Laser -schok Pening: innovatie van oppervlakteversterkingstechnologie van laboratorium tot industriële site
Laser Shock Peening Technology, een innovatief proces dat bekend staat als de "materiële oppervlakversterkingsrevolutie", hervormt stilletjes het hoge - eindproductielandschap. Van de eerste glimp van het veranderen van de microstructuur van aluminiumlegering in het Amerikaanse laboratorium naar de industriële praktijk van Boeing 777 Blade -verwerking; Van de geboorte van de eerste continue pulsproductielijn in China tot de doorbraak van het integrale messchijfversterkingssysteem, het gebruikt de onmiddellijke uitbarsting van hoog - spanningsplasma om een anti -} vermoeidheid "beschermend schild" op het metaaloppervlak te snijden.
Wanneer de nanoseconde laserstraal botst met het metaal, is de verdamping en verdamping van de energieabsorptielaag als een micro -explosie, wat aanleiding geeft tot ultra - hogedrukschokgolven, een dicht netwerk van resterende compressieve stress in het materiaal. De selectie van de beperkingslaag is als het afstemmen van - Het ultieme effect van glas en de industriële aanpassing van de waterstroom, de flexibiliteit van zwarte verf maar moeilijk te verwijderen, en het gemak van aluminiumfolie wordt de eerste keuze. Op het gebied van numerieke simulatie maakt het verweven van expliciete en impliciete algoritmen en de innovatie van het intrinsieke stammodel de procesoptimalisatie van "vallen en opstaan" naar "nauwkeurige berekening".
Dit is niet alleen de evolutie van een technologie, maar ook een verklaring van de productie -industrie om "de limiet uit te dagen": hoe kan het "hart" van een vliegtuigmotor tienduizenden effecten weerstaan? Hoe kan een nucleaire reactor -las tientallen jaren van druk weerstaan? Kunnen biologische implantaten een evenwicht vinden tussen taaiheid en afbraak? Laser shock peening gebruikt de kracht van fotonen om antwoorden op deze moeilijke problemen te schrijven.
Laser shock peening -technologie, ook bekend als laser shot peening, is een nieuwe, effectieve en snel ontwikkelende oppervlaktemodificatietechnologie. Vergeleken met traditionele mechanische shot peeningstechnologie, kan het een diepere resterende drukspanningslaag op het oppervlak van het werkstuk vormen en heeft het een sterke controleerbaarheid en goed aanpassingsvermogen, en kan het moeilijk zijn om - aan - te verwerken. Momenteel is deze technologie veel gebruikt in vermoeidheid - resistente productie zoals vliegtuigmotorbladen, tandwielen en druklassen van kerncentrales. Met de verdere daling van de prijs van laserapparatuur zal laserschokpeertechnologie breder worden gebruikt.
Laser shock peening -technologie wordt veel gebruikt in engineering.
In 1972 gebruikten de Verenigde Staten hoog - Power Laser - geïnduceerde schokgolven om hoog {- sterkte aluminiumlegeringen voor het eerst te behandelen en ontdekten dat de oppervlakte -microstructuur veranderde en de treksterkte toenam met meer dan 30%, die de prelude opende voor het proleuzen van de prelues naar laserhokkeerlingonderzoek. In de late jaren tachtig hebben landen en regio's zoals Europa, Japan en Israël onderzoek gedaan naar laserschokpeertechnologie.
