plazma na cilju.
Omejeni materiali plasti, ki se trenutno uporabljajo, vključujejo predvsem K9 optično steklo, organsko steklo in plast pretoka vode. Sladni material omejen sloj ima najboljši učinek, vendar ima slabo prilagodljivost in se bo zlomil, kar je primerno le za eno lasersko zdravljenje s šokom. Na splošno se plast pretoka vode uporablja kot omejena plast v laserskih preskusih udarcev in industrijskih aplikacijah. Ima prednosti močne uporabnosti, nizkih stroškov, enostavnega delovanja in brez potrebe po zamenjavi. Razen manjšega števila procesov laserskega udarnega zdravljenja, ki ne uporabljajo plasti absorpcije energije, jih večina zahteva plasti absorpcije energije. Pogosto uporabljene plasti absorpcije energije so predvsem materiali z nizko hlapilno toploto, kot so črna barva, aluminijasta folija in črni trak. Črna barva ima dobro uporabnost in se lahko uporablja za lasersko udarno obdelavo utorov, majhnih lukenj itd.
Obstaja veliko dejavnikov, ki vplivajo na učinek laserskega udarnega peening, predvsem materialne lastnosti, omejitvene plasti, plasti absorpcije energije, parametrov laserskega udarca itd. Če gostota laserske moči ostane nespremenjena, daljša se laserski impulzni širina, dlje časa deluje na material in boljši učinek laserja in boljši učinek laserja. Če pa je širina laserskega impulza prevelika, je zelo enostavno povzročiti površinske opekline materiala, ki ga materiali. Le z izbiro razumne omejitvene plasti lahko dosežemo boljši krepitveni učinek in laserski parametri udarcev glede na lastnosti materiala.
Numerična simulacija laserske številčne simulacije s šokom pomaga pridobiti optimalne procesne parametre za posebne aplikacije in postopoma postane pomembno sredstvo za preučevanje laserskega udarnega peniranja. Domači in tuji učenjaki so opravili veliko raziskav o modeliranju in optimizaciji laserskega šoka. Trenutno je industrija dosegla velik napredek pri eksplicitni dinamični analizi + implicitna statična analiza laserska udarna numerična metoda simulacije in lasersko udarno numerično simulacijsko metodo, ki temelji na intrinzičnem sevu.
Ko visoka - plazemska plazma plazma vpliva na ciljni material, material na območju udarca doživi visoko deformacijo plastike z visoko obremenitvijo, strukturni odziv pa se zelo hitro spremeni, kar je zelo nelinearna visoka - dinamična težava hitrosti. Če se za reševanje te vrste težav uporablja implicitni algoritem končnih elementov, ne potrebuje le velike količine izračuna in shranjevanja, ampak ima tudi težave pri konvergenci izračuna. Za reševanje stresnega vala, ki ga ustvarja plazemski udarci, je treba uporabiti izrecno metodo analize končnih elementov. Zlasti je celovita uporaba eksplicitnih in implicitnih metod analize končnih elementov za izvajanje numerične simulacije dinamičnega odziva materiala pod delovanjem udarnega vala ugodna za doseganje natančnih rezultatov preostalega stresnega polja.
Ko se za simulacijo več - točke prekriva laserski šok na velikem območju, ko se uporabi samski - laserski preostali stres in metoda superpozicije, je skupna količina izračuna pogosto ogromna in traja veliko časa, da dobimo preostalo stresno polje specimen. Poleg tega je zaradi velikega vpliva geometrije obdelovanca na preostalo napetostno polje težko natančno simulirati preostalo napetostno polje več - točke prekrivanja laserskega udarnega utrjevanja resničnih komponent s kompleksnimi ukrivljenimi površinami po metodi superpozicije napetosti.
Za učinkovito reševanje teh dveh težav so nekateri raziskovalci vzpostavili numerični model, ki temelji na intrinzičnem sevu za simulacijo preostalega stresnega polja laserskega udarca. Ta model predvideva, da je notranji sev, ki ga tvori laserski šok na površini komponente, neobčutljiv na geometrijo komponent. Simulacijski postopek se osredotoča le na plastični sev, ki ga povzroča laserski šok. Polje obremenitve velikega - območja multi - točkovnega laserskega šoka komponente dobimo s superpozicijo notranjega seva, termoelastični model pa se uporablja za pridobitev končnega preostalega stresnega polja in plastične deformacije.
V zadnjih letih so ustrezni učenjaki doma in v tujini ta model uporabili za numerično simulacijo preostalih stresnih polj laserskega udarnega krepitve različnih kompleksnih komponent. Računalniška učinkovitost tega intrinzičnega modela seva je v primerjavi s tradicionalnim modelom močno izboljšana, uveljavljeni model pa lahko učinkovito napoveduje preostalo stresno polje, ki ga povzroči laserski šok.
