Laserowe Peening: Innowacje technologii wzmacniania powierzchni od laboratorium do miejsca przemysłowego
Technologia Peening Laser Shock, innowacyjny proces znany jako „rewolucja wzmacniająca powierzchnię materiałową”, po cichu przekształca krajobraz produkcyjny High -. Od pierwszego spojrzenia na zmianę mikrostruktury stopu aluminium w amerykańskim laboratorium po przemysłową praktykę przetwarzania ostrzy Boeing 777; Od narodzin pierwszej ciągłej linii produkcyjnej impulsów w Chinach po przełom integralnego systemu wzmacniającego dysk, wykorzystuje chwilową serię plazmy napięcia o wysokiej -, aby wyrzeźbić anty - „ochronną osłonę” na powierzchni metalowej.
Kiedy nanosekundowa wiązka laserowa zderzy się z metalem, para warstwy absorpcji energii jest jak mikro eksplozja, powodując ultra - pod wysokim ciśnieniem, tkając gęstą sieć resztkowego stresu nacisku wewnątrz materiału. Wybór warstwy ograniczenia jest jak dostosowanie - ostateczny efekt szkła i przemysłowa adaptacja przepływu wody, elastyczność czarnej farby, ale trudna do usunięcia, a wygoda folii aluminiowej stała się pierwszym wyborem. W dziedzinie symulacji numerycznej przeplatanie jawnych i ukrytych algorytmów oraz innowacje wewnętrznego modelu odkształcenia powodują, że optymalizacja procesu przechodzi od „prób i błędów” do „precyzyjnego obliczenia”.
Jest to nie tylko ewolucja technologii, ale także deklaracja branży produkcyjnej w celu „zakwestionowania limitu”: w jaki sposób „serce” silnika samolotu może wytrzymać dziesiątki tysięcy uderzeń? W jaki sposób spoina reaktora jądrowego może wytrzymać dziesięciolecia ciśnienia? Czy implanty biologiczne mogą znaleźć równowagę między wytrzymałością a degradacją? Laserowe szokowanie Peening wykorzystuje moc fotonów do pisania odpowiedzi na te trudne problemy.
Laserowa technologia Peening Peening, znana również jako Laser Shot Peening, jest nową, skuteczną i szybko rozwijającą się technologią modyfikacji powierzchni. W porównaniu z tradycyjną technologią mechanicznego strzale, może tworzyć głębszą resztkową warstwę naprężenia ściskającego na powierzchni przedmiotu obrabianego i ma silną kontrolę i dobrą zdolność adaptacyjną, i może obsłużyć trudne - do części obsługi. Obecnie technologia ta była szeroko stosowana w zmęczeniu - produkcji odpornej, takiej jak łopatki silnika samolotu, przekładni i spoin elektrowni jądrowej. Wraz z dalszym spadkiem ceny sprzętu laserowego technologia Peening szoku laserowego będzie szerzej wykorzystywana.
Technologia Peening szoku laserowego jest szeroko stosowana w inżynierii.
W 1972 r. Stany Zjednoczone użyły wysokiej - laser mocy - fale uderzeniowe po raz pierwszy w celu leczenia wysokich - stopów aluminiowych, i stwierdzono, że jej mikrostruktura powierzchniowa zmieniła się, a wytrzymałość na rozciąganie wzrosła o więcej niż 30%, które otworzyły wstępne badania na szoku. Pod koniec lat 80. kraje i regiony takie jak Europa, Japonia i Izrael przeprowadziły badania nad technologią Peening szoku laserowego.
