Xokk bil-lejżer: Innovazzjoni tat-teknoloġija tat-tisħiħ tal-wiċċ minn laboratorju għal sit industrijali
Teknoloġija ta 'peening ta' xokk bil-lejżer, proċess innovattiv magħruf bħala r- "rivoluzzjoni tat-tisħiħ tal-wiċċ materjali", qed tibdel mill-ġdid il-pajsaġġ tal-manifattura tal-manifattura -. Mill-ewwel idea li tbiddel il-mikrostruttura tal-liga tal-aluminju fil-laboratorju Amerikan għall-prattika industrijali tal-ipproċessar tax-xafra Boeing 777; Mit-twelid tal-ewwel linja ta 'produzzjoni tal-polz kontinwu fiċ-Ċina sal-avvanz tas-sistema ta' tisħiħ tad-diska tax-xafra integrali, hija tuża l-fqigħ istantanju ta '- vultaġġ tal-plażma biex tinqata' anti - għeja "tarka protettiva" fuq il-wiċċ tal-metall.
Meta r-raġġ tal-lejżer tan-nanosekonda jaħbat mal-metall, il-vaporizzazzjoni u l-evaporazzjoni tas-saff ta 'assorbiment ta' l-enerġija huma bħal mikro splużjoni, li tagħti lok għal ultra - mewġ ta 'xokk ta' pressjoni għolja, li jinsa n-netwerk dens ta 'stress kompressiv residwu ġewwa l-materjal. L-għażla tas-saff ta 'restrizzjoni hija bħal tfassil - l-effett aħħari tal-ħġieġ u l-adattament industrijali tal-fluss tal-ilma, il-flessibilità taż-żebgħa sewda iżda diffiċli biex titneħħa, u l-konvenjenza tal-fojl tal-aluminju ssir l-ewwel għażla. Fil-qasam tas-simulazzjoni numerika, l-integrità ta 'algoritmi espliċiti u impliċiti u l-innovazzjoni tal-mudell ta' razza intrinsika qed jagħmlu l-ottimizzazzjoni tal-proċess li timxi minn "prova u żball" għal "kalkolu preċiż".
Din mhix biss l-evoluzzjoni ta 'teknoloġija, iżda wkoll dikjarazzjoni ta' l-industrija tal-manifattura biex "tikkontesta l-limitu": kif tista 'l- "qalb" ta' magna ta 'inġenji ta' l-ajru tiflaħ għexieren ta 'eluf ta' impatti? Kif jista 'weldjatura ta' reattur nukleari tiflaħ għexieren ta 'snin ta' pressjoni? L-impjanti bijoloġiċi jistgħu jsibu bilanċ bejn l-ebusija u d-degradazzjoni? Il-peening ta 'xokk bil-lejżer qed juża l-qawwa tal-fotoni biex jikteb tweġibiet għal dawn il-problemi diffiċli.
It-teknoloġija tal-peening ta 'xokk bil-lejżer, magħrufa wkoll bħala l-irbit tal-lejżer, hija teknoloġija ġdida, effettiva u li qed tiżviluppa malajr. Meta mqabbel mat-teknoloġija tradizzjonali tal-peening tal-isparatura mekkanika, tista 'tifforma saff ta' tensjoni kompressiva residwa aktar profonda fuq il-wiċċ tal-biċċa tax-xogħol, u għandha kontrollabilità qawwija u adattabilità tajba, u tista 'tieħu ħsieb diffiċli - sa -} partijiet jimmaniġġjaw. Fil-preżent, din it-teknoloġija ġiet użata ħafna fl-għeja - manifattura reżistenti bħal xfafar tal-magna tal-inġenji tal-ajru, gerijiet, u weldjaturi tal-pressjoni tal-impjant tal-enerġija nukleari. Bit-tnaqqis ulterjuri fil-prezz tat-tagħmir tal-lejżer, it-teknoloġija tal-peening tal-lejżer se tintuża b'mod aktar wiesa '.
It-teknoloġija tal-peening ta 'xokk bil-lejżer tintuża ħafna fl-inġinerija.
