Choque a laser: inovação da tecnologia de fortalecimento da superfície de laboratório para local industrial
A tecnologia de peening de choque a laser, um processo inovador conhecido como "revolução do fortalecimento da superfície do material", está reformulando silenciosamente a paisagem de fabricação final -}. Desde o primeiro vislumbre de mudar a microestrutura da liga de alumínio no laboratório americano para a prática industrial do processamento da lâmina Boeing 777; Desde o nascimento da primeira linha de produção de pulso contínuo na China até o avanço do sistema integral de fortalecimento do disco da lâmina, ele usa a explosão instantânea de plasma de tensão alta - para esculpir um anti --} fadiga "protetora" na superfície metálica.
Quando o feixe de laser de nanossegundos colide com o metal, a vaporização e a evaporação da camada de absorção de energia são como uma micro explosão, dando origem a ondas de choque de alta pressão ultra -} de alta pressão, tecendo uma rede densa de tensão compressiva residual dentro do material. A seleção da camada de restrição é como a adaptação - O efeito final do vidro e a adaptação industrial do fluxo de água, a flexibilidade da tinta preta, mas difícil de remover e a conveniência da folha de alumínio se tornará a primeira escolha. No campo da simulação numérica, o entrelaçamento de algoritmos explícitos e implícitos e a inovação do modelo de deformação intrínseca estão fazendo a otimização do processo se mover de "tentativa e erro" para "cálculo preciso".
Esta não é apenas a evolução de uma tecnologia, mas também uma declaração da indústria manufatureira de "desafiar o limite": como o "coração" de um motor de aeronave suporta dezenas de milhares de impactos? Como um reator nuclear pode suportar décadas de pressão? Os implantes biológicos podem encontrar um equilíbrio entre resistência e degradação? O Peening de choque a laser está usando o poder dos fótons para escrever respostas para esses problemas difíceis.
A tecnologia de peening de choque a laser, também conhecida como Peening Shot Laser, é uma nova tecnologia de modificação de superfície eficaz e em rápido desenvolvimento. Comparado com a tecnologia tradicional de peening mecânica, ela pode formar uma camada de tensão compressiva residual mais profunda na superfície da peça de trabalho e possui forte controlabilidade e boa adaptabilidade e pode lidar com as peças difíceis - para -}. Atualmente, essa tecnologia tem sido amplamente utilizada na fadiga - fabricação resistente, como lâminas de motor de aeronaves, engrenagens e soldas de pressão da usina nuclear. Com o declínio adicional no preço do equipamento a laser, a tecnologia de peening de choque a laser será mais amplamente utilizada.
A tecnologia de peening de choque a laser é amplamente utilizada na engenharia.
Em 1972, os Estados Unidos usaram alto - Power Laser - ondas de choque induzidas para tratar as ligas de alumínio de força alta -, pela primeira vez, e descobriram que sua microestrutura de superfície mudou e a resistência à tensão aumentou em mais de 30%, que se abriu o prelúdio para LASSER para LASSURA para LASSER para LASSER para LASSER para LASSER para LASSER para LASSER para LASSER para LASSER para LASSER para LASSER para LASSURA para LASSER. No final dos anos 80, países e regiões como Europa, Japão e Israel realizaram pesquisas sobre a tecnologia de peening a laser.
Em 1995, a primeira empresa mundial de tecnologia de processamento de choque a laser foi fundada nos Estados Unidos. Em 1997, a General Motors usou a tecnologia de processamento de choque a laser para processar lâminas de ventiladores de motores de aeronaves, melhorando bastante sua tolerância a danos nos objetos estrangeiros. Em 2001, a American Laser Shock Processing Technology Company realizou um choque a laser em mais de 800 motores de rolos - royce. Em 2004, a empresa cooperou com o Laboratório da Força Aérea dos EUA para realizar pesquisas de reparo de peening a laser sobre lâminas de liga de titânio de motor danificadas nas f/a - 22, e sua força de fadiga foi dobrada. No mesmo ano, os Estados Unidos promulgaram oficialmente a especificação de processamento de choque a laser, e a tecnologia foi aplicada ao processamento da BLADE da Boeing 777. Em 2012, os Estados Unidos desenvolveram com sucesso um equipamento de processamento de choque a laser móvel que pode entrar no local industrial para fornecer serviços em tempo real. Em 2002, a Toshiba Corporation do Japão usou pequenos lasers para processar soldas, como vasos de pressão do reator nuclear e articulações de tubos para melhorar a vida útil das peças da fadiga.
Os estudiosos estrangeiros também usaram a tecnologia de processamento de choque a laser para fortalecer metais e ligas biomédicas, melhorar a dureza, resistência ao rendimento e fadiga a vida dos implantes permanentes e reduzir a taxa de degradação de implantes degradáveis, como as ligas de magnésio de cálcio -.