W 1995 r. W Stanach Zjednoczonych założyła pierwsza na świecie firma technologii przetwarzania szoku laserowego. W 1997 r. General Motors wykorzystał technologię przetwarzania szoku laserowego do przetwarzania ostrzy wentylatorów silnika samolotu, znacznie poprawiając ich tolerancję na uszkodzenia obcych obiektów. W 2001 r. American Laser Shock Processing Technology Firma przeprowadziła szok laserowy na ponad 800 silnikach Rolls - Royce. W 2004 r. Firma współpracowała z amerykańskim laboratorium sił powietrznych w celu przeprowadzenia badań naprawy strzału laserowego na uszkodzonych ostrzach stopu tytanu silnika na F/A - 22, a jej wytrzymałość zmęczeniowa została podwojona. W tym samym roku Stany Zjednoczone oficjalnie ogłosiły specyfikację przetwarzania szoku laserowego, a technologia została zastosowana do przetwarzania ostrzy Boeing 777. W 2012 r. Stany Zjednoczone z powodzeniem opracowały mobilny sprzęt do przetwarzania szoku laserowego, który może wejść na miejsce przemysłowe w celu świadczenia usług w czasie rzeczywistym. W 2002 r. Toshiba Corporation of Japan wykorzystywała małe lasery do przetwarzania spoin, takich jak naczynia ciśnieniowe reaktora jądrowego i połączenia rurowe w celu poprawy żywotności zmęczeniowej części.
Zagraniczni uczeni wykorzystali również technologię przetwarzania szoku laserowego do wzmocnienia metali i stopów biomedycznych, poprawy twardości, granicy plastyczności i żywotności zmęczeniowych implantów stałych oraz zmniejszają szybkość degradacji implantów, takich jak wapń - stopów magnezu.
Badania krajowe dotyczące technologii przetwarzania szoku laserowego rozpoczęły się w latach 90., koncentrując się głównie na serii badań eksperymentalnych i powiązanych dyskusjach teoretycznych na temat stopów i stali aluminium. Od 1992 r. Nanjing University of Aeronautics and Astronautyka współpracuje z Uniwersytetem Nauki i Technologii Chin w celu przeprowadzenia badań nad wzmocnieniem wstrząsu laserowego i oporności na zmęczenie produkcję części strukturalnych w lotnictwie. W 1995 r. Pierwsze urządzenie wzmacniające wstrząsy laserowe do pojedynczego eksperymentu szoku laserowego w Chinach zostało z powodzeniem opracowane na University of Science and Technology of China. W 2008 r. Uniwersytet Inżynierii Air Force, we współpracy z Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. i Beijing Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., z powodzeniem rozwinął pierwszą linię produkcyjną w moim kraju, wzmacniając wstrząs laserowy. W 2011 r. Pierwszy zestaw zintegrowanych urządzeń do wzmocnienia szoku laserowego w moim kraju został z powodzeniem opracowany w Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences i dostarczony do Shenyang Liming Engine Co., Ltd. do użytku.
Mechanizm i czynniki wpływające na szok laserowy
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) Warstwa plazmowa. Laserowe szokowanie Peening wykorzystuje silną falę uderzeniową propagującą się do materiału spowodowanego obciążeniem uderzeniowym zastosowanym przez warstwę plazmy ciśnieniowej wysokiej - na celu.
Obecnie stosowane przez ograniczone materiały warstw obejmują głównie szkło optyczne K9, szkło organiczne i warstwę przepływu wody. Ograniczona warstwa szklana ma najlepszy efekt, ale ma słabą zdolność adaptacyjną i pęknie, co jest odpowiednie tylko do leczenia szoku z pojedynczym laserem. Zasadniczo warstwa przepływu wody jest używana jako warstwa ograniczona w testach szoku lasera i zastosowaniach przemysłowych. Ma zalety silnego zastosowania, niskiego kosztu, łatwego działania i brak potrzeby wymiany. Z wyjątkiem niewielkiej liczby procesów obróbki szoku lasera, które nie wykorzystują warstw wchłaniania energii, większość z nich wymaga warstw absorpcji energii. Powszechnie stosowane warstwy absorpcji energii są głównie materiały o niskim cieple parowcowym, takie jak czarna farba, folia aluminiowa i czarna taśma. Czarna farba ma dobrą możliwość zastosowania i może być stosowana do obróbki rowek szoku lasera, małych otworów itp., Ale nie jest łatwo usunąć po zakończeniu wstrząsu, więc folia aluminiowa i czarna taśma są zwykle używane jako warstwy absorpcji energii.
