Лазерно изписване на шок: иновации на технологията за укрепване на повърхността от лаборатория до индустриална площадка
Технологията за лазерно шоково пиене, иновативен процес, известен като „Революцията за укрепване на повърхността на материала“, тихо променя високия пейзаж на крайния производствен край-. От първия поглед върху промяната на микроструктурата на алуминиевата сплав в американската лаборатория до индустриалната практика на обработката на остриета Boeing 777; От раждането на първата непрекъснато производство на импулси в Китай до пробив на интегралната система за укрепване на диска на острието, тя използва моменталния изблик на високо - плазма за напрежение, за да издълбае анти - протективен щит "на металната повърхност.
Когато лазерният лъч на наносекундата се сблъска с метала, изпаряването и изпаряването на енергийния абсорбционен слой е като микро експлозия, което води до ултра - шокови вълни с високо налягане, тъкайки плътна мрежа от остатъчен компресивен стрес вътре в материала. Изборът на ограничителния слой е като шивашки - крайният ефект на стъклото и индустриалната адаптация на водния поток, гъвкавостта на черната боя, но трудна за отстраняване, а удобството на алуминиевото фолио става първият избор. В областта на числената симулация, преплитането на изрични и имплицитни алгоритми и иновациите на модела на вътрешния щам превръща оптимизацията на процеса от „опит и грешка“ към „прецизно изчисление“.
Това е не само развитието на технологията, но и декларацията на производствената индустрия да "оспори лимита": как "сърцето" на двигателя на самолета може да издържи на десетки хиляди въздействия? Как може да заварява заварката на ядрения реактор, издържал десетилетия на налягане? Могат ли биологичните импланти да намерят баланс между здравина и деградация? Лазерният шок вингът използва силата на фотоните, за да напише отговори на тези трудни проблеми.
Технологията за лазерно шоково пиене, известна още като лазерно изстрел, е нова, ефективна и бързо развиваща се технология за модификация на повърхността. В сравнение с традиционната технология за механично изстрелване, тя може да образува по -дълбок остатъчен слой на напрежение на натиск върху повърхността на детайла и има силна контролируемост и добра адаптивност и може да се справи с трудни - до - обработка на части. Понастоящем тази технология е широко използвана при умора - устойчиво производство, като остриета на самолетните двигатели, зъбни колела и заваръчни заварки на атомна електроцентрала. С по -нататъшния спад на цената на лазерното оборудване, технологията за пиене на лазерен удар ще бъде по -широко използвана.
Технологията за лазерно шоково пиене се използва широко в инженерството.
През 1972 г. Съединените щати използваха високо - мощност лазер - индуцирани шокови вълни за лечение на високи - силови алуминиеви сплави за първи път и установяват, че неговата повърхностна микроструктура се променя и силата на напрежението се увеличава с повече от 30%, което отваря прелюдата на лазерния шок. В края на 80 -те страни и региони като Европа, Япония и Израел провеждат изследвания на технологията за лазерно шоково пиене.
През 1995 г. в Съединените щати е основана първата компания за лазерна технология за обработка на шокове. През 1997 г. General Motors използва технологията за обработка на лазерен шок, за да обработва остриета на вентилатора на двигателя на самолетите, като значително подобрява толерантността си към увреждане на чужди обекти. През 2001 г. Американската компания за технологична обработка на лазерни шокове извърши лазерен шок, който наднича над 800 двигателя ролки - Royce. През 2004 г. компанията си сътрудничи с лабораторията за военновъздушни сили на САЩ за провеждане на лазерни изстрели за ремонт на ремонт на повредени остриета на титан на двигателя на F/A - 22 и якостта му на умора беше удвоена. През същата година Съединените щати официално обнародваха спецификацията за обработка на лазерния удар и технологията се прилага при обработката на острието на Boeing 777. През 2012 г. Съединените щати успешно разработиха мобилно оборудване за обработка на лазерен шок, което може да влезе в индустриалния сайт за предоставяне на услуги в реално време. През 2002 г. Toshiba Corporation of Japan използва малки лазери за обработка на заварки като съдове за налягане на ядрен реактор и тръбни фуги, за да подобри живота на умората на частите.
Чуждестранните учени също са използвали технологията за обработка на лазерен шок за укрепване на биомедицинските метали и сплави, подобряване на твърдостта, якостта на добив и живота на умората на постоянните импланти и намаляват скоростта на разграждане на разградимите импланти като калций - магнезиеви сплави.
Вътрешните изследвания на технологията за обработка на лазерни шокове започват през 90 -те години на миналия век, като се фокусират главно върху серия от експериментални проучвания и свързани теоретични дискусии относно алуминиевите сплави и стомани. От 1992 г. Нанкинският университет по аеронавтика и астронавтика си сътрудничи с Университета за наука и технологии на Китай, за да проведе изследвания за укрепване на лазерния шок и изработка на устойчивост на умора на авиационните структурни части. През 1995 г. първото устройство за укрепване на лазерния шок за експеримент с един лазерен шок в Китай е успешно разработено в Университета за наука и технологии на Китай. През 2008 г. Университетът за инженерство на военновъздушните сили, съвместно с Xi'an OptoElectronic Technology Development Co., Ltd. и Пекин Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., успешно разработи първата производствена линия за укрепване на лазерния шок в моята страна. През 2011 г. първият набор от интегрално оборудване за укрепване на лазерния шок на Blade беше успешно разработен в Института за автоматизация в Шенян, Китайската академия на науките и доставен до Shenyang Liming Engine Co., Ltd. за употреба.
