ایجاد شوک لیزر: نوآوری فناوری تقویت سطح از آزمایشگاه تا سایت صنعتی
فناوری Peening Laser Shock Peening ، یک فرایند نوآورانه که به عنوان "انقلاب تقویت کننده سطح مواد" شناخته می شود ، بی سر و صدا در حال تغییر شکل منظره تولید سطح بالا است. از اولین نگاه تغییر ریزساختار آلیاژ آلومینیوم در آزمایشگاه آمریکا به عمل صنعتی پردازش تینگ 777. از تولد اولین خط تولید پالس مداوم در چین تا دستیابی به موفقیت سیستم تقویت دیسک تیغه انتگرال ، از پشت سر هم فوری پلاسما با ولتاژ بالا برای حک کردن "سپر محافظ" ضد خستگی بر روی سطح فلز استفاده می کند.
هنگامی که پرتو لیزر نانو ثانیه با فلز برخورد می کند ، تبخیر و تبخیر لایه جذب انرژی مانند یک میکرو انفجار است و باعث ایجاد امواج شوک فشار فوق العاده بالا می شود و یک شبکه متراکم از استرس فشاری باقیمانده در داخل مواد بافته می شود. انتخاب لایه محدودیت مانند خیاطی است - تأثیر نهایی شیشه و سازگاری صنعتی جریان آب ، انعطاف پذیری رنگ سیاه اما از بین بردن آن دشوار است و راحتی فویل آلومینیومی به اولین انتخاب تبدیل می شود. در زمینه شبیه سازی عددی ، درهم آمیختن الگوریتم های صریح و ضمنی و نوآوری مدل کرنش ذاتی باعث می شود بهینه سازی فرآیند از "آزمایش و خطا" به "محاسبه دقیق" حرکت کند.
این نه تنها تکامل یک فناوری است ، بلکه اعلامیه صنعت تولید برای "به چالش کشیدن محدود" است: چگونه می توان "قلب" یک موتور هواپیما را تحمل کرد؟ چگونه می توان یک جوش راکتور هسته ای را در برابر فشار در برابر فشار مقاومت کرد؟ آیا ایمپلنت های بیولوژیکی می توانند تعادل بین سختی و تخریب پیدا کنند؟ Laser Shock Peening از قدرت فوتون ها برای نوشتن پاسخ به این مشکلات دشوار استفاده می کند.
فن آوری پوستر شوک لیزر ، که به عنوان Laser Shot Peening نیز شناخته می شود ، یک فناوری جدید ، مؤثر و به سرعت در حال توسعه است. در مقایسه با فن آوری سنتی شات شات ، می تواند یک لایه استرس فشاری باقیمانده عمیق تر در سطح قطعه کار تشکیل دهد و از کنترل قوی و سازگاری خوب برخوردار باشد و می تواند قطعات دشوار را تحمل کند. در حال حاضر ، این فناوری به طور گسترده ای در تولید مقاوم در برابر خستگی مانند تیغه های موتور هواپیما ، چرخ دنده ها و جوش های فشار نیروگاه هسته ای مورد استفاده قرار گرفته است. با کاهش بیشتر قیمت تجهیزات لیزر ، از فناوری Peening Laser Shock استفاده خواهد شد.
فن آوری پوستر شوک لیزر به طور گسترده در مهندسی استفاده می شود.
در سال 1972 ، ایالات متحده برای اولین بار از امواج شوک ناشی از لیزر با قدرت بالا برای درمان آلیاژهای آلومینیومی با استحکام بالا استفاده کرد و دریافت که ریزساختار سطح آن تغییر کرده و قدرت کششی بیش از 30 ٪ افزایش یافته است ، که این امر مقدمه را برای تحقیقات پوستر لیزر باز می کند. در اواخر دهه 1980 ، کشورها و مناطقی مانند اروپا ، ژاپن و اسرائیل تحقیقاتی را در مورد فناوری پوستر شوک لیزر انجام داده اند.