Istnieje wiele czynników, które wpływają na wpływ peeningu szoku laserowego, głównie właściwości materiału, warstwy ograniczeń, warstwy absorpcji energii, parametry szoku lasera itp. Jeśli gęstość mocy laserowej pozostaje niezmieniona, dłuższa szerokość impulsu lasera, im dłuższy czas fali szoku lasera działa na materiale, i lepszy efekt wstrząsu laserowego. Jeśli jednak szerokość impulsu laserowego jest zbyt duża, bardzo łatwo jest powodować oparzenia powierzchniowe materiału. Tylko poprzez wybór rozsądnej warstwy ograniczenia, warstwa absorpcji energii i parametry szoku lasera zgodnie z właściwościami materiału można uzyskać lepszy efekt wzmocnienia.
Symulacja numeryczna symulacji numerycznej szoku laserowego pomaga uzyskać optymalne parametry procesu dla określonych zastosowań i stopniowo stała się ważnym sposobem badania peening szoku lasera. Uczeni krajowi i zagraniczni przeprowadzili wiele badań na temat modelowania i optymalizacji szoku laserowego. Obecnie branża poczyniła ogromne postępy w jawnej analizie dynamicznej + ukrytej analizy statycznej metody liczbowej Symulacji szoku laserowego oraz metodę liczbową szoku szoku szoku szoku opartego na odkształceniu wewnętrznym.
Gdy wysoka - Warstwa plazmy ciśnieniowej wpływa na materiał docelowy, materiał w obszarze uderzenia ulega odkształceniu plastiku o wysokiej szybkości odkształcania, a odpowiedź strukturalna zmienia się bardzo szybko, co jest wysoce nieliniowym problemem dynamicznym o wysokiej prędkości -. Jeśli do rozwiązania tego rodzaju problemu używa się algorytmu niejawnego elementu skończonego, wymaga nie tylko dużej ilości obliczeń i przechowywania, ale ma również trudności z obliczaniem zbieżności. Konieczne jest zastosowanie jawnej metody analizy elementów skończonych, aby rozwiązać falę naprężeń wygenerowaną przez uderzenie plazmy. W szczególności kompleksowe zastosowanie jawnych i ukrytych metod analizy elementów skończonych do wykonania liczbowej symulacji dynamicznego procesu reakcji materiału pod działaniem fali uderzeniowej sprzyja dokładnym wynikach prognozowania pola naprężenia resztkowego.
Gdy do symulacji multi -} metoda naprężenia resztkowego i metoda superpozycji jest używana do symulacji wstrząsu lasera z nakładaniem się przez Multi - na dużym obszarze, całkowita ilość obliczeń jest często ogromna, a uzyskanie resztkowego pola stresu specjalizacji. Ponadto, ze względu na duży wpływ geometrii przedmiotu obrabianego na pole naprężenia szczątkowego, trudno jest dokładnie zasymulować pole naprężeń szczątkowych multi - hartowanie szoku lasera z złożonymi zakrzywionymi powierzchniami przy użyciu metody superpozycji naprężenia.
Aby skutecznie rozwiązać te dwa problemy, niektórzy badacze ustalili model numeryczny oparty na wewnętrznym odkształceniu w celu symulacji resztkowego pola naprężenia stresu lasera. Model ten zakłada, że wewnętrzny odkształcenie utworzone przez wstrząs laserowy na powierzchni komponentu jest niewrażliwy na geometrię komponentu. Proces symulacji koncentruje się tylko na odkształceniu plastycznym wywołanym szokiem laserowym. Pole odkształcenia dużego obszaru - Multi - szok laserowy komponentu jest uzyskiwane przez superpozycję wewnętrznego odkształcenia, a model termoelastyczny stosuje się do uzyskania końcowego pola naprężenia resztkowego i deformacji plastiku.
W ostatnich latach istotni uczeni w kraju i za granicą wykorzystali ten model do liczbowej symulacji resztkowych pól naprężeń laserowych wzmacniających szok laserowych różnych złożonych elementów. Wydajność obliczeniowa tego wewnętrznego modelu odkształceń jest znacznie ulepszona w porównaniu z tradycyjnym modelem, a ustalony model może skutecznie przewidzieć pole naprężeń szczątkowych indukowanych przez wstrząs laserowy.
