Η ακτίνα σοκ λέιζερ: Καινοτομία της τεχνολογίας ενίσχυσης της επιφάνειας από εργαστήριο σε βιομηχανική τοποθεσία
Η τεχνολογία Peening Laser Shock, μια καινοτόμος διαδικασία γνωστή ως "Επανάσταση της επιφάνειας της επιφάνειας υλικού", αναμορφώνει ήσυχα το υψηλό - τελικό τοπίο κατασκευής. Από την πρώτη ματιά στην αλλαγή της μικροδομής κράματος αλουμινίου στο αμερικανικό εργαστήριο με τη βιομηχανική πρακτική της επεξεργασίας λεπίδων Boeing 777. Από τη γέννηση της πρώτης συνεχούς γραμμής παραγωγής παλμών στην Κίνα μέχρι την ανακάλυψη του ολοκληρωμένου συστήματος ενίσχυσης δίσκων λεπίδων, χρησιμοποιεί την στιγμιαία έκρηξη του υψηλού πλάσματος- τάσης για να χαράξει μια αντι -κόπωση "Προστατευτική ασπίδα" στην επιφάνεια του μεταλλικού.
Όταν η δέσμη λέιζερ νανοδευτερόλεπτα συγκρούεται με το μέταλλο, η εξάτμιση και η εξάτμιση του στρώματος απορρόφησης ενέργειας είναι σαν μια μικροεπίσκη, δημιουργώντας κύματα υψηλής πίεσης, υφαντά ένα πυκνό δίκτυο υπολειμματικής συμπιεστικής καταπόνησης μέσα στο υλικό. Η επιλογή του στρώματος περιορισμού είναι σαν την προσαρμογή - Η τελική επίδραση του γυαλιού και η βιομηχανική προσαρμογή της ροής του νερού, η ευελιξία του μαύρου χρώματος αλλά είναι δύσκολο να αφαιρεθεί και η ευκολία του αλουμινίου γίνεται η πρώτη επιλογή. Στον τομέα της αριθμητικής προσομοίωσης, η διασύνδεση ρητών και σιωπηρών αλγορίθμων και η καινοτομία του μοντέλου εγγενών στελεχών καθιστούν τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας να κινούνται από "δοκιμή και σφάλμα" σε "ακριβή υπολογισμό".
Αυτό δεν είναι μόνο η εξέλιξη μιας τεχνολογίας, αλλά και μια δήλωση της μεταποιητικής βιομηχανίας για να «αμφισβητήσει το όριο»: πώς μπορεί η «καρδιά» ενός κινητήρα αεροσκαφών να αντέχει δεκάδες χιλιάδες επιπτώσεις; Πώς μπορεί μια συγκόλληση πυρηνικού αντιδραστήρα να αντέξει δεκαετίες πίεσης; Μπορούν τα βιολογικά εμφυτεύματα να βρουν ισορροπία μεταξύ σκληρότητας και υποβάθμισης; Το Laser Shock Peening χρησιμοποιεί τη δύναμη των φωτονίων για να γράψει απαντήσεις σε αυτά τα δύσκολα προβλήματα.
Η τεχνολογία Peening Laser Shock, γνωστή και ως Peening Laser Shot, είναι μια νέα, αποτελεσματική και ταχέως αναπτυσσόμενη τεχνολογία τροποποίησης επιφανείας. Σε σύγκριση με την παραδοσιακή τεχνολογία μηχανικής βολής, μπορεί να σχηματίσει ένα βαθύτερο υπολειμματικό στρώμα συμπιεστικής τάσης στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας και έχει ισχυρή δυνατότητα ελέγχου και καλή προσαρμοστικότητα και μπορεί να χειριστεί δύσκολα - σε - χειρισμού εξαρτημάτων. Επί του παρόντος, αυτή η τεχνολογία έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην κόπωση - ανθεκτική παραγωγή, όπως λεπίδες κινητήρα αεροσκαφών, ταχύτητες και συγκολλήσεις πίεσης των πυρηνικών σταθμών. Με την περαιτέρω μείωση της τιμής του εξοπλισμού λέιζερ, η τεχνολογία με λέιζερ σοκ θα χρησιμοποιηθεί ευρύτερα.
Η τεχνολογία Peening Laser Shock χρησιμοποιείται ευρέως στη μηχανική.
