Lasersjokk Peening: Innovasjon av overflatestyrkingsteknologi fra laboratorium til industristed
Laser sjokk peening -teknologi, en innovativ prosess kjent som "Material Surface Styrking Revolution", omformer stille det høye - sluttproduksjonslandskapet. Fra det første glimtet av å endre mikrostruktur av aluminiumslegering i det amerikanske laboratoriet til den industrielle praksisen med Boeing 777 bladbehandling; Fra fødselen av den første kontinuerlige pulsproduksjonslinjen i Kina til gjennombruddet av det integrerte bladets styrkingssystem, bruker den øyeblikkelig utbrudd av høy - spenningsplasma for å skjære en anti - utmattelse "beskyttende skjold" på metalloverflaten.
Når nanosekundlaserstrålen kolliderer med metallet, er fordampningen og fordampningen av energiabsorpsjonslaget som en mikroeksplosjon, noe som gir opphav til Ultra - høytrykkssjokkbølger, og vever et tett nettverk av gjenværende trykkspenning inne i materialet. Utvalget av begrensningslaget er som å skreddersy - Den endelige effekten av glass og den industrielle tilpasningen av vannstrøm, fleksibiliteten til svartmaling, men vanskelig å fjerne, og bekvemmeligheten av aluminiumfolie blir det første valget. I feltet numerisk simulering er sammenvevingen av eksplisitte og implisitte algoritmer og innovasjonen av den iboende belastningsmodellen prosessoptimalisering fra "prøving og feiling" til "presis beregning".
Dette er ikke bare utviklingen av en teknologi, men også en erklæring fra produksjonsindustrien for å "utfordre grensen": Hvordan kan "hjertet" av en flymotor tåle titusenvis av påvirkninger? Hvordan kan en atomreaktor sveise tåle tiår med press? Kan biologiske implantater finne en balanse mellom seighet og nedbrytning? Lasersjokk peening bruker kraften til fotoner til å skrive svar på disse vanskelige problemene.
Laser sjokk peening -teknologi, også kjent som laserskudd peening, er en ny, effektiv og raskt utviklende overflatemodifiseringsteknologi. Sammenlignet med tradisjonell mekanisk skudd peeningsteknologi, kan det danne et dypere gjenværende komprimerende stresslag på overflaten av arbeidsstykket, og har sterk kontrollerbarhet og god tilpasningsevne, og kan håndtere vanskelig - til - håndtere deler. For tiden har denne teknologien blitt mye brukt i utmattelse - motstandsdyktig produksjon som flyremotorblader, gir og atomkraftsplantetrykksveiser. Med den ytterligere nedgangen i prisen på laserutstyr, vil lasersjokk peeningsteknologi bli mer brukt.
Laser sjokk peening -teknologi er mye brukt i ingeniørfag.
I 1972 brukte USA High - Power Laser - induserte sjokkbølger for å behandle High - styrke aluminiumslegeringer for første gang og fant at overflatemikrostrukturen endret seg og strengstyrken På slutten av 1980 -tallet har land og regioner som Europa, Japan og Israel utført forskning på lasersjokk -peeningsteknologi.
I 1995 ble verdens første Laser Shock Processing Technology Company grunnlagt i USA. I 1997 brukte General Motors lasersjokkbehandlingsteknologi for å behandle vifteblad for flymotor, og forbedret toleransen mot utenlandsk objektskader. I 2001 utførte American Laser Shock Processing Technology Company Laser Shock Peening på mer enn 800 motorer med ruller - Royce. I 2004 samarbeidet selskapet med US Air Force Laboratory for å gjennomføre laserskudd for peening -reparasjonsforskning på skadet titan -legering av titanlegeringer på F/A - 22, og dets utmattelsesstyrke ble doblet. Samme år kunngjorde USA offisielt spesifikasjonen for lasersjokkbehandling, og teknologien ble brukt på bladbehandlingen av Boeing 777. I 2012 utviklet USA vellykket et mobil lasersjokkbehandlingsutstyr som kan komme inn på industristedet for å tilby sanntidstjenester. I 2002 brukte Toshiba Corporation of Japan små lasere for å behandle sveiser som atomreaktortrykkfartøy og rørledd for å forbedre utmattelsens levetid.
Utenlandske lærde har også brukt lasersjokkbehandlingsteknologi for å styrke biomedisinske metaller og legeringer, forbedre hardheten, avkastningsstyrken og utmattelsens levetid for permanente implantater, og redusere nedbrytningshastigheten for nedbrytbare implantater som kalsium - magnesiumlegeringer.
Innenriks forskning på lasersjokkbehandlingsteknologi begynte på 1990 -tallet, hovedsakelig med fokus på en serie eksperimentelle studier og relaterte teoretiske diskusjoner om aluminiumslegeringer og stål. Siden 1992 har Nanjing University of Aeronautics and Astronautics samarbeidet med University of Science and Technology of China for å utføre forskning på lasersjokkforsterkning og utmattelsesmotstand produksjon av luftfartsstrukturdeler. I 1995 ble det første lasersjokkstyrkeinnretningen for enkelt lasersjokk -eksperiment i Kina med hell utviklet ved University of Science and Technology of China. I 2008 utviklet Air Force Engineering University, i forbindelse med Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. og Beijing Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., mitt lands første kontinuerlige Pulse Laser Shock Styrking Production Line. I 2011 ble mitt lands første sett med Integral Blade Laser Shock Styrking System -utstyr med hell utviklet ved Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, og levert til Shenyang Liming Engine Co., Ltd. for bruk.