Механизъм и влияещи фактори на лазерно изписване на шок
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) плазмен слой. Лазерният удар на шок използва силната ударна вълна, разпространяваща се в материала, причинен от удара, приложен от високия плазмен слой на налягане- върху целта.
Ограничените материали на слоя, които понастоящем се използват главно K9 оптично стъкло, органично стъкло и слой на водния поток. Слоят на стъкления материал има най -добър ефект, но има лоша адаптивност и ще се счупи, което е подходящо само за лечение с единичен лазерен шок. Като цяло слоят на водния поток се използва като ограничен слой при тестове за лазерен шок и индустриални приложения. Той има предимствата на силната приложимост, ниската цена, лесната работа и няма нужда от подмяна. С изключение на малък брой процеси на обработка на лазерен шок, които не използват слоеве за абсорбция на енергия, повечето от тях изискват слоеве за абсорбция на енергия. Често използваните слоеве за абсорбция на енергия са главно материали с ниска изпаряване на топлина като черна боя, алуминиево фолио и черна лента. Черната боя има добра приложимост и може да се използва за обработка на лазерни удари за обработка на канали, малки дупки и т.н., но не е лесно да се премахне след завършването на шока, така че алуминиевото фолио и черната лента обикновено се използват като слоеве за абсорбция на енергия.
Има много фактори, които влияят върху ефекта на лазерния удар, главно свойства на материала, ограничителния слой, абсорбционния слой на енергията, параметрите на лазерния удар и др. Ако плътността на лазерната мощност остане непроменена, колкото по -дълго е колкото по -дълъг е ширината на лазерния импулс, колкото по -дълго е времето, когато лазерната ударна вълна действа върху материала и по -добрата е по -добрата лечение на шока. Ако обаче ширината на лазерния импулс е твърде голяма, е много лесно да се причинят повърхностни изгаряния от материала, който се влияе. Само чрез избиране на разумен слой с ограничаване, параметрите на абсорбция на енергия и параметрите на лазерния удар според свойствата на материала може да се постигне по -добре укрепващ ефект.
Числената симулация на лазерно шоково пикантно числова симулация помага да се получат оптималните параметри на процеса за специфични приложения и постепенно се превръща в важно средство за изучаване на лазерен удар на шок. Вътрешните и чуждестранните учени са направили много изследвания за моделирането и оптимизирането на лазерно шок. Понастоящем индустрията постигна голям напредък в изричния динамичен анализ + имплицитен статичен анализ на лазерен шок, числен метод за симулация и методът на числената симулация на лазерния удар, базиран на вътрешен щам.
Когато високият плазмен слой на налягане на налягането повлиява на целевия материал, материалът в зоната на удара претърпява пластмасова деформация с висока скорост на напрежение и структурната реакция се променя много бързо, което е силно нелинейно високо - динамичен проблем на скоростта. Ако алгоритъмът на имплицитния краен елемент се използва за решаване на този тип проблем, той не само изисква голямо количество изчисление и съхранение, но и има затруднения в конвергенцията на изчислението. Необходимо е да се използва изричен метод за анализ на крайни елементи за решаване на напрежението, генерирана от плазменото въздействие. По -специално, цялостното използване на изрични и имплицитни методи за анализ на крайни елементи за извършване на числена симулация на процеса на динамична реакция на материала под действието на ударна вълна е благоприятно за получаване на точни резултати от прогнозиране на остатъчното напрежение.
Когато единичният метод за изчисляване на остатъчния стрес и суперпозицията на точката за лазерно изложение на лазерния удар се използват за симулиране на мулти - точка припокриване на лазерен шок в голяма площ, общото количество изчисление често е огромно и отнема много време, за да се получи полето за остатъчно напрежение на образеца. В допълнение, поради голямото влияние на геометрията на детайла върху полето за остатъчно напрежение, е трудно точно да се симулира полето на остатъчното напрежение на мулти - точка припокриване на лазерен шок на реални компоненти със сложни извити повърхности, използвайки метода на суперпозиция на напрежението.
За да решат ефективно тези два проблема, някои изследователи са установили числен модел, основан на вътрешен щам, за да симулират остатъчното поле на стрес при втвърдяване на лазерен шок. Този модел предполага, че вътрешният щам, образуван от лазерен шок на повърхността на компонента, е нечувствителен към геометрията на компонента. Процесът на симулация се фокусира само върху пластмасовия щам, индуциран от лазерен шок. Полето на напрежението с голям - зона Multi - точков лазерен шок на компонента се получава чрез суперпозиция на вътрешен щам и се използва термоеластичен модел за получаване на крайното остатъчно напрежение и пластмасовата деформация.
През последните години съответните учени у дома и в чужбина са използвали този модел за числено симулация на остатъчни стресови полета на укрепване на лазерен шок на различни сложни компоненти. Изчислителната ефективност на този модел на вътрешно напрежение е значително подобрена в сравнение с традиционния модел и установеният модел може ефективно да предвиди остатъчното напрежение, предизвикано от лазерен шок.
