Laserski šok zavijanje: inovacija tehnologije jačanja površine od laboratorija do industrijskog mjesta
Tehnologija laserskog šoka, inovativni postupak poznat kao "revolucija jačanja materijala", tiho preoblikova visoki - krajnji krajolik. Od prvog pogleda na promjenu mikrostrukture aluminijske legure u američkom laboratoriju do industrijske prakse obrade oštrice Boeing 777; Od rođenja prve kontinuirane linije za proizvodnju impulsa u Kini do proboja sustava za jačanje diska integralnog oštrica, koristi trenutni prasak visoke - naponske plazme za rezbarenje anti - umor "Zaštitni štit" na metalnoj površini.
Kad se nanosekund laserski snop sudara s metalom, isparavanje i isparavanje sloja apsorpcije energije je poput mikro eksplozije, što stvara ultra - udarne valove visokog tlaka, tkanje guste mreže preostalog pritiska u materijalu unutar materijala. Odabir sloja ograničenja je poput krojenja - krajnji učinak stakla i industrijske adaptacije protoka vode, fleksibilnost crne boje, ali je teško ukloniti, a pogodnost aluminijske folije postaju prvi izbor. U polju numeričke simulacije, preplitanje eksplicitnih i implicitnih algoritama i inovacija unutarnjeg modela naprezanja optimizacija procesa prelazi iz "pokušaja i pogreške" u "precizno izračunavanje".
Ovo nije samo evolucija tehnologije, već i izjava proizvodne industrije da "osporava ograničenje": kako "srce" zrakoplovnog motora može izdržati desetine tisuća utjecaja? Kako zavarivanje nuklearnog reaktora može izdržati desetljeća pritiska? Mogu li biološki implantati pronaći ravnotežu između žilavosti i degradacije? Laserski šok Peening koristi snagu fotona za pisanje odgovora na ove teške probleme.
Tehnologija laserskog šoka, poznata i kao lasersko pucanje, nova je, učinkovita i brzo razvijajuća tehnologija modifikacije površine. U usporedbi s tradicionalnom tehnologijom mehaničkih pucanja, ona može formirati dublji sloj naprezanja preostalog tlačnog naprezanja na površini radnog komada, a ima snažnu kontroliranost i dobru prilagodljivost, a može podnijeti i teško - na - dijelove ručke. Trenutno se ova tehnologija široko koristi u umoru - rezistentna na proizvodnju poput noža zrakoplovnih motora, zupčanika i zavarivanja tlaka nuklearne elektrane. Daljnjim padom cijene laserske opreme, tehnologija laserskog šoka šire će se šire koristiti.
Tehnologija laserskog udara na široko se koristi u inženjerstvu.
1972. godine, Sjedinjene Države koristile su visoki - laser snage - inducirane udarne valove za tretiranje visokih - aluminijskih legura čvrstoće po prvi put, a utemeljile su da se njegova površinska mikrostruktura promijenila i da je tenzilna čvrstoća povećala za više od 30%, koji je otvoren u prellueru. Krajem 1980 -ih, zemlje i regije poput Europe, Japana i Izraela provele su istraživanje tehnologije laserskog šoka.
Godine 1995. u Sjedinjenim Državama osnovana je prva svjetska kompanija za tehnologiju laserskog šoka. Godine 1997. General Motors koristio je tehnologiju obrade laserskog šoka za obradu noža ventilatora motora zrakoplova, uvelike poboljšavajući njihovu toleranciju na oštećenja stranih predmeta. 2001. godine, američka kompanija za lasersku tehnologiju za obradu šoka izvela je lasersko šok na više od 800 motora rola - Royce. 2004. godine, tvrtka je surađivala s američkim laboratorijom za zrakoplovne snage za provođenje istraživanja laserskog pucanja za popravljanje oštećenih noža legura titana motora na f/a - 22, a njegova snaga umora udvostručena je. Iste godine, Sjedinjene Države službeno su objavile specifikaciju laserskog šoka, a tehnologija je primijenjena na obradu oštrice Boeinga 777. U 2012., Sjedinjene Države uspješno su razvile mobilnu opremu za obradu laserskog šoka koja može ući u industrijsko mjesto za pružanje usluga u stvarnom vremenu. 2002. godine, Japanska korporacija Toshiba koristila je male lasere za obradu zavara kao što su posude s tlakom nuklearnog reaktora i zglobovi cijevi kako bi poboljšali život u umoru dijelova.
Strani znanstvenici također su koristili tehnologiju obrade laserskog šoka za jačanje biomedicinskih metala i legura, poboljšanje tvrdoće, čvrstoću prinosa i umor trajnih implantata i smanjenje stope razgradnje razgradivih implantata poput kalcija - magnezijevih legura.
Domaće istraživanje tehnologije laserske prerade šoka započelo je 1990 -ih, uglavnom se usredotočujući na niz eksperimentalnih studija i srodne teorijske rasprave o aluminijskim legurama i čelicima. Od 1992. godine, Sveučilište Aeronautics i astronautika Nanjing surađivalo je sa Kineskim sveučilištem za znanost i tehnologiju kako bi proveli istraživanje o jačanju laserskog udara i otpornosti na umor zrakoplovnih strukturnih dijelova. 1995. godine, prvi laserski uređaj za jačanje šoka za eksperiment s jednim laserskim šokom u Kini uspješno je razvijen na Kineskom sveučilištu za znanost i tehnologiju. U 2008. godini Sveučilište zrakoplovnih snaga, u suradnji s Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. i Peking Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., uspješno je razvilo prvu kontinuiranu puls lasersku snagu. U 2011. godini, prvi skup opreme za jačanje laserskog udara u mojoj zemlji uspješno je razvijen na Institutu za automatizaciju Shenyang, Kineskom akademijom znanosti, i isporučen u Shenyang Liming Engine Co., Ltd. za upotrebu.
