Laserový šok peening: inovace technologie posilování povrchu z laboratoře na průmyslové místo
Technologie laserového šoku, inovativní proces známý jako „revoluce posilování povrchu materiálu“, tiše přetváří vysoko - koncový výrobní krajina. Od prvního pohledu na změnu mikrostruktury slitiny hliníku v americké laboratoři po průmyslovou praxi Boeing 777 Blade zpracování; Od zrození první produkční linky kontinuálního pulsu v Číně až po průlom integrálního systému posilování disku na kovovém posilování lišek používá na kovovém povrchu napětí na napětí.
Když se nanosekundový laserový paprsek srazí s kovem, odpařování a odpařování vrstvy pro absorpci energie je jako mikro exploze, což vede k vzniku ultra - vysokotlakých šokových vln, a tkáním husté sítě zbytkového tlakového stresu uvnitř materiálu. Výběr vrstvy omezení je jako přizpůsobení - Konečný účinek skla a průmyslovou adaptaci toku vody, flexibilita černé barvy, ale obtížně odstranitelná a pohodlí hliníkové fólie se stává první volbou. V oblasti numerické simulace se propojení explicitních a implicitních algoritmů a inovace modelu vnitřního kmene pohybuje od optimalizace procesu z „pokusu a chyb“ na „přesný výpočet“.
Nejedná se pouze o vývoj technologie, ale také prohlášení o výrobním průmyslu, aby „zpochybnil limit“: Jak může „srdce“ letadlového motoru vydržet desítky tisíc dopadů? Jak může svar jaderného reaktoru odolávat desetiletí tlaku? Mohou biologické implantáty najít rovnováhu mezi houževnatostí a degradací? Laser Shock Peening využívá sílu fotonů k psaní odpovědí na tyto obtížné problémy.
Technologie laserového šoku, známá také jako laserový výstřel, je nová, efektivní a rychle se vyvíjející technologie modifikace povrchu. Ve srovnání s tradiční technologií mechanického výstřelu může tvořit hlubší zbytkovou vrstvu stresu na povrch obrobku a má silnou kontrolovatelnost a dobrou přizpůsobivost a zvládne obtížné - až - V současné době byla tato technologie široce používána v únavě - odolné výroby, jako jsou čepele letadlového motoru, ozubené kola a tlakové svary jaderné elektrárny. S dalším poklesem ceny laserového vybavení bude technologie laserového šoku více využívána.
Technologie laserového šoku se široce používá ve strojírenství.
V roce 1972 používaly Spojené státy vysoký - Power Laser - vyvolané rázové vlny k léčbě vysoko - síly hliníkových slitin poprvé a zjistily, že jeho povrchová mikrostruktura se změnila a v tahové síle se zvýšila o více než 30%, což otevřelo predurdu k laserovému šoku. Na konci 80. let provedly země a regiony, jako je Evropa, Japonsko a Izrael, výzkum technologie laserových šoků.
V roce 1995 byla ve Spojených státech založena první laserová technologická společnost pro zpracování laserových šoků. V roce 1997 společnost General Motors použila technologii zpracování laserových šoků ke zpracování čepelí ventilátorových ventilátorů letadla, což výrazně zlepšilo jejich toleranci vůči poškození cizích objektů. V roce 2001 provedla společnost American Laser Shock Processing Technology Company laserové šoky na více než 800 motorech rolí - royce. V roce 2004 společnost spolupracovala s americkou laboratoří letectva, aby provedla výzkum laserových výstřelů o opravách o opravách poškozených lopatek z titanového titanu motoru na F/A - 22 a její únavová síla byla zdvojnásobena. Ve stejném roce Spojené státy oficiálně vyhlásily specifikaci zpracování laserových šoků a technologie byla aplikována na zpracování Blade v Boeing 777. V roce 2012 Spojené státy úspěšně vyvinuly mobilní zařízení pro zpracování šoků, které mohou vstoupit na průmyslové stránky, aby poskytovaly služby v reálném čase. V roce 2002 Japonská společnost Toshiba Corporation použila malé lasery ke zpracování svarů, jako jsou tlakové nádoby na jaderný reaktor a klouby potrubí ke zlepšení únavové životnosti částí.
Zahraniční vědci také použili technologii zpracování laserových šoků k posílení biomedicínských kovů a slitin, zlepšení tvrdosti, výnosové síly a únavové životnosti trvalých implantátů a snížení míry degradace degradatelných implantátů, jako jsou vápníky - hořčíkových slitin.
Domácí výzkum technologie zpracování laserových šoků začal v 90. letech 20. století a zaměřil se hlavně na řadu experimentálních studií a souvisejících teoretických diskusí o slitinách a ocelích hliníku. Od roku 1992 spolupracuje Nanjingová University of Aeronautics and Astronautics s University of Science and Technology v Číně, aby provedla výzkum posílení laserových šoků a výroby únavové odolnosti v leteckých strukturálních částech. V roce 1995 bylo na University of Science and Technology v Číně úspěšně vyvinuto první zařízení pro posilování šoků pro jedno laserový šoky v Číně. V roce 2008 Univerzita Air Force Engineering University ve spojení s Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. a Peking Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., úspěšně vyvinula první kontinuální pulzní laserový šokový náraznící linku. V roce 2011 byla první sada integrálního systémového zařízení pro posilování šoků v mé zemi úspěšně vyvinuta v Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences a doručena společnosti Shenyang Liming Engine Co., Ltd. pro použití.
