Laserchock Peening: Innovation av ytförstärkande teknik från laboratorium till industriell plats
Laserchock Peening Technology, en innovativ process som kallas "Material Surface Stärkande revolution", omformar tyst den höga - sluttillverkningslandskapet. Från det första glimtet av att ändra mikrostrukturen i aluminiumlegering i det amerikanska laboratoriet till den industriella praxis med Boeing 777 -bladbearbetning; Från födelsen av den första kontinuerliga pulsproduktionslinjen i Kina till genombrottet av det integrerade bladskivstärkningssystemet använder det den omedelbara sprängningen av hög - spänningsplasma för att snida ett anti - trötthet "skyddande sköld" på metallytan.
När den nanosekund laserstrålen kolliderar med metallen, är förångningen och indunstningen av energiabsorptionsskiktet som en mikroexplosion, vilket ger upphov till ultra - Högtryckschockvågor, vävning av ett tätt nätverk av resterande tryckstress inuti materialet. Valet av begränsningsskiktet är som att skräddarsy - Den ultimata effekten av glas och den industriella anpassningen av vattenflödet, flexibiliteten i svart färg men svår att ta bort, och bekvämligheten med aluminiumfolie blir det första valet. Inom numerisk simulering gör sammanvävningen av uttryckliga och implicita algoritmer och innovationen av den inneboende stammodellen processoptimering från "Trial and Error" till "exakt beräkning".
Detta är inte bara utvecklingen av en teknik, utan också en deklaration från tillverkningsindustrin för att "utmana gränsen": Hur kan "hjärtat" av en flygmotor tåla tiotusentals effekter? Hur kan en kärnreaktor svetsa tål decennier av tryck? Kan biologiska implantat hitta en balans mellan seghet och nedbrytning? Laserchock Peening använder fotons kraft för att skriva svar på dessa svåra problem.
Laserchock Peening -teknik, även känd som Laser Shot Peening, är en ny, effektiv och snabbt utvecklande ytmodifieringsteknik. Jämfört med traditionell mekanisk skjutningsteknik kan den bilda ett djupare återstående tryckskikt på ytan på arbetsstycket och har stark styrbarhet och god anpassningsförmåga och kan hantera svårt - till - hantera delar. För närvarande har denna teknik använts i stor utsträckning i trötthet - resistent tillverkning såsom flygmotorblad, växlar och kärnkraftverk. Med den ytterligare nedgången i priset på laserutrustning kommer laserchockpekningsteknik att användas mer i stor utsträckning.
Laserchock Peening Technology används allmänt inom teknik.
År 1972 använde USA hög - Power Laser - inducerade chockvågor för att behandla hög - styrka aluminiumlegeringar för första gången, och fann att dess ytmikrostruktur förändrades och den draghållfastheten ökade med mer än 30%, vilket öppnade prelen till laser -chock. I slutet av 1980 -talet har länder och regioner som Europa, Japan och Israel genomfört forskning om laserchock peening -teknik.
1995 grundades världens första Laser Shock Processing Technology Company i USA. 1997 använde General Motors laserchockbearbetningsteknologi för att bearbeta flygmotorfläktblad, vilket förbättrade deras tolerans mot utländska objektskador. År 2001 utförde American Laser Shock Processing Technology Company Laser Shock Peening på mer än 800 rullar av rullar - Royce. 2004 samarbetade företaget med US Air Force Laboratory för att utföra laserskott för att reparera reparation på skadade motorns titanlegeringsblad på F/A - 22, och dess utmattningsstyrka fördubblades. Samma år tillkännagav USA officiellt laserchockbehandlingsspecifikationen, och tekniken tillämpades på bladbehandlingen av Boeing 777. 2012 utvecklade USA framgångsrikt en mobil laserchockbearbetningsutrustning som kan komma in i industrileden för att tillhandahålla realtidstjänster. År 2002 använde Toshiba Corporation i Japan små lasrar för att bearbeta svetsar som kärnreaktortryckskärl och rörleder för att förbättra trötthetsliven för delar.
Utländska forskare har också använt laserchockbearbetningsteknologi för att stärka biomedicinska metaller och legeringar, förbättra hårdhet, avkastningsstyrka och trötthetsliv för permanenta implantat och minska nedbrytningshastigheten för nedbrytbara implantat såsom kalcium - magnesiumlegeringar.
Inhemsk forskning om laserchockbearbetningsteknik började på 1990 -talet, främst med fokus på en serie experimentella studier och relaterade teoretiska diskussioner om aluminiumlegeringar och stål. Sedan 1992 har Nanjing University of Aeronautics and Astronautics samarbetat med University of Science and Technology i Kina för att utföra forskning om laserchockstärkning och tillverkning av trötthetsresistens av luftfartsstrukturella delar. 1995 utvecklades den första laserchockförstärkningsanordningen för enstaka laserchockexperiment i Kina framgångsrikt vid Kinas universitet och teknik. År 2008 utvecklade Air Force Engineering University, i samband med Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. och Peking Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., framgångsrikt mitt lands första kontinuerliga Pulse Laser -chockförstärkande produktionslinje. 2011 utvecklades mitt lands första uppsättning av integrerad bladlaserchockförstärkande systemutrustning framgångsrikt vid Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, och levererades till Shenyang Liming Engine Co., Ltd. för användning.