Το 1972, οι Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποίησαν υψηλό - λέιζερ ισχύος - επαγόμενα κύματα σοκ για να θεραπεύσουν τα κράματα αλουμινίου για πρώτη φορά και διαπίστωσαν ότι η επιφανειακή του μικροδομή άλλαξε και η αντοχή σε εφελκυσμό αυξήθηκε κατά περισσότερο από 30%, τα οποία άνοιξαν το προκαταρκτικό σοκ λέιζερ. Στα τέλη της δεκαετίας του 1980, χώρες και περιοχές όπως η Ευρώπη, η Ιαπωνία και το Ισραήλ έχουν πραγματοποιήσει έρευνα σχετικά με την τεχνολογία με λέιζερ σοκ.
Το 1995, η πρώτη εταιρεία τεχνολογίας επεξεργασίας λέιζερ στον κόσμο ιδρύθηκε στις Ηνωμένες Πολιτείες. Το 1997, η General Motors χρησιμοποίησε την τεχνολογία επεξεργασίας με λέιζερ για να επεξεργαστεί τις λεπίδες ανεμιστήρων του κινητήρα αεροσκαφών, βελτιώνοντας σημαντικά την ανοχή τους στην βλάβη των ξένων αντικειμένων. Το 2001, η American Technology Company Technology Technology Laser πραγματοποίησε σοκ με λέιζερ σε περισσότερους από 800 κινητήρες κυλίνδρων - Royce. Το 2004, η εταιρεία συνεργάστηκε με το Εργαστήριο Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ για τη διεξαγωγή ερευνητικής επισκευής με λέιζερ για την αποκατάσταση της επισκευής σε κατεστραμμένες λεπίδες κράματος τιτανίου στο F/A - 22 και η αντοχή της κόπωσης διπλασιάστηκε. Την ίδια χρονιά, οι Ηνωμένες Πολιτείες δημοσίευσαν επισήμως την προδιαγραφή επεξεργασίας σοκ λέιζερ και η τεχνολογία εφαρμόστηκε στην επεξεργασία λεπίδων του Boeing 777. Το 2012, οι Ηνωμένες Πολιτείες ανέπτυξαν επιτυχώς έναν κινητό εξοπλισμό επεξεργασίας με λέιζερ που μπορεί να εισέλθει στον βιομηχανικό χώρο για την παροχή υπηρεσιών σε πραγματικό χρόνο. Το 2002, η Toshiba Corporation της Ιαπωνίας χρησιμοποίησε μικρά λέιζερ για να επεξεργαστεί συγκολλήσεις όπως τα δοχεία πίεσης πυρηνικού αντιδραστήρα και οι αρθρώσεις σωλήνων για τη βελτίωση της διάρκειας ζωής των τμημάτων.
Οι ξένοι μελετητές έχουν επίσης χρησιμοποιήσει τεχνολογία επεξεργασίας με λέιζερ για να ενισχύσουν τα βιοϊατρικά μέταλλα και τα κράματα, να βελτιώσουν τη σκληρότητα, την αντοχή απόδοσης και τη διάρκεια της κόπωσης των μόνιμων εμφυτευμάτων και να μειώσουν τον ρυθμό αποικοδόμησης των αποικοδομήσιμων εμφυτευμάτων όπως το ασβέστιο- κράματα μαγνησίου.
Η εγχώρια έρευνα σχετικά με την τεχνολογία επεξεργασίας με λέιζερ ξεκίνησε τη δεκαετία του 1990, εστιάζοντας κυρίως σε μια σειρά πειραματικών μελετών και σχετικές θεωρητικές συζητήσεις για τα κράματα και τους χάλυβες αλουμινίου. Από το 1992, το Nanjing University of Aeronautics and Astronautics συνεργάστηκε με το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας για την πραγματοποίηση έρευνας σχετικά με την ενίσχυση του σοκ λέιζερ και την παραγωγή αντοχής κόπωσης των διαρθρωτικών τμημάτων της αεροπορίας. Το 1995, η πρώτη συσκευή ενίσχυσης σοκ λέιζερ για ένα πείραμα σοκ λέιζερ στην Κίνα αναπτύχθηκε με επιτυχία στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας. Το 2008, το Πανεπιστήμιο Air Force Engineering, σε συνδυασμό με την XI'AN Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. και το Beijing Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd. Το 2011, η πρώτη σειρά του εξοπλισμού συστήματος ενίσχυσης Laser Stock Integral Blade Laser αναπτύχθηκε με επιτυχία στο Ινστιτούτο Αυτοματισμού της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών της Κινεζικής Ακαδημίας, και παραδόθηκε στο Shenyang Liming Engine Co., Ltd. για χρήση.