Mehanizam i utjecajni čimbenici laserskog peciranja udara
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) plazma sloj. Laserski šok Peening koristi snažni udarni val koji se širi u materijal uzrokovan udarnim opterećenjem primijenjenim visokim - tlačnim slojem plazme na cilj.
Ograničeni materijali sloja koji se trenutno koriste uglavnom uključuju K9 optičko staklo, organsko staklo i sloj protoka vode. Sloj ograničen staklenim materijalom ima najbolji učinak, ali ima slabu prilagodljivost i slomiti se, što je prikladno samo za tretman jednog laserskog udara. Općenito, sloj protoka vode koristi se kao ograničeni sloj u laserskim testovima udara i industrijskim primjenama. Ima prednosti snažne primjenjivosti, niske cijene, jednostavnog rada i nema potrebe za zamjenom. Osim malog broja procesa obrade laserskog udara koji ne koriste slojeve apsorpcije energije, većina njih zahtijeva slojeve apsorpcije energije. Uobičajeno se koriste slojevi apsorpcije energije uglavnom materijali s niskom toplinom isparavanja poput crne boje, aluminijske folije i crne trake. Crna boja ima dobru primjenjivost i može se koristiti za tretman laserskih udaraca u žljebovima, malim rupama itd., Ali nije je lako ukloniti nakon što je udar dovršen, pa se aluminijska folija i crna vrpca uglavnom koriste kao slojevi apsorpcije energije.
Mnogo je čimbenika koji utječu na utjecaj navijanja laserskog udara, uglavnom svojstava materijala, sloja ograničenja, sloja apsorpcije energije, parametara laserskih udara itd. Ako gustoća snage lasera ostane nepromijenjena, to je duža širina pulsa lasera, što duže vrijeme laserskog udarnog vala djeluje na materijal, a što je bolji učinak lasera. Međutim, ako je širina laserskog impulsa prevelika, vrlo je lako uzrokovati površinske opekline materijala koji utječe. Samo odabirom razumnog sloja ograničenja, sloj apsorpcije energije i parametri laserskog udara prema svojstvima materijala mogu se postići bolji ojačani učinak.
Numerička simulacija laserskog šokiranja Numerička simulacija pomaže u dobivanju optimalnih parametara procesa za specifične primjene i postupno postaje važno sredstvo proučavanja laserskog udaranja. Domaći i strani znanstvenici napravili su puno istraživanja o modeliranju i optimizaciji laserskog šoka. Trenutno je industrija postigla veliki napredak u eksplicitnoj dinamičnoj analizi + implicitna statička analiza laserskog šoka za pecanje numeričke simulacijske metode, a laserski šok za pečenje numeričke simulacijske metode zasnovane na unutarnjem naprezanju.
Kad visoki - tlačni plazmi sloj utječe na ciljni materijal, materijal u području udara podvrgava se plastičnoj deformaciji visoke brzine naprezanja, a strukturni odgovor se vrlo brzo mijenja, što je vrlo nelinearni visoki dinamički problem -. Ako se algoritam implicitnog konačnog elementa koristi za rješavanje ove vrste problema, on ne samo da zahtijeva veliku količinu izračuna i skladištenja, već ima i poteškoća u konvergenciji izračuna. Potrebno je koristiti eksplicitnu metodu analize konačnih elemenata za rješavanje naponskog vala generiran utjecajem u plazmi. Konkretno, sveobuhvatna upotreba eksplicitnih i implicitnih metoda analize konačnih elemenata za izvođenje numeričke simulacije procesa dinamičkog odziva materijala u skladu s djelovanjem udarnog vala pogoduje dobivanju točnih rezultata predviđanja polja zaostalog naprezanja.
Kad se pojedinačni - točki laserski šok rezidualni proračun napona i metoda superpozicije koristi za simulaciju multi - točke preklapanja laserskog šoka u velikoj površini, ukupna količina izračuna je često ogromna, a potrebno je puno vremena da se dobije rezidealno polje stresa u odnosu na primjer. Osim toga, zbog velikog utjecaja geometrije obrazaca na polje zaostalog stresa, teško je točno simulirati polje zaostalog napona multi - točke preklapajte lasersko otvrdnjavanje pravih komponenti s složenim zakrivljenim površinama pomoću metode superpozicije stresa.
Da bi učinkovito riješili ova dva problema, neki su istraživači uspostavili numerički model temeljen na unutarnjem naprezanju kako bi simulirali zaostali stres polja laserskog otvrdnjavanja. Ovaj model pretpostavlja da je unutarnji soj formiran laserskim udarom na površini komponente neosjetljiv na geometriju komponente. Proces simulacije usredotočen je samo na plastični soj izazvan laserskim udarom. Polje naprezanja velikog - područja multi {- točki laserski udar komponente dobiva se superpozicijom unutarnjeg naprezanja, a za dobivanje konačnog polja za preostalo naprezanje i plastične deformacije koristi se termoelastični model.
Posljednjih godina relevantni znanstvenici u zemlji i inozemstvu koristili su ovaj model za numeričku simulaciju zaostalih polja stresa laserskog udara jačanja različitih složenih komponenti. Računalna učinkovitost ovog modela unutarnjeg naprezanja uvelike je poboljšana u usporedbi s tradicionalnim modelom, a utvrđeni model može učinkovito predvidjeti polje zaostalog stresa izazvano laserskim udarom.
