Laser Shock Peening: Inovasi Teknologi Pengukuhan Surface dari Makmal ke Tapak Perindustrian
Teknologi kejutan kejutan laser, proses inovatif yang dikenali sebagai "revolusi pengukuhan permukaan bahan", secara senyap -senyap membentuk semula landskap pembuatan akhir -. Dari sekilas pertama mengubah struktur mikro aloi aluminium di makmal Amerika kepada amalan perindustrian pemprosesan bilah Boeing 777; Dari kelahiran barisan pengeluaran nadi berterusan pertama di China hingga terobosan sistem pengukuhan cakera bilah integral, ia menggunakan plasma voltan yang tinggi - untuk mengukir perisai pelindung "anti -" pada permukaan logam.
Apabila rasuk laser nanosecond bertabrakan dengan logam, pengewapan dan penyejatan lapisan penyerapan tenaga adalah seperti letupan mikro, menimbulkan ultra - gelombang kejutan tekanan tinggi, menenun rangkaian padat tekanan mampatan sisa di dalam bahan. Pemilihan lapisan kekangan adalah seperti jahitan - kesan utama kaca dan penyesuaian industri aliran air, fleksibiliti cat hitam tetapi sukar untuk dikeluarkan, dan kemudahan kerajang aluminium menjadi pilihan pertama. Dalam bidang simulasi berangka, interweaving algoritma eksplisit dan tersirat dan inovasi model ketegangan intrinsik membuat proses pengoptimuman proses dari "percubaan dan kesilapan" kepada "pengiraan tepat".
Ini bukan sahaja evolusi teknologi, tetapi juga pengisytiharan industri pembuatan untuk "mencabar had": bagaimana "hati" enjin pesawat menahan puluhan ribu kesan? Bagaimanakah reaktor nuklear dapat menahan tekanan dekad? Bolehkah implan biologi mencari keseimbangan antara ketangguhan dan kemerosotan? Peening kejutan laser menggunakan kuasa foton untuk menulis jawapan kepada masalah yang sukar ini.
Teknologi kejutan kejutan laser, yang juga dikenali sebagai laser pukulan peening, adalah teknologi pengubahsuaian permukaan yang baru, berkesan dan cepat berkembang. Berbanding dengan teknologi peening pukulan mekanikal tradisional, ia boleh membentuk lapisan tekanan mampatan sisa yang lebih mendalam di permukaan bahan kerja, dan mempunyai kawalan yang kuat dan kebolehsuaian yang baik, dan boleh mengendalikan sukar - ke - mengendalikan bahagian. Pada masa ini, teknologi ini telah digunakan secara meluas dalam keletihan - pembuatan tahan seperti bilah enjin pesawat, gear, dan kimpalan tekanan loji kuasa nuklear. Dengan penurunan harga peralatan laser, teknologi kejutan laser akan digunakan secara meluas.
Teknologi kejutan kejutan laser digunakan secara meluas dalam kejuruteraan.
Pada tahun 1972, Amerika Syarikat menggunakan laser kuasa tinggi - - gelombang kejutan yang disebabkan untuk merawat aloi aluminium kekuatan tinggi untuk pertama kali, dan mendapati bahawa mikrostruktur permukaannya berubah dan lebih tinggi. Pada akhir 1980 -an, negara -negara dan wilayah seperti Eropah, Jepun, dan Israel telah menjalankan penyelidikan mengenai teknologi kejutan laser.
