Lézeres sokk -peening: A felületi erősítő technológia innovációja laboratóriumtól ipari helyig
A lézeres sokk -peening technológia, az "Anyagfelület erősítő forradalmának" nevezett innovatív folyamat csendesen átalakítja a magas - end gyártási tájat. Az alumíniumötvözet mikroszerkezetének megváltoztatásának első pillantásától az amerikai laboratóriumban a Boeing 777 Blade feldolgozásának ipari gyakorlatáig; Az első folyamatos impulzus előállítási vonal születésétől kezdve Kínában az integrált penge -lemez erősítő rendszer áttöréséig a magas - feszültség plazma pillanatnyi robbantását használja anti - fáradtság "védőpajzs" faragására a fém felületén.
Amikor a nanosekundumos lézernyaláb ütközik a fémkel, az energiaelnyelő réteg párologtatása és párologtatása olyan, mint egy mikrorobbanás, ami ultra - nagynyomású sokkhullámokat eredményez, és a maradék kompressziós feszültség sűrű hálózatát az anyag belsejében szövi. A kényszerréteg kiválasztása olyan, mint a - testreszabás az üveg végső hatása és a vízáram ipari adaptációja, a fekete festék rugalmassága, de nehéz eltávolítani, és az alumíniumfólia kényelme az első választás. A numerikus szimuláció területén az explicit és implicit algoritmusok összefonódása, valamint a belső törzsmodell innovációja a folyamat optimalizálását teszi a "próba és hiba" -ról a "pontos számításra".
Ez nemcsak egy technológia fejlődése, hanem a gyártóipar nyilatkozata is, hogy "megtámadja a korlátot": Hogyan ellenállhat egy repülőgép -motor "szíve" több tízezer hatással? Hogyan ellenállhat egy nukleáris reaktor hegesztése évtizedes nyomásnak? Megtalálhatja -e a biológiai implantátumok egyensúlyt a keménység és a lebomlás között? A lézeres sokk -peening a fotonok erejét használja, hogy válaszokat írjon ezekre a nehéz problémákra.
A lézeres sokk -peening technológia, más néven lézeres peening, egy új, hatékony és gyorsan fejlődő felületmódosítási technológia. A hagyományos mechanikus felvételi technológiával összehasonlítva mélyebb maradék nyomóstresszréteget képezhet a munkadarab felületén, erős kontrollálhatósággal és jó alkalmazkodóképességgel rendelkezik, és képes kezelni a nehéz - -et a - kezelési alkatrészekre. Jelenleg ezt a technológiát széles körben használják a - ellenálló gyártásban, például a repülőgép -motor pengékében, a fogaskerekekben és az atomerőmű nyomásahegesztésében. A lézeres berendezések árának további csökkenésével a lézerütés -peening technológiát szélesebb körben használják.
A lézeres sokk -peening technológiát széles körben használják a mérnöki munkában.
1972 -ben az Egyesült Államok magas - teljesítményű lézert használt a - indukált sokkhullámokhoz a magas - szilárdsági alumíniumötvözetek kezelésére először, és megállapította, hogy a felszíni mikroszerkezete megváltozott, és a szorítószilárdság több mint 30%-kal növekedett, ami a lézer -sokkoló kutatáshoz nyitotta meg az előadót. Az 1980 -as évek végén az olyan országok és régiók, mint Európa, Japán és Izrael kutatást végeztek a lézeres sokk -peening technológiáról.