In 1995 werd 's werelds eerste Laser Shock Processing Technology Company opgericht in de Verenigde Staten. In 1997 gebruikten General Motors laserschokverwerkingstechnologie om vliegtuigmotorventilatels te verwerken, waardoor hun tolerantie voor schade aan het buitenlands objecten aanzienlijk werd verbeterd. In 2001 voerde het American Laser Shock Processing Technology Company laserschokpeening uit op meer dan 800 motoren van Rolls - Royce. In 2004 werkte het bedrijf samen met het US Air Force Laboratory om laseropname te herstellende reparatieonderzoek op beschadigde titaniumlegeringsmotorbladen op de f/a - 22, en de vermoeidheidssterkte werd verdubbeld. In hetzelfde jaar hebben de Verenigde Staten de specificatie van de laserschokverwerking officieel afgekondigd en werd de technologie toegepast op de Blade-verwerking van Boeing 777. In 2012 ontwikkelden de Verenigde Staten met succes een mobiele laserschokverwerkingsapparatuur die de industriële site kan betreden om realtime diensten te bieden. In 2002 gebruikte Toshiba Corporation in Japan kleine lasers om lassen zoals nucleaire reactor drukvaten en pijpverbindingen te verwerken om de vermoeidheidsleven van onderdelen te verbeteren.
Buitenlandse wetenschappers hebben ook laserschokverwerkingstechnologie gebruikt om biomedische metalen en legeringen te versterken, de hardheid te verbeteren, de kracht van de vermoeidheid van permanente implantaten te verbeteren en de afbraaksnelheid van afbreekbare implantaten zoals calcium - magnesiumlegeringen te verminderen.
Binnenlands onderzoek naar laserschokverwerkingstechnologie begon in de jaren negentig, voornamelijk gericht op een reeks experimentele studies en gerelateerde theoretische discussies over aluminiumlegeringen en staalsoorten. Sinds 1992 heeft de Nanjing University of Aeronautics en Astronautics samengewerkt met de University of Science and Technology of China om onderzoek te doen naar de productie van laserschokversterking en vermoeidheid weerstand van structurele onderdelen van luchtvaart. In 1995 werd het eerste laserschokversterkingsapparaat voor single laser shock -experiment in China met succes ontwikkeld aan de University of Science and Technology of China. In 2008 ontwikkelde de Air Force Engineering University, in combinatie met Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. en Beijing Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., met succes de eerste continue pulslaserschok van mijn land. In 2011 werd de eerste set van mijn land van integrale laserschokversterkingssysteemapparatuur met succes ontwikkeld bij het Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences en geleverd aan Shenyang Liming Engine Co., Ltd.
Mechanisme en beïnvloedende factoren van laserschokpeening
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) Plasma -laag. Laser shock peening maakt gebruik van de sterke schokgolf die zich voortplant in het materiaal veroorzaakt door de impactbelasting die wordt toegepast door de hoge - drukplasma -laag op het doel.
De beperkte laagmaterialen die momenteel worden gebruikt, zijn voornamelijk K9 optisch glas, organisch glas en waterstroomlaag. De beperkte laag van het glasmateriaal heeft het beste effect, maar heeft een slecht aanpassingsvermogen en zal breken, wat alleen geschikt is voor een enkele laserschokbehandeling. Over het algemeen wordt de waterstroomlaag gebruikt als de beperkte laag in laserschoktests en industriële toepassingen. Het heeft de voordelen van sterke toepasbaarheid, lage kosten, gemakkelijke werking en geen behoefte aan vervanging. Met uitzondering van een klein aantal laserschokbehandelingsprocessen die geen energie -absorptielagen gebruiken, hebben de meeste van hen energieabsorptielagen nodig. Veelgebruikte energieabsorptielagen zijn voornamelijk materialen met lage verdampingswarmte zoals zwarte verf, aluminiumfolie en zwarte tape. Zwarte verf heeft een goede toepasbaarheid en kan worden gebruikt voor laserschokbehandeling van groeven, kleine gaten, enz., Maar het is niet eenvoudig te verwijderen nadat de schok is voltooid, dus aluminiumfolie en zwarte tape worden over het algemeen gebruikt als energieabsorptielagen.