در سال 1995 ، اولین شرکت فناوری پردازش شوک لیزر در جهان در ایالات متحده تأسیس شد. در سال 1997 ، جنرال موتورز از فناوری پردازش شوک لیزر برای پردازش تیغه های فن موتور هواپیما استفاده کرد و تحمل آنها را نسبت به آسیب های شیء خارجی بهبود بخشید. در سال 2001 ، شرکت فناوری پردازش شوک لیزر آمریکایی در بیش از 800 موتور رولز رویس ، افزایش لیزر شوک را انجام داد. در سال 2004 ، این شرکت با آزمایشگاه نیروی هوایی ایالات متحده برای انجام تحقیقات ترمیم شات لیزری در مورد تیغه های آلیاژ تیتانیوم موتور آسیب دیده در F/A-22 همکاری کرد و استحکام خستگی آن دو برابر شد. در همان سال ، ایالات متحده رسماً مشخصات پردازش شوک لیزر را منتشر کرد و این فناوری برای پردازش تینگ بوئینگ 777 به کار گرفته شد. در سال 2012 ، ایالات متحده با موفقیت تجهیزات پردازش شوک لیزر موبایل را ایجاد کرد که می تواند وارد سایت صنعتی شود تا خدمات واقعی را ارائه دهد. در سال 2002 ، شرکت توشیبا ژاپن از لیزرهای کوچک برای پردازش جوش هایی مانند کشتی های فشار راکتور هسته ای و اتصالات لوله برای بهبود عمر خستگی قطعات استفاده کرد.
محققان خارجی همچنین از فناوری پردازش شوک لیزر برای تقویت فلزات و آلیاژهای زیست پزشکی ، بهبود سختی ، عملکرد قدرت و خستگی ایمپلنت های دائمی استفاده کرده اند و میزان تخریب ایمپلنت های قابل تخریب مانند آلیاژهای کلسیم-ماساژیم را کاهش می دهند.
تحقیقات داخلی در مورد فناوری پردازش شوک لیزر در دهه 1990 آغاز شد ، که عمدتاً روی یک سری مطالعات تجربی و بحث های نظری مرتبط با آلیاژها و فولادهای آلومینیوم متمرکز شده است. از سال 1992 ، دانشگاه هوانوردی نانجینگ و فضانوردی با دانشگاه علوم و فناوری چین همکاری کرده است تا تحقیقاتی در مورد تقویت شوک لیزر و مقاومت در برابر خستگی از قطعات ساختاری هواپیمایی انجام دهد. در سال 1995 ، اولین دستگاه تقویت شوک لیزر برای آزمایش شوک تک لیزر در چین با موفقیت در دانشگاه علوم و فناوری چین توسعه یافت. در سال 2008 ، دانشگاه مهندسی نیروی هوایی ، همراه با شرکت توسعه فناوری OptoElectronic Xi'an ، آموزشی ویبولیتین و شرکت فناوری OptoElectronic پکن Leibao ، آموزشی ویبولیتین ، با موفقیت اولین خط تولید شوک پالس پالس را با موفقیت توسعه داد. در سال 2011 ، اولین مجموعه تجهیزات سیستم تقویت شوک لیزر لیزر من کشور من با موفقیت در انستیتوی اتوماسیون Shenyang ، آکادمی علوم چین و برای استفاده به شرکت Engine Liming Shenyang تحویل داده شد.
مکانیسم و عوامل تأثیرگذار در شوک لیزر
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) لایه پلاسما. ایجاد شوک لیزر از موج شوک قوی که به داخل مواد ناشی از بار ضربه اعمال شده توسط لایه پلاسما با فشار بالا روی هدف استفاده می شود ، استفاده می کند.
مواد لایه محدود در حال حاضر به طور عمده شامل شیشه نوری K9 ، شیشه آلی و لایه جریان آب است. لایه محدود کننده مواد شیشه ای بهترین تأثیر را دارد ، اما سازگاری ضعیفی دارد و می شکند که فقط برای درمان شوک تک لیزر مناسب است. به طور کلی ، از لایه جریان آب به عنوان لایه محدود در آزمایش های شوک لیزر و کاربردهای صنعتی استفاده می شود. این مزایای کاربرد قوی ، کم هزینه ، عملکرد آسان و نیازی به جایگزینی را دارد. به جز تعداد کمی از فرآیندهای تصفیه شوک لیزر که از لایه های جذب انرژی استفاده نمی کنند ، بیشتر آنها به لایه های جذب انرژی نیاز دارند. لایه های جذب انرژی معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند ، عمدتاً موادی هستند که دارای گرمای بخار کم مانند رنگ سیاه ، فویل آلومینیومی و نوار سیاه هستند. رنگ سیاه از کاربرد خوبی برخوردار است و می تواند برای درمان پوستر لیزر از شیارها ، سوراخ های کوچک و غیره مورد استفاده قرار گیرد ، اما حذف آن پس از اتمام شوک آسان نیست ، بنابراین فویل آلومینیومی و نوار سیاه به طور کلی به عنوان لایه های جذب انرژی استفاده می شوند.