Μηχανισμός και παράγοντες επηρεασμού της ακρίβειας σοκ λέιζερ
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) στρώμα πλάσματος. Το κτύπημα σοκ λέιζερ χρησιμοποιεί το ισχυρό κύμα κλονισμού που διαδίδεται στο υλικό που προκαλείται από το φορτίο κρούσης που εφαρμόζεται από το υψηλό στρώμα πλάσματος πίεσης στο στόχο.
Τα περιορισμένα υλικά στρώματος που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος περιλαμβάνουν κυρίως στρώμα οπτικού γυαλιού K9, οργανικού γυαλιού και ροής νερού. Το στρώμα περιορισμένου γυαλιού έχει το καλύτερο αποτέλεσμα, αλλά έχει κακή προσαρμοστικότητα και θα σπάσει, η οποία είναι κατάλληλη μόνο για θεραπεία με ένα σοκ λέιζερ. Γενικά, το στρώμα ροής νερού χρησιμοποιείται ως περιορισμένο στρώμα σε δοκιμές σοκ λέιζερ και βιομηχανικές εφαρμογές. Έχει τα πλεονεκτήματα της ισχυρής εφαρμογής, του χαμηλού κόστους, της εύκολης λειτουργίας και της ανάγκης αντικατάστασης. Εκτός από έναν μικρό αριθμό διαδικασιών επεξεργασίας με λέιζερ σοκ που δεν χρησιμοποιούν στρώματα απορρόφησης ενέργειας, τα περισσότερα από αυτά απαιτούν στρώματα απορρόφησης ενέργειας. Τα συνήθως χρησιμοποιούμενα στρώματα απορρόφησης ενέργειας είναι κυρίως υλικά με θερμότητα χαμηλής εξάτμισης, όπως μαύρο χρώμα, αλουμινόχαρτο και μαύρη ταινία. Το Black Paint έχει καλή εφαρμογή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία των αυλακώσεων, των μικρών οπών κλπ., Αλλά δεν είναι εύκολο να αφαιρεθεί μετά την ολοκλήρωση του σοκ, έτσι ώστε το αλουμίνιο και η μαύρη ταινία να χρησιμοποιούνται γενικά ως στρώματα απορρόφησης ενέργειας.
Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν την επίδραση της ακτινοβολίας του σοκ λέιζερ, κυρίως των ιδιοτήτων του υλικού, του στρώματος περιορισμού, του στρώματος απορρόφησης ενέργειας, των παραμέτρων σοκ λέιζερ κλπ. Ωστόσο, εάν το πλάτος του παλμού λέιζερ είναι πολύ μεγάλο, είναι πολύ εύκολο να προκαλέσετε επιφανειακά εγκαύματα του υλικού που επηρεάζονται. Μόνο επιλέγοντας εύλογο στρώμα περιορισμού, στρώμα απορρόφησης ενέργειας και παράμετροι σοκ λέιζερ σύμφωνα με τις ιδιότητες του υλικού μπορεί να επιτευχθεί καλύτερη επίδραση ενίσχυσης.
Η αριθμητική προσομοίωση της αριθμητικής προσομοίωσης με σοκ με λέιζερ βοηθά στην απόκτηση των βέλτιστων παραμέτρων διεργασίας για συγκεκριμένες εφαρμογές και έχει γίνει σταδιακά ένα σημαντικό μέσο για τη μελέτη της ακτινοβολίας του σοκ λέιζερ. Οι εγχώριοι και ξένοι μελετητές έχουν κάνει πολλές έρευνες σχετικά με τη μοντελοποίηση και τη βελτιστοποίηση της ακτινοβολίας με λέιζερ. Επί του παρόντος, ο κλάδος έχει σημειώσει μεγάλη πρόοδο στη ρητή δυναμική ανάλυση + σιωπηρή στατική ανάλυση μεθόδους με λέιζερ σοκ, και τη μέθοδο αριθμητικής προσομοίωσης με σοκ λέιζερ με βάση την εγγενή καταπόνηση.