Mechanismus a ovlivňující faktory 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) plazmatická vrstva. Laserový šok peening využívá silnou rázovou vlnu šířící se do materiálu způsobeného nárazovým zatížením aplikovanou vysokou - tlakovou plazmatickou vrstvou na cíl.
Mezi omezené materiály vrstvy, které se v současné době používají hlavně optické sklo K9, organické sklo a vrstvu průtoku vody. Skleněná vrstva materiálu má nejlepší účinek, ale má špatnou adaptabilitu a rozbije se, což je vhodné pouze pro ošetření jediným laserem. Obecně je vrstva toku vody používána jako omezená vrstva v laserových šokových testech a průmyslových aplikacích. Má výhody silné použitelnosti, nízkých nákladů, snadného provozu a nepotřebné výměny. S výjimkou malého počtu procesů zpracování laserových šoků, které nepoužívají vrstvy absorpce energie, většina z nich vyžaduje vrstvy absorpce energie. Běžně používané vrstvy absorpce energie jsou hlavně materiály s nízkým odpařovacím teplem, jako je černá barva, hliníková fólie a černá páska. Černá barva má dobrou použitelnost a lze ji použít pro laserové šokové ošetření drážky, malých otvorů atd., Ale po dokončení šoku není snadné ji odstranit, takže hliníková fólie a černá páska se obvykle používají jako vrstvy absorpce energie.
Existuje mnoho faktorů, které ovlivňují účinek peeningu laserového šoku, hlavně vlastností materiálu, konstruovací vrstvy, vrstvy absorpce energie, parametrů laserového šoku atd. Pokud hustota výkonu laseru zůstává nezměněna, čím delší šířka laserového pulsu, déle, čas, kdy laserový šokový vlny působí na materiál, a lepší účinek léčby laserem. Pokud je však šířka laserového impulsu příliš velká, je však velmi snadné způsobit povrchové popáleniny ovlivněného materiálu. Pouze výběrem přiměřené vrstvy omezení, vrstvy energie a laserových šoků podle vlastností materiálu lze dosáhnout lepšího posilovacího účinku.
Numerická simulace numerické simulace laserového šoku pomáhá získat optimální procesní parametry pro specifické aplikace a postupně se stala důležitým prostředkem pro studium laserového šoku. Domácí a zahraniční vědci provedli mnoho výzkumů o modelování a optimalizaci laserového šoku. V současné době toto odvětví dosáhlo velkého pokroku v explicitní dynamické analýze + implicitní statická analýza laserového šoku peening numerická simulační metoda a metoda numerické simulace laserového šoku založená na vlastním kmeni.
Když vysoká - tlaková plazmatická vrstva ovlivní cílový materiál, materiál v oblasti nárazu podléhá plastické deformaci rychlosti vysoké rychlosti a strukturální odezva se velmi rychle změní, což je vysoce nelineární vysoký - dynamický problém s rychlostí. Pokud se k vyřešení tohoto typu problému používá implicitní algoritmus konečných prvků, vyžaduje nejen velké množství výpočtu a ukládání, ale má také potíže s konvergencí výpočtu. K vyřešení vlny napětí generované dopadem plazmy je nutné použít metodu explicitní analýzy konečných prvků. Zejména komplexní použití explicitních a implicitních metod analýzy konečných prvků k provádění numerické simulace procesu dynamické odezvy materiálu při účinku rázové vlny vede k získání přesných výsledků reziduálního napětí.
Když se k simulaci multi - překrývá laserový šok ve velké oblasti, celkové množství výpočtu je často obrovské, a to, že je často obrovské a získání zbytkového napětí, je často obrovské a získání red red stresu, a to, aby získal red red napětí, je často obrovské, a to, aby získalo reziduální napětí, je často obrovské, a to, aby získalo zbytkové napětí, je často obrovské, a to, aby získalo zbytkové napětí, je často obrovské, a to, aby získalo zbytkové napětí, trvá, než získání zbytkového napětí. Kromě toho je kvůli velkému vlivu geometrie obrobku na pole zbytkového napětí obtížné přesně simulovat pole zbytkového napětí multi - bodového překrývání laserového šoku ztuhnutí reálných složek s komplexním zakřiveným povrchem pomocí metody stresové superpozice.
Za účelem účinného vyřešení těchto dvou problémů někteří vědci vytvořili numerický model založený na vnitřním kmeni pro simulaci zbytkového napětí laserového šoku. Tento model předpokládá, že vnitřní kmen tvořený laserovým šokem na povrchu komponenty je necitlivý na geometrii složky. Simulační proces se zaměřuje pouze na plastový napětí vyvolaný laserovým šokem. Krezolovací pole velkého - oblasti Multi - Bodový laserový šok komponenty se získá superpozicí vnitřního napětí a termoelastický model se používá k získání konečného reziduálního napětí a plastové deformace.
V posledních letech použili relevantní vědci doma i v zahraničí tento model pro numerickou simulaci zbytkových napěťových polí laserových šoků posilování různých komplexních složek. Výpočetní účinnost tohoto modelu vnitřního kmene je výrazně vylepšena ve srovnání s tradičním modelem a zavedený model může účinně předpovídat pole zbytkového napětí vyvolaného laserovým šokem.