Er zijn veel factoren die het effect beïnvloeden van laserschokpeering, voornamelijk materiaaleigenschappen, beperkingslaag, energieabsorptielaag, laserschokparameters, enz. Als de laservermogendichtheid ongewijzigd blijft, hoe langer de laserpulsbreedte, hoe langer de laser -schokgolf op het materiaal werkt en hoe beter het lasschokkend effect. Als de laserpulsbreedte echter te groot is, is het heel eenvoudig om oppervlaktebrandwonden van het materiaal te veroorzaken dat wordt beïnvloed. Alleen door een redelijke beperkingslaag te selecteren, kan energieabsorptielaag en laserschokparameters volgens materiaaleigenschappen een beter versterkingseffect worden bereikt.
Numerieke simulatie van numerieke simulatie van laserschokken helpt bij het verkrijgen van de optimale procesparameters voor specifieke toepassingen, en is geleidelijk een belangrijk middel geworden om laserschokken te bestuderen. Binnenlandse en buitenlandse wetenschappers hebben veel onderzoek gedaan naar de modellering en optimalisatie van laserschokken. Momenteel heeft de industrie grote vooruitgang geboekt in de expliciete dynamische analyse + impliciete statische analyse laser shock peening numerieke simulatiemethode, en de laser shock peening numerieke simulatiemethode op basis van intrinsieke stam.
Wanneer de hoge {- drukplasma -laag het doelmateriaal beïnvloedt, ondergaat het materiaal in het impactgebied een hoge spanningssnelheid plastische vervorming en verandert de structurele respons zeer snel, wat een zeer niet -lineair hoog - snelheidsdynamisch probleem is. Als het impliciete eindige -elementalgoritme wordt gebruikt om dit type probleem op te lossen, vereist het niet alleen een grote hoeveelheid berekening en opslag, maar heeft het ook moeite met de berekeningsconvergentie. Het is noodzakelijk om een expliciete analysemethode voor eindige elementen te gebruiken om de stressgolf op te lossen die wordt gegenereerd door de impact van plasma. In het bijzonder is het uitgebreide gebruik van expliciete en impliciete eindige elementanalysemethoden om numerieke simulatie van het dynamische responsproces van het materiaal uit te voeren onder de werking van de schokgolf bevorderlijk voor het verkrijgen van nauwkeurige resultaten voor het voorspelling van restspanning.
Wanneer de single {- punt laserschokrestrekening en superpositiemethode worden gebruikt om de multi {- punt overlappende laserschok in een groot gebied te simuleren, is de totale hoeveelheid berekening vaak enorm, en het kost veel tijd om het residuele spanningsveld van het exemplaar te verkrijgen. Vanwege de grote invloed van de werkstukgeometrie op het resterende stressveld is het bovendien moeilijk om het resterende spanningsveld van multi {- punt overlappende laserschokharding van echte componenten met complexe gebogen oppervlakken te simuleren met behulp van de stress -superpositiemethode.
Om deze twee problemen effectief op te lossen, hebben sommige onderzoekers een numeriek model opgezet op basis van intrinsieke stam om het resterende stressveld van laserschokharding te simuleren. Dit model veronderstelt dat de intrinsieke stam gevormd door laserschok op het oppervlak van de component ongevoelig is voor de componentgeometrie. Het simulatieproces richt zich alleen op de plastic spanning die wordt veroorzaakt door laserschok. Het stamveld van het grote - gebied multi - puntlaserschok van de component wordt verkregen door superpositie van intrinsieke stam en een thermoelastisch model wordt gebruikt om het uiteindelijke restspanningsveld en plastic vervorming te verkrijgen.
In de afgelopen jaren hebben relevante wetenschappers in binnen- en buitenland dit model gebruikt voor numerieke simulatie van resterende stressvelden van laserschokversterking van verschillende complexe componenten. De rekenefficiëntie van dit intrinsieke stammodel is sterk verbeterd in vergelijking met het traditionele model, en het gevestigde model kan effectief het resterende stressveld voorspellen dat wordt geïnduceerd door laserschok.