Fl-1972, l-Istati Uniti użaw l-għoli - Laser Power - mewġ ta 'xokk indott biex jikkura ligi għoljin - Qawwa ta' l-aluminju għall-ewwel darba, u sabu li l-mikrostruttura tal-wiċċ tagħha nbidlet u l-qawwa tat-tensjoni żdiedet b'aktar minn 30%, li fetħet il-preludju għar-riċerka ta 'xokk tal-laser. Fl-aħħar tas-snin 1980, pajjiżi u reġjuni bħall-Ewropa, il-Ġappun, u l-Iżrael wettqu riċerka dwar it-teknoloġija tal-peening tal-lejżer.
Fl-1995, l-ewwel kumpanija tat-teknoloġija tad-dinja tal-ipproċessar tal-lejżer twaqqfet fl-Istati Uniti. Fl-1997, General Motors użat it-teknoloġija tal-ipproċessar tal-lejżer biex tipproċessa xfafar tal-fannijiet tal-magna tal-inġenji tal-ajru, u ttejjeb ħafna t-tolleranza tagħhom għal ħsara fl-oġġett barrani. Fl-2001, il-Kumpanija Amerikana tat-Teknoloġija tal-Ipproċessar tal-Laser Shock wettqet xokk bil-lejżer fuq aktar minn 800 magna ta 'rolls - Royce. Fl-2004, il-kumpanija kkooperat mal-Laboratorju tal-Air Force tal-Istati Uniti biex twettaq riċerka tat-tiswija tal-lejżer fuq il-laser fuq il-liga tat-titanju bil-ħsara fuq il-f / a - 22, u s-saħħa tal-għeja tagħha kienet irduppjata. Fl-istess sena, l-Istati Uniti uffiċjalment ippromulgaw l-ispeċifikazzjoni tal-ipproċessar tax-xokk bil-lejżer, u t-teknoloġija ġiet applikata għall-ipproċessar tax-xafra ta 'Boeing 777. Fl-2012, l-Istati Uniti żviluppaw b'suċċess tagħmir mobbli tal-ipproċessar tal-lejżer li jista' jidħol fis-sit industrijali biex jipprovdi servizzi f'ħin reali. Fl-2002, Toshiba Corporation tal-Ġappun użat lejżers żgħar biex tipproċessa weldjaturi bħal bastimenti tal-pressjoni tar-reatturi nukleari u ġonot tal-pajpijiet biex ittejjeb il-ħajja tal-għeja tal-partijiet.
Studjużi barranin użaw ukoll teknoloġija tal-ipproċessar tal-lejżer biex isaħħu l-metalli u l-ligi bijomediċi, itejbu l-ebusija, is-saħħa tar-rendiment u l-għeja tal-ħajja ta 'impjanti permanenti, u jnaqqsu r-rata ta' degradazzjoni ta 'impjanti degradabbli bħalma huma l-kalċju - ligi tal-manjeżju.
Ir-riċerka domestika dwar it-teknoloġija tal-ipproċessar tax-xokk bil-lejżer bdiet fis-snin disgħin, li tiffoka prinċipalment fuq serje ta 'studji sperimentali u diskussjonijiet teoretiċi relatati fuq ligi u azzar tal-aluminju. Mill-1992, l-Università ta 'Nanjing ta' l-Ajrunawtika u l-Astronawtika kkooperat mal-Università tax-Xjenza u t-Teknoloġija taċ-Ċina biex twettaq riċerka dwar it-tisħiħ ta 'xokk bil-lejżer u l-manifattura tar-reżistenza għall-għeja ta' partijiet strutturali tal-avjazzjoni. Fl-1995, l-ewwel apparat li jsaħħaħ ix-xokk bil-lejżer għal esperiment ta 'xokk bil-lejżer wieħed fiċ-Ċina ġie żviluppat b'suċċess fl-Università tax-Xjenza u t-Teknoloġija taċ-Ċina. Fl-2008, l-Università ta 'l-Inġinerija tal-Air Force, flimkien ma' Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. u Beijing Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., żviluppaw b'suċċess l-ewwel linja kontinwa ta 'produzzjoni ta' xokk bil-lejżer tal-pajjiż tiegħi. Fl-2011, l-ewwel sett ta 'tagħmir ta' tisħiħ ta 'xokk tal-lejżer integrali ta' pajjiżna ġie żviluppat b'suċċess fl-Istitut ta 'l-Awtomazzjoni ta' Shenyang, Akkademja Ċiniża tax-Xjenzi, u kkonsenjat lil Shenyang Liming Engine Co., Ltd. għall-użu.