A pesquisa doméstica sobre tecnologia de processamento de choque a laser começou nos anos 90, concentrando -se principalmente em uma série de estudos experimentais e discussões teóricas relacionadas sobre ligas e aços de alumínio. Desde 1992, a Universidade de Aeronáutica e astronautica de Nanjing cooperou com a Universidade de Ciência e Tecnologia da China para realizar pesquisas sobre fortalecimento a laser e fabricação de resistência à fadiga de peças estruturais da aviação. Em 1995, o primeiro dispositivo de fortalecimento de choque a laser para experimentos de choque a laser único na China foi desenvolvido com sucesso na Universidade de Ciência e Tecnologia da China. Em 2008, a Universidade de Engenharia da Força Aérea, em conjunto com a Xi'an Optoeletric Technology Development Co., Ltd. e a Beijing Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., desenvolveram com sucesso a primeira linha de produção de choque contínua a laser de pulso de meu país. Em 2011, o primeiro conjunto de equipamentos de sistema de fortalecimento a laser integral do meu país foi desenvolvido com sucesso no Instituto de Automação Shenyang, Academia Chinesa de Ciências, e entregue à Shenyang Liming Engine Co., Ltd. para uso.
Mecanismo e fatores de influência do peening de choque a laser
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) camada de plasma. O peening de choque a laser utiliza a forte onda de choque que se propaga no material causado pela carga de impacto aplicada pela camada de plasma de pressão- alta no alvo.
Os materiais de camada restrita atualmente usados incluem principalmente vidro óptico K9, vidro orgânico e camada de fluxo de água. A camada restrita do material de vidro tem o melhor efeito, mas tem uma adaptabilidade baixa e quebrará, o que é adequado apenas para tratamento de choque a laser único. Geralmente, a camada de fluxo de água é usada como camada restrita em testes de choque a laser e aplicações industriais. Ele tem as vantagens de aplicabilidade forte, baixo custo, operação fácil e nenhuma necessidade de substituição. Exceto por um pequeno número de processos de tratamento de choque a laser que não usam camadas de absorção de energia, a maioria deles requer camadas de absorção de energia. As camadas de absorção de energia comumente usadas são principalmente materiais com baixo calor de vaporização, como tinta preta, papel alumínio e fita preta. A tinta preta tem boa aplicabilidade e pode ser usada para o tratamento de peening a laser de ranhuras, pequenos orifícios etc., mas não é fácil remover após a conclusão do choque, portanto, a folha de alumínio e a fita preta são geralmente usadas como camadas de absorção de energia.
Existem muitos fatores que afetam o efeito do peening de choque a laser, principalmente propriedades materiais, camada de restrição, camada de absorção de energia, parâmetros de choque a laser, etc. Se a densidade de potência do laser permanecer inalterada, quanto mais tempo o choque de pulso a laser. No entanto, se a largura do pulso do laser for muito grande, é muito fácil causar queimaduras de superfície do material sendo impactado. Somente selecionando a camada de restrição razoável, a camada de absorção de energia e os parâmetros de choque a laser, de acordo com as propriedades do material, podem ser alcançados um melhor efeito de fortalecimento.
A simulação numérica da simulação numérica de peenário de choque a laser ajuda a obter os parâmetros ideais do processo para aplicações específicas e gradualmente se tornou um meio importante de estudar o peening de choque a laser. Os estudiosos nacionais e estrangeiros fizeram muita pesquisa sobre a modelagem e otimização do peening de choque a laser. Atualmente, a indústria fez um grande progresso na análise dinâmica explícita + análise estática implícita do método de simulação numérica de choque a laser, e o método de simulação numérica de peenário de choque a laser com base na deformação intrínseca.
Quando a camada plasmática de pressão alta - afeta o material alvo, o material na área de impacto sofre deformação plástica de alta taxa de tensão, e a resposta estrutural muda muito rapidamente, o que é um problema dinâmico de velocidade altamente não linear -}. Se o algoritmo implícito de elementos finitos for usado para resolver esse tipo de problema, ele não apenas requer uma grande quantidade de cálculo e armazenamento, mas também tem dificuldade na convergência do cálculo. É necessário usar um método explícito de análise de elementos finitos para resolver a onda de tensão gerada pelo impacto no plasma. Em particular, o uso abrangente de métodos de análise de elementos finitos explícitos e implícitos para realizar a simulação numérica do processo de resposta dinâmica do material sob a ação da onda de choque é propícia a obter resultados precisos de previsão de campo de estresse residual.
Quando o único método de cálculo de tensão residual de choque a laser - é usado para simular o choque de sobreposição de laser de Multi -} em uma grande área, a quantidade total de cálculo é frequentemente enorme e leva muito tempo para obter o campo de tensão residual do espécime. Além disso, devido à grande influência da geometria da peça no campo de tensão residual, é difícil simular com precisão o campo de tensão residual de multi - sobreposição de ponto de choque a laser de componentes reais com superfícies curvas complexas usando o método de superposição de tensão.
Para resolver efetivamente esses dois problemas, alguns pesquisadores estabeleceram um modelo numérico baseado em tensão intrínseca para simular o campo de tensão residual do endurecimento por choque a laser. Este modelo assume que a cepa intrínseca formada pelo choque a laser na superfície do componente é insensível à geometria do componente. O processo de simulação se concentra apenas na tensão plástica induzida pelo choque a laser. O campo de deformação de grande -} área multi - ponto de choque a laser do componente é obtido por superposição de cepa intrínseca, e um modelo termoelástico é usado para obter o campo de tensão residual final e a deformação plástica.
Nos últimos anos, estudiosos relevantes em casa e no exterior usaram esse modelo para simulação numérica de campos de estresse residual do fortalecimento de choque a laser de diferentes componentes complexos. A eficiência computacional desse modelo de deformação intrínseca é bastante aprimorada em comparação com o modelo tradicional, e o modelo estabelecido pode efetivamente prever o campo de tensão residual induzido pelo choque a laser.