1995 -ben az Egyesült Államokban alapították a világ első lézeres sokk -feldolgozó technológiai vállalatát. 1997 -ben a General Motors lézerütés -feldolgozási technológiát alkalmazott a repülőgép -motor ventilátor pengék feldolgozására, ami jelentősen javította az idegen tárgykárosodásokkal szembeni toleranciájukat. 2001 -ben az American Laser Shock feldolgozó technológiai vállalat lézeres sokkot végzett több mint 800 Rolls - Royce motoron. 2004 -ben a vállalat együttműködött az Egyesült Államok Légierő Laboratóriumával a sérült motor titánötvözetű pengékkel kapcsolatos lézeres lövés -javítási kutatások elvégzésében az F/A - 22 -en, és fáradtsági ereje megduplázódott. Ugyanebben az évben az Egyesült Államok hivatalosan kihirdette a lézer sokk-feldolgozási specifikációt, és a technológiát alkalmazták a Boeing 777 pengefeldolgozására. 2012-ben az Egyesült Államok sikeresen kifejlesztett egy mobil lézer-sokk-feldolgozó berendezést, amely beléphet az ipari helyszínre, hogy valós idejű szolgáltatásokat nyújtson. 2002 -ben a japán Toshiba Corporation kis lézereket használt a hegesztések feldolgozására, például a nukleáris reaktor nyomás edényeivel és a csőízületekkel az alkatrészek fáradtságának javítása érdekében.
A külföldi tudósok lézeres sokk -feldolgozási technológiát is alkalmaztak az orvosbiológiai fémek és ötvözetek erősítésére, az állandó implantátumok keménységének javítására, a termés és a fáradtság élettartamának csökkentésére, valamint a lebomlási implantátumok, például a kalcium - magnézium -ötvözetek lebomlási sebességének csökkentésére.
Az 1990 -es években kezdődött a lézeres sokk -feldolgozási technológiával kapcsolatos háztartási kutatások, elsősorban a kísérleti tanulmányok sorozatára, valamint az alumíniumötvözetekről és acélokról szóló elméleti vitákra összpontosítva. 1992 óta a Nanjingi Repülési és űrhajózási Egyetem együttműködött a Kínai Tudományos és Technológiai Egyetemen a repülési szerkezeti részek lézer -sokk erősítésének és fáradtság -ellenállásának előállításának kutatásában. 1995 -ben sikeresen fejlesztették ki a kínai tudományos és technológiai egyetemen. 2008 -ban a Légierő Műszaki Egyeteme, a Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. -vel és a Peking Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd. -vel együtt sikeresen fejlesztette ki országom első folyamatos impulzusos lézer -erősítő sorozatát. 2011 -ben az én országom első integrált penge -lézer -erősítő rendszer berendezéseit sikeresen fejlesztették ki a Shenyangi Automatizálási Intézetben, a Kínai Tudományos Akadémián, és a Shenyang Liming Engine Co., Ltd. -nek szállították.
A lézerütés -ütés mechanizmusa és befolyásoló tényezői
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 réteg. A lézerütés a peening az erős ütéshullámot használja az anyagba, amelyet a célon lévő magas - nyomás plazma réteg által alkalmazott ütés -terhelés okoz.
A jelenleg alkalmazott korlátozott rétegű anyagok főként a K9 optikai üveg, a szerves üveg és a vízáramlási réteget tartalmazzák. Az üveg anyag által korlátozott rétegnek a legjobb hatása van, de rossz alkalmazkodóképességgel rendelkezik, és megszakad, ami csak egyetlen lézer sokkkezeléshez alkalmas. Általában a vízáramlási réteget használják korlátozott rétegként a lézerütéses tesztekben és az ipari alkalmazásokban. Ennek előnyei vannak az erős alkalmazhatóság, az alacsony költségek, a könnyű működés és a csere szükségességének. Kivéve néhány lézeres sokkkezelési eljárást, amelyek nem használnak energiaelnyelésrétegeket, ezek többsége energiaelnyelésrétegeket igényel. Az általánosan használt energiaelnyelő rétegek elsősorban alacsony párologtatási hővel rendelkező anyagok, például fekete festék, alumínium fólia és fekete szalag. A fekete festéknek jó alkalmazhatósága van, és felhasználható a hornyok, a kis lyukak stb. Lézer sokkoló kezelésére, de a sokk befejezése után nem könnyű eltávolítani, így az alumínium fóliát és a fekete szalagot általában energiaelnyelési rétegekként használják.