Mekanism och påverkande faktorer för laserchock 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) Plasmaskikt. Laserchock Peening använder den starka chockvågen som förökas in i materialet orsakat av påverkningsbelastningen som appliceras av den höga - tryckplasmaskiktet på målet.
De begränsade skiktmaterialet som för närvarande används inkluderar främst K9 optiskt glas, organiskt glas och vattenflödeskikt. Glasmaterialet begränsat lager har den bästa effekten, men har dålig anpassningsförmåga och kommer att bryta, vilket endast är lämpligt för enstaka laserchockbehandling. Generellt används vattenflödeskiktet som det begränsade skiktet i laserchocktester och industriella tillämpningar. Det har fördelarna med stark tillämpbarhet, låg kostnad, enkel drift och inget behov av ersättning. Förutom ett litet antal laserchockbehandlingsprocesser som inte använder energiabsorptionsskikt kräver de flesta av energiobsorptionsskikt. Vanligt använda energiabsorptionsskikt är huvudsakligen material med låg förångningsvärme såsom svart färg, aluminiumfolie och svart tejp. Svart färg har god användbarhet och kan användas för laserchock som kan behandla spår, små hål etc., men det är inte lätt att ta bort efter att chocken är klar, så aluminiumfolie och svart tejp används vanligtvis som energiabsorptionsskikt.
Det finns många faktorer som påverkar effekten av laserchock peening, huvudsakligen materialegenskaper, begränsningsskikt, energiabsorptionsskikt, laserchockparametrar, etc. Om laserkraftdensiteten förblir oförändrad, ju längre laserpulsbredden, desto längre tid är laserchockvågen på materialet och desto bättre laserchockbehandling. Men om laserpulsbredden är för stor är det mycket lätt att orsaka ytförbränningar av materialet som påverkas. Endast genom att välja rimligt begränsningsskikt, kan energiparametrar för energiabsorption och laserchock enligt materialegenskaper uppnå en bättre förstärkande effekt.
Numerisk simulering av laserchock som är numerisk simulering hjälper till att få de optimala processparametrarna för specifika applikationer och har gradvis blivit ett viktigt sätt att studera laserchock. Inhemska och utländska forskare har gjort en hel del forskning om modellering och optimering av laserchock. För närvarande har branschen gjort stora framsteg i den uttryckliga dynamiska analysen + implicit statisk analys Laserchock som peening numerisk simuleringsmetod och laserchocken som pearing numerisk simuleringsmetod baserad på inneboende stam.
När det höga - tryckplasmaskiktet påverkar målmaterialet, genomgår materialet i påverkan med hög belastningshastighetsplastisk deformation, och det strukturella svaret förändras mycket snabbt, vilket är ett mycket olinjärt högt - hastighetsdynamisk problem. Om den implicita ändliga elementalgoritmen används för att lösa denna typ av problem kräver det inte bara en stor mängd beräkning och lagring, utan har också svårt att beräkna konvergens. Det är nödvändigt att använda en uttrycklig metod för ändlig elementanalys för att lösa stressvågen som genereras av plasmakåverkan. I synnerhet är den omfattande användningen av uttryckliga och implicita metoder för ändlig element för att utföra numerisk simulering av den dynamiska svarsprocessen för materialet under verksamheten av chockvågen för att erhålla exakta resultat för förutsägelse av återstående spänningsfält.
När den enda - punkten laserchock kvarvarande stressberäkning och superpositionsmetod används för att simulera multi - -punkten överlappar laserchock i ett stort område, är den totala mängden beräkning ofta enorm, och det tar mycket tid att få det rovande stressfältet i provet. På grund av det stora inflytandet från arbetsstycketsgeometri på det återstående spänningsfältet är det dessutom svårt att exakt simulera det återstående stressfältet för multi - punktöverlappning av laserchopp som härdar av verkliga komponenter med komplexa böjda ytor med stress -superpositionsmetoden.
För att effektivt lösa dessa två problem har vissa forskare etablerat en numerisk modell baserad på inneboende belastning för att simulera det återstående stressfältet för laserchockhärdning. Denna modell antar att den inneboende stammen som bildas av laserchock på komponentens yta är okänslig för komponentgeometri. Simuleringsprocessen fokuserar endast på den plaststam som induceras av laserchock. Stammfältet för stort - Multi - Point laserchock av komponenten erhålls genom superposition av intrinsisk stam, och en termoelastisk modell används för att erhålla det slutliga återstående spänningsfältet och plastiska deformation.
Under de senaste åren har relevanta forskare hemma och utomlands använt denna modell för numerisk simulering av resterande stressfält av laserchockförstärkning av olika komplexa komponenter. Beräkningseffektiviteten för denna inneboende stammodell förbättras kraftigt jämfört med den traditionella modellen, och den etablerade modellen kan effektivt förutsäga det återstående spänningsfältet som induceras av laserchock.