Mekanisme og påvirkningsfaktorer for lasersjokk peening
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) plasmaglag. Lasersjokk Peening bruker den sterke sjokkbølgen som forplanter seg inn i materialet forårsaket av påvirkningsbelastningen som er påført av det høye - trykkplasmagarket på målet.
De begrensede lagmaterialene som for øyeblikket brukes, inkluderer hovedsakelig K9 optisk glass, organisk glass og vannstrømlag. Glassmaterialet begrenset laget har best effekt, men har dårlig tilpasningsevne og vil bryte, noe som bare er egnet for enkeltlasersjokkbehandling. Generelt brukes vannflytlaget som det begrensede laget i lasersjokkprøver og industrielle anvendelser. Det har fordelene med sterk anvendbarhet, lave kostnader, enkel drift og ikke behov for utskifting. Bortsett fra et lite antall lasersjokkbehandlingsprosesser som ikke bruker energiabsorpsjonslag, krever de fleste av dem energiabsorpsjonslag. Vanlige brukte energiabsorpsjonslag er hovedsakelig materialer med lav fordampningsvarme som svart maling, aluminiumsfolie og svart tape. Svart maling har god anvendbarhet og kan brukes til lasersjokk peeningbehandling av spor, små hull, etc., men det er ikke lett å fjerne etter at sjokket er fullført, så aluminiumsfolie og svart tape brukes vanligvis som energiabsorpsjonslag.
Det er mange faktorer som påvirker effekten av lasersjokk peening, hovedsakelig materialegenskaper, begrensningslag, energiabsorpsjonslag, lasersjokkparametere, etc. Hvis laserkrafttettheten forblir uendret, jo lengre laserpulsbredde, jo lengre tid lasersjokkbølgen fungerer på materialet, og jo bedre jo laser -støtet. Imidlertid, hvis laserpulsbredden er for stor, er det veldig enkelt å forårsake overflateforbrenninger av materialet som blir påvirket. Bare ved å velge rimelig begrensningslag, energiabsorpsjonslag og lasersjokkparametere i henhold til materialegenskaper, kan det oppnås en bedre styrkende effekt.
Numerisk simulering av lasersjokk peening numerisk simulering er med på å oppnå de optimale prosessparametrene for spesifikke applikasjoner, og har gradvis blitt et viktig middel til å studere lasersjokk peening. Innenlandske og utenlandske lærde har gjort mye forskning på modellering og optimalisering av lasersjokk peening. For tiden har industrien gjort store fremskritt i den eksplisitte dynamiske analysen + implisitt statisk analyse Laser -sjokk peening numerisk simuleringsmetode, og lasersjokk -peker numerisk simuleringsmetode basert på egen belastning.
Når det høye - trykkplasmagarket påvirker målmaterialet, gjennomgår materialet i påvirkningsområdet høye belastningshastighetsplastdeformasjon, og den strukturelle responsen endres veldig raskt, noe som er en svært ikke -lineær høy - hastighetsdynamisk problem. Hvis den implisitte endelige elementalgoritmen brukes til å løse denne typen problemer, krever den ikke bare en stor mengde beregning og lagring, men har også vanskeligheter med beregningskonvergens. Det er nødvendig å bruke en eksplisitt endelig elementanalysemetode for å løse stressbølgen generert av plasma -påvirkning. Spesielt er den omfattende bruken av eksplisitte og implisitte endelige elementanalysemetoder for å utføre numerisk simulering av den dynamiske responsprosessen til materialet under virkning av sjokkbølgen, bidrar til å oppnå nøyaktige resultater for spenningsfeltfelt.
Når singelen - punkt lasersjokk restspenningsberegning og superposisjonsmetode brukes til å simulere multi - punktet overlapp lasersjokk i et stort område, er den totale beregningsmengden ofte enorm, og det tar mye tid å oppnå det resterende stressfeltet til prøven. I tillegg, på grunn av den store påvirkningen av arbeidsstykkets geometri på det gjenværende stressfeltet, er det vanskelig å simulere det gjenværende stressfeltet til multi - punktoverlapp lasersjokkherding av reelle komponenter med komplekse buede overflater ved bruk av stress -superposisjonsmetoden.
For å løse disse to problemene effektivt, har noen forskere etablert en numerisk modell basert på iboende belastning for å simulere det resterende stressfeltet til lasersjokkherding. Denne modellen antar at den iboende belastningen dannet av lasersjokk på overflaten av komponenten er ufølsom for komponentgeometrien. Simuleringsprosessen fokuserer bare på plaststammen indusert av lasersjokk. Stammefeltet til stort - område multi - punktlasersjokk av komponenten oppnås ved superposisjon av iboende belastning, og en termoelastisk modell brukes til å oppnå det endelige restspenningsfeltet og plastisk deformasjon.
De siste årene har relevante lærde hjemme og i utlandet brukt denne modellen for numerisk simulering av gjenværende stressfelt av lasersjokkstyrking av forskjellige komplekse komponenter. Beregningseffektiviteten til denne iboende belastningsmodellen er kraftig forbedret sammenlignet med den tradisjonelle modellen, og den etablerte modellen kan effektivt forutsi det resterende stressfeltet indusert av lasersjokk.