Όταν το υψηλό - στρώμα πλάσματος πίεσης επηρεάζει το υλικό στόχου, το υλικό στην περιοχή κρούσης υφίσταται υψηλής ταχύτητας παραμόρφωσης πλαστικής παραμόρφωσης και η δομική απόκριση αλλάζει πολύ γρήγορα, η οποία είναι ένα πολύ μη γραμμικό υψηλό {{1} δυναμικό πρόβλημα ταχύτητας. Εάν ο αλγόριθμος σιωπηρής πεπερασμένου στοιχείου χρησιμοποιείται για την επίλυση αυτού του τύπου προβλήματος, δεν απαιτεί μόνο μεγάλη ποσότητα υπολογισμού και αποθήκευσης, αλλά έχει επίσης δυσκολία στη σύγκλιση υπολογισμού. Είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μια ρητή μέθοδος ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων για την επίλυση του κύματος τάσης που παράγεται από την επίδραση στο πλάσμα. Συγκεκριμένα, η συνολική χρήση ρητών και σιωπηρών μεθόδων ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων για την εκτέλεση της αριθμητικής προσομοίωσης της διαδικασίας δυναμικής απόκρισης του υλικού κάτω από τη δράση του κύματος κλονισμού ευνοεί την απόκτηση ακριβών αποτελεσμάτων πρόβλεψης πεδίου υπολειπόμενης τάσης.
Όταν χρησιμοποιείται ο υπολογιστής υπολειμματικής τάσης- σημείων υπολειμματικού στρες και μέθοδος υπέρθεσης για την προσομοίωση του σοκ λέιζερ Multi -, το συνολικό ποσό του υπολογισμού είναι συχνά τεράστια και χρειάζεται πολύς χρόνος για να ληφθεί το υπολειπόμενο πεδίο στρες του δείγματος. Επιπλέον, λόγω της μεγάλης επιρροής της γεωμετρίας του τεμαχίου στο πεδίο υπολειμματικής τάσης, είναι δύσκολο να προσομοιωθεί με ακρίβεια το υπολειπόμενο πεδίο στρες του πολλαπλού - επικάλυψης επικάλυψης σοκ λέιζερ σκλήρυνσης πραγματικών συστατικών με σύνθετες καμπύλες επιφάνειες χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Supprosition Stress.
Προκειμένου να επιλυθούν αποτελεσματικά αυτά τα δύο προβλήματα, ορισμένοι ερευνητές έχουν δημιουργήσει ένα αριθμητικό μοντέλο που βασίζεται στην εγγενή καταπόνηση για την προσομοίωση του υπολειπόμενου πεδίου στρες της σκλήρυνσης σοκ λέιζερ. Αυτό το μοντέλο υποθέτει ότι το εγγενές στέλεχος που σχηματίζεται από το σοκ λέιζερ στην επιφάνεια του συστατικού δεν είναι ευαίσθητο στη γεωμετρία του συστατικού. Η διαδικασία προσομοίωσης επικεντρώνεται μόνο στο πλαστικό στέλεχος που προκαλείται από το σοκ λέιζερ. Το πεδίο καταπόνησης των μεγάλων - περιοχής πολλαπλών - σοκ λέιζερ του συστατικού επιτυγχάνεται με υπέρθεση εγγενούς καταπόνησης και χρησιμοποιείται ένα θερμοελαστικό μοντέλο για να ληφθεί το τελικό υπολειμματικό πεδίο στρες και η πλαστική παραμόρφωση.
Τα τελευταία χρόνια, οι σχετικοί μελετητές στο εσωτερικό και στο εξωτερικό χρησιμοποίησαν αυτό το μοντέλο για αριθμητική προσομοίωση υπολειμματικών πεδίων στρες της ενίσχυσης σοκ λέιζερ διαφόρων σύνθετων συστατικών. Η υπολογιστική απόδοση αυτού του μοντέλου εγγενούς στελεχών βελτιώνεται σημαντικά σε σύγκριση με το παραδοσιακό μοντέλο και το καθιερωμένο μοντέλο μπορεί να προβλέψει αποτελεσματικά το υπολειπόμενο πεδίο στρες που προκαλείται από το σοκ λέιζερ.