Mekkaniżmu u fatturi li jinfluwenzaw
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) saff tal-plażma. Il-peening ta 'xokk bil-lejżer juża l-mewġa ta' xokk qawwija li tinfirex fil-materjal ikkawżat mit-tagħbija ta 'l-impatt applikata mis-saff tal-plażma ta' pressjoni għolja- fuq il-mira.
Il-materjali tas-saff ristretti li bħalissa jintużaw prinċipalment jinkludu l-ħġieġ ottiku K9, ħġieġ organiku u saff tal-fluss tal-ilma. Is-saff tal-materjal imrażżan għandu l-aħjar effett, iżda għandu adattabilità ħażina u se jkisser, li huwa adattat biss għal trattament ta 'xokk bil-lejżer wieħed. Ġeneralment, is-saff tal-fluss tal-ilma jintuża bħala s-saff ristrett fit-testijiet ta 'xokk bil-lejżer u l-applikazzjonijiet industrijali. Għandu l-vantaġġi ta 'applikabilità qawwija, bi prezz baxx, tħaddim faċli, u l-ebda ħtieġa ta' sostituzzjoni. Ħlief għal numru żgħir ta 'proċessi ta' trattament ta 'xokk bil-lejżer li ma jużawx saffi ta' assorbiment ta 'l-enerġija, ħafna minnhom jeħtieġu saffi ta' assorbiment ta 'enerġija. Is-saffi ta 'assorbiment ta' enerġija użati b'mod komuni huma prinċipalment materjali b'saħħan ta 'vaporizzazzjoni baxxa bħal żebgħa sewda, fojl tal-aluminju u tejp iswed. Żebgħa sewda għandha applikabilità tajba u tista 'tintuża għal trattament ta' peening ta 'xokk bil-lejżer ta' skanalaturi, toqob żgħar, eċċ., Iżda mhux faċli li titneħħa wara li x-xokk jitlesta, u għalhekk fojl tal-aluminju u tejp iswed huma ġeneralment użati bħala saffi ta 'assorbiment ta' enerġija.
Hemm ħafna fatturi li jaffettwaw l-effett ta 'peening ta' xokk bil-lejżer, prinċipalment proprjetajiet materjali, saff ta 'restrizzjoni, saff ta' assorbiment ta 'enerġija, parametri ta' xokk bil-lejżer, eċċ. Jekk id-densità tal-qawwa tal-lejżer tibqa 'mhux mibdula, iktar ikun itwal il-wisa' tal-polz tal-lejżer, itwal iż-żmien il-ħin li l-mewġa ta 'xokk tal-lejżer taġixxi fuq il-materjal, u l-aħjar l-effett ta' trattament tal-laser. Madankollu, jekk il-wisa 'tal-polz tal-lejżer hija kbira wisq, huwa faċli ħafna li tikkawża ħruq tal-wiċċ tal-materjal li jintlaqat. Huwa biss billi tagħżel saff ta 'restrizzjoni raġonevoli, saff ta' assorbiment ta 'enerġija u parametri ta' xokk bil-lejżer skond il-proprjetajiet tal-materjal jista 'jinkiseb effett ta' tisħiħ aħjar.