Számos olyan tényező befolyásolja a lézer sokk -peening, elsősorban az anyagtulajdonságok, a kényszerréteg, az energia abszorpciós réteg, a lézer sokkparaméterek stb. Ha azonban a lézerimpulzus szélessége túl nagy, akkor nagyon könnyű okozni az érintett anyag felszíni égetését. Csak az ésszerű korlátozó réteg kiválasztásával jobb erősítő hatást érhet el az energiaelnyelésréteg és a lézer sokk paramétereinek az anyag tulajdonságai szerint.
A lézerütéses peening numerikus szimuláció numerikus szimulációja elősegíti az optimális folyamatparaméterek elérését az egyes alkalmazásokhoz, és fokozatosan fontos eszközévé vált a lézer sokkok tanulmányozásához. A hazai és a külföldi tudósok sok kutatást végeztek a lézeres sokkok modellezéséről és optimalizálásáról. Jelenleg az iparág nagy előrelépést ért el az explicit dinamikus elemzés + implicit statikus elemzésben, a lézer sokkoló numerikus szimulációs módszert és a lézer sokkoló numerikus szimulációs módszert a belső törzsön alapuló.
Ha a magas - nyomás plazma réteg befolyásolja a célanyagot, az ütköző területen lévő anyag nagy feszültségű plasztikai deformáción megy keresztül, és a szerkezeti válasz nagyon gyorsan megváltozik, ami nagyon nemlineáris magas- sebesség -dinamikus probléma. Ha az implicit véges elem algoritmust használják az ilyen típusú probléma megoldására, akkor nemcsak nagy mennyiségű számítás és tárolás szükséges, hanem nehezen tudja a számítási konvergenciát is. Kifejezett véges elem -elemzési módszert kell használni a plazma hatás által generált stresszhullám megoldására. Különösen az explicit és implicit véges elem -elemzési módszerek átfogó felhasználása az anyag dinamikus válaszfolyamatának numerikus szimulációjának elvégzésére a sokkhullám hatása alatt, elősegíti a pontos maradék stressz -mező előrejelzési eredményeinek elérését.
Ha a multi - pont lézer sokkmaradvány -kiszámítását és a szuperpozíciós módszert használják a multi - pont átfedésben lévő lézer sokk szimulálására egy nagy területen, a teljes számítás gyakran óriási, és sok időbe telik a minta maradék stresszmezőjének megszerzése. Ezen túlmenően, mivel a munkadarab geometriájának nagy hatása a maradék stresszmezőre, nehéz pontosan szimulálni a multi - pont átfedési lézer -sokkkeményítését komplex ívelt felületekkel a stressz szuperpozíciós módszerrel.
A két probléma hatékony megoldása érdekében egyes kutatók beállítottak egy numerikus modellt, amely belső törzsen alapul, hogy szimulálja a lézer sokk edzésének maradék feszültségét. Ez a modell feltételezi, hogy a komponens felületén lézer sokk által képződött belső törzs érzéketlen az összetevő geometriájára. A szimulációs folyamat csak a lézer sokk által kiváltott műanyag törzsre összpontosít. A nagy - terület multi - pontos lézer sokkját a komponens lézer sokkját a belső törzs szuperpozíciójával kapjuk, és egy termoelasztikus modellt használunk a végső maradék feszültség és a plasztikai deformáció eléréséhez.
Az utóbbi években az otthoni és külföldön lévő releváns tudósok ezt a modellt használták a különböző komplex komponensek lézer -sokk megerősítésének maradék stresszmezőinek numerikus szimulációjához. Ennek a belső törzsmodellnek a számítási hatékonysága jelentősen javul a hagyományos modellhez képest, és a megállapított modell hatékonyan képes megjósolni a lézeres sokk által kiváltott maradék stresszmezőt.