Pada tahun 1995, syarikat teknologi pemprosesan kejutan laser pertama di dunia ditubuhkan di Amerika Syarikat. Pada tahun 1997, General Motors menggunakan teknologi pemprosesan kejutan laser untuk memproses bilah kipas enjin pesawat, sangat meningkatkan toleransi mereka terhadap kerosakan objek asing. Pada tahun 2001, syarikat teknologi pemprosesan kejutan laser Amerika melakukan kejutan laser pada lebih daripada 800 enjin rolls - Royce. Pada tahun 2004, syarikat itu bekerjasama dengan Makmal Tentera Udara AS untuk menjalankan penyelidikan pembaikan peening laser pada bilah aloi titanium enjin yang rosak pada F/A - 22, dan kekuatan keletihannya dua kali ganda. Pada tahun yang sama, Amerika Syarikat secara rasmi mengisytiharkan spesifikasi pemprosesan kejutan laser, dan teknologi itu digunakan untuk pemprosesan bilah Boeing 777. Pada tahun 2012, Amerika Syarikat berjaya membangunkan peralatan pemprosesan kejutan laser mudah alih yang boleh memasuki tapak perindustrian untuk menyediakan perkhidmatan masa nyata. Pada tahun 2002, Toshiba Corporation of Japan menggunakan laser kecil untuk memproses kimpalan seperti kapal tekanan reaktor nuklear dan sendi paip untuk meningkatkan kehidupan keletihan bahagian.
Cendekiawan asing juga telah menggunakan teknologi pemprosesan kejutan laser untuk mengukuhkan logam dan aloi bioperubatan, meningkatkan kekerasan, kekuatan hasil dan kehidupan keletihan implan tetap, dan mengurangkan kadar degradasi implan degradasi seperti kalsium - aloi magnesium.
Penyelidikan domestik mengenai teknologi pemprosesan kejutan laser bermula pada tahun 1990 -an, terutamanya memberi tumpuan kepada satu siri kajian eksperimen dan perbincangan teoritis yang berkaitan dengan aloi dan keluli aluminium. Sejak tahun 1992, Nanjing University of Aeronautics dan Astronautics telah bekerjasama dengan Universiti Sains dan Teknologi China untuk menjalankan penyelidikan mengenai pengukuhan kejutan laser dan rintangan keletihan pembuatan bahagian struktur penerbangan. Pada tahun 1995, peranti pengukuhan kejutan laser pertama untuk percubaan kejutan laser tunggal di China berjaya dibangunkan di Universiti Sains dan Teknologi China. Pada tahun 2008, Universiti Kejuruteraan Tentera Udara, bersempena dengan Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. dan Beijing Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., berjaya membangunkan barisan pengeluaran pengukuhan kejutan laser yang pertama di negara saya. Pada tahun 2011, set pertama Peralatan Sistem Pengukuhan Kejutan Blade Laser yang pertama telah berjaya dibangunkan di Institut Automasi Shenyang, Akademi Sains China, dan dihantar ke Shenyang Liming Engine Co., Ltd. untuk digunakan.
Mekanisme dan mempengaruhi faktor kejutan laser
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) lapisan plasma. Peening kejutan laser menggunakan gelombang kejutan yang kuat yang menyebarkan ke dalam bahan yang disebabkan oleh beban impak yang digunakan oleh lapisan plasma tekanan tinggi - pada sasaran.
Bahan lapisan terkawal yang kini digunakan terutamanya termasuk kaca optik K9, kaca organik dan lapisan aliran air. Lapisan bahan kaca yang dikekang mempunyai kesan terbaik, tetapi mempunyai kesesuaian yang buruk dan akan pecah, yang hanya sesuai untuk rawatan kejutan laser tunggal. Umumnya, lapisan aliran air digunakan sebagai lapisan terkawal dalam ujian kejutan laser dan aplikasi perindustrian. Ia mempunyai kelebihan kebolehgunaan yang kukuh, kos rendah, operasi mudah, dan tidak memerlukan penggantian. Kecuali sebilangan kecil proses rawatan kejutan laser yang tidak menggunakan lapisan penyerapan tenaga, kebanyakannya memerlukan lapisan penyerapan tenaga. Lapisan penyerapan tenaga yang biasa digunakan terutamanya bahan dengan haba pengewapan yang rendah seperti cat hitam, kerajang aluminium dan pita hitam. Cat hitam mempunyai kebolehgunaan yang baik dan boleh digunakan untuk rawatan laser kejutan laser alur, lubang kecil, dan lain -lain, tetapi tidak mudah dikeluarkan selepas kejutan selesai, jadi foil aluminium dan pita hitam biasanya digunakan sebagai lapisan penyerapan tenaga.
Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi kesan kejutan laser, terutamanya sifat bahan, lapisan kekangan, lapisan penyerapan tenaga, parameter kejutan laser, dan lain -lain. Jika ketumpatan kuasa laser tetap tidak berubah, semakin panjang lebar denyutan laser, semakin lama gelombang kejutan laser bertindak pada bahan yang lebih baik. Walau bagaimanapun, jika lebar nadi laser terlalu besar, ia sangat mudah untuk menyebabkan luka bakar bahan yang terjejas. Hanya dengan memilih lapisan kekangan yang munasabah, lapisan penyerapan tenaga dan parameter kejutan laser mengikut sifat -sifat bahan dapat menguatkan kesan yang lebih baik.
Simulasi berangka simulasi numerik kejutan laser membantu mendapatkan parameter proses optimum untuk aplikasi tertentu, dan secara beransur -ansur menjadi cara penting untuk mengkaji kejutan laser. Para ulama domestik dan asing telah melakukan banyak penyelidikan mengenai pemodelan dan pengoptimuman kejutan laser. Pada masa ini, industri telah membuat kemajuan besar dalam analisis dinamik yang jelas + analisis statik tersirat laser kejutan peening kaedah simulasi berangka, dan kaedah simulasi numerik kejutan laser berdasarkan ketegangan intrinsik.
Apabila lapisan plasma tekanan tinggi - memberi kesan kepada bahan sasaran, bahan di kawasan kesan mengalami ubah bentuk plastik kadar terikan yang tinggi, dan tindak balas struktur berubah dengan cepat, yang merupakan masalah dinamik kelajuan tinggi -. Jika algoritma elemen terhingga yang tersirat digunakan untuk menyelesaikan masalah jenis ini, ia bukan sahaja memerlukan sejumlah besar pengiraan dan penyimpanan, tetapi juga mengalami kesukaran dalam penumpuan pengiraan. Ia perlu menggunakan kaedah analisis unsur terhingga yang jelas untuk menyelesaikan gelombang tekanan yang dihasilkan oleh kesan plasma. Khususnya, penggunaan komprehensif kaedah analisis elemen terhingga yang jelas dan tersirat untuk melakukan simulasi berangka proses tindak balas dinamik bahan di bawah tindakan gelombang kejutan adalah kondusif untuk mendapatkan hasil ramalan medan tekanan yang tepat.
Apabila satu - titik kejutan laser sisa pengiraan tekanan dan kaedah superposisi digunakan untuk mensimulasikan kejutan laser yang bertindih di kawasan yang besar, jumlah pengiraan sering besar, dan memerlukan banyak masa untuk mendapatkan medan tekanan sisa spesimen. Di samping itu, disebabkan oleh pengaruh besar geometri bahan kerja pada medan tekanan sisa, sukar untuk mensimulasikan medan tegasan sisa multi - titik pertindihan laser kejutan pengerasan komponen sebenar dengan permukaan melengkung kompleks menggunakan kaedah superposisi tekanan.
Untuk menyelesaikan kedua -dua masalah ini, sesetengah penyelidik telah menubuhkan model berangka berdasarkan ketegangan intrinsik untuk mensimulasikan medan tekanan sisa pengerasan kejutan laser. Model ini menganggap bahawa ketegangan intrinsik yang dibentuk oleh kejutan laser pada permukaan komponen tidak sensitif kepada geometri komponen. Proses simulasi hanya memberi tumpuan kepada ketegangan plastik yang disebabkan oleh kejutan laser. Bidang ketegangan besar - kawasan multi - kejutan laser titik komponen diperolehi oleh superposisi ketegangan intrinsik, dan model thermoelastic digunakan untuk mendapatkan medan tekanan sisa akhir dan deformasi plastik.
Dalam tahun -tahun kebelakangan ini, para ulama yang relevan di rumah dan di luar negara telah menggunakan model ini untuk simulasi berangka bidang tekanan sisa pengukuhan kejutan laser komponen kompleks yang berbeza. Kecekapan pengiraan model ketegangan intrinsik ini sangat bertambah baik berbanding dengan model tradisional, dan model yang ditubuhkan dapat meramalkan medan tekanan sisa yang disebabkan oleh kejutan laser.