Simulazzjoni numerika ta 'simulazzjoni numerika ta' xokk bil-lejżer tgħin biex tinkiseb parametri tal-proċess ottimali għal applikazzjonijiet speċifiċi, u gradwalment saret mezz importanti biex tistudja l-peening ta 'xokk bil-lejżer. Studjużi domestiċi u barranin għamlu ħafna riċerka dwar l-immudellar u l-ottimizzazzjoni ta 'peening ta' xokk bil-lejżer. Fil-preżent, l-industrija għamlet progress kbir fl-analiżi dinamika espliċita + analiżi statika impliċita ta 'xokk bil-lejżer metodu ta' simulazzjoni numerika, u l-metodu ta 'simulazzjoni numerika ta' xokk bil-lejżer ibbażat fuq razza intrinsika.
Meta s-saff tal-plażma ta 'pressjoni għolja - għandu impatt fuq il-materjal fil-mira, il-materjal fiż-żona tal-impatt jgħaddi minn deformazzjoni għolja tar-razza tal-plastik, u r-rispons strutturali jinbidel malajr ħafna, li huwa problema dinamika għolja mhux lineari għolja -. Jekk l-algoritmu ta 'element finit impliċitu jintuża biex isolvi dan it-tip ta' problema, dan ma jirrikjedix biss ammont kbir ta 'kalkolu u ħażna, iżda għandu wkoll diffikultà fil-konverġenza tal-kalkolu. Huwa meħtieġ li tuża metodu ta 'analiżi ta' elementi finiti espliċiti biex issolvi l-mewġ ta 'tensjoni ġġenerat mill-impatt fil-plażma. B'mod partikolari, l-użu komprensiv ta 'metodi ta' analiżi ta 'elementi finiti espliċiti u impliċiti biex iwettaq simulazzjoni numerika tal-proċess ta' rispons dinamiku tal-materjal taħt l-azzjoni tal-mewġa ta 'xokk huwa li jwassal biex jinkisbu riżultati preċiżi ta' tbassir ta 'stress residwu.
Meta l-kalkolu tal-istress residwu tal-laser {}} tal-laser u l-metodu tas-superpożizzjoni jintużaw biex jissimulaw ix-xokk tal-lejżer multi - fil-lejżer f'żona kbira, l-ammont totali ta 'kalkolu huwa ta' spiss enormi, u jieħu ħafna ħin biex jinkiseb ħafna ħin biex jikseb il-kamp ta 'stress residwu tal-kampjuni. Barra minn hekk, minħabba l-influwenza kbira tal-ġeometrija tal-biċċa tax-xogħol fuq il-qasam tal-istress residwu, huwa diffiċli li tissimula b'mod preċiż il-qasam tal-istress residwu tal-punt multi - punt li jikkoinċidu t-twebbis tal-lejżer ta 'komponenti reali b'uċuħ mgħawġa kumplessi bl-użu tal-metodu ta' superpożizzjoni tal-istress.
Sabiex issolvi b'mod effettiv dawn iż-żewġ problemi, xi riċerkaturi stabbilixxew mudell numeriku bbażat fuq razza intrinsika biex jissimula l-kamp ta 'stress residwu ta' ebusija ta 'xokk bil-lejżer. Dan il-mudell jassumi li r-razza intrinsika ffurmata minn xokk bil-lejżer fuq il-wiċċ tal-komponent hija insensittiva għall-ġeometrija tal-komponent. Il-proċess ta 'simulazzjoni jiffoka biss fuq ir-razza tal-plastik indotta minn xokk bil-lejżer. Il-qasam tar-razza taż-żona kbira - multi - xokk tal-laser tal-punt tal-komponent huwa miksub permezz ta 'superpożizzjoni ta' razza intrinsika, u mudell termoelastiku jintuża biex jinkiseb il-kamp ta 'tensjoni residwu finali u d-deformazzjoni tal-plastik.
Fi snin reċenti, studjużi rilevanti fid-dar u barra użaw dan il-mudell għal simulazzjoni numerika ta 'oqsma ta' stress residwu ta 'tisħiħ ta' xokk bil-lejżer ta 'komponenti kumplessi differenti. L-effiċjenza tal-komputazzjoni ta 'dan il-mudell ta' razza intrinsika hija mtejba ħafna meta mqabbla mal-mudell tradizzjonali, u l-mudell stabbilit jista 'jbassar b'mod effettiv il-kamp ta' stress residwu indott minn xokk bil-lejżer.