عوامل زیادی وجود دارد که بر تأثیر پوستر لیزر ، عمدتاً خاصیت مواد ، لایه محدودیت ، لایه جذب انرژی ، پارامترهای شوک لیزر و غیره تأثیر می گذارد. با این حال ، اگر عرض پالس لیزر خیلی بزرگ باشد ، به راحتی می توان سوختگی سطح مواد را تحت تأثیر قرار داد. تنها با انتخاب لایه محدودیت معقول ، لایه جذب انرژی و پارامترهای شوک لیزر با توجه به خواص ماده می تواند اثر تقویت بهتری حاصل شود.
شبیه سازی عددی شبیه سازی عددی چیک شكار لیزر به به دست آوردن پارامترهای فرآیند بهینه برای برنامه های خاص كمك می كند و به تدریج به یك وسیله مهم برای مطالعه یك شوك لیزر تبدیل شده است. محققان داخلی و خارجی تحقیقات زیادی در مورد مدل سازی و بهینه سازی پوستر شوک لیزر انجام داده اند. در حال حاضر ، این صنعت پیشرفت زیادی در تجزیه و تحلیل پویا صریح + تجزیه و تحلیل استاتیک ضمنی روش شبیه سازی عددی شوک لیزر و روش شبیه سازی عددی لیزر شوک لیزر بر اساس فشار ذاتی داشته است.
هنگامی که لایه پلاسما با فشار بالا بر ماده هدف تأثیر می گذارد ، مواد موجود در ناحیه ضربه دچار تغییر شکل پلاستیک با سرعت زیاد می شوند و پاسخ ساختاری خیلی سریع تغییر می کند ، که یک مشکل پویا با سرعت بالا بسیار غیرخطی است. اگر از الگوریتم عناصر محدود ضمنی برای حل این نوع مشکل استفاده شود ، نه تنها به مقدار زیادی محاسبه و ذخیره سازی نیاز دارد بلکه در همگرایی محاسبه نیز مشکل دارد. برای حل موج استرس ناشی از تأثیر پلاسما ، استفاده از یک روش آنالیز عناصر محدود محدود لازم است. به طور خاص ، استفاده جامع از روشهای تجزیه و تحلیل عناصر محدود صریح و ضمنی برای انجام شبیه سازی عددی فرآیند پاسخ پویا از مواد تحت عمل موج شوک برای به دست آوردن نتایج پیش بینی دقیق میدان استرس باقیمانده است.
هنگامی که از محاسبه استرس باقیمانده شوک لیزر تک نقطه ای و روش فوق العاده برای شبیه سازی شوک لیزر همپوشانی چند نقطه ای در یک منطقه بزرگ استفاده می شود ، مقدار کل محاسبه اغلب بسیار زیاد است و برای به دست آوردن میدان استرس باقیمانده نمونه زمان زیادی طول می کشد. علاوه بر این ، با توجه به تأثیر زیاد هندسه قطعه کار در زمینه استرس باقیمانده ، شبیه سازی دقیق میدان استرس باقیمانده سخت شدن شوک لیزر چند نقطه ای از اجزای واقعی با سطوح منحنی پیچیده با استفاده از روش فوق العاده استرس دشوار است.
به منظور حل موثر این دو مشکل ، برخی از محققان یک مدل عددی را بر اساس فشار ذاتی برای شبیه سازی میدان استرس باقیمانده سخت شدن شوک لیزر ایجاد کرده اند. این مدل فرض می کند که کرنش ذاتی که توسط شوک لیزر بر روی سطح مؤلفه تشکیل می شود ، نسبت به هندسه مؤلفه حساس نیست. فرآیند شبیه سازی فقط بر روی سویه پلاستیکی ناشی از شوک لیزر تمرکز دارد. میدان کرنش شوک لیزر چند نقطه ای در منطقه بزرگ با استفاده از فشار کرنش ذاتی به دست می آید و از یک مدل ترمولاستیک برای به دست آوردن میدان استرس باقیمانده نهایی و تغییر شکل پلاستیک استفاده می شود.
در سالهای اخیر ، محققان مربوطه در خانه و خارج از کشور از این مدل برای شبیه سازی عددی زمینه های استرس باقیمانده تقویت شوک لیزر از اجزای مختلف پیچیده استفاده کرده اند. راندمان محاسباتی این مدل کرنش ذاتی در مقایسه با مدل سنتی بسیار بهبود یافته است ، و مدل ایجاد شده می تواند به طور موثری میدان استرس باقیمانده ناشی از شوک لیزر را پیش بینی کند.
