Peening de choque láser: innovación de la tecnología de fortalecimiento de la superficie desde el laboratorio hasta el sitio industrial
La Tecnología de Peening de Shock Laser, un proceso innovador conocido como la "revolución de fortalecimiento de la superficie del material", está remodelando silenciosamente el alto -} panorama de fabricación final. Desde el primer vistazo de cambiar la microestructura de la aleación de aluminio en el laboratorio estadounidense hasta la práctica industrial del procesamiento de cuchillas Boeing 777; Desde el nacimiento de la primera línea de producción de pulso continuo en China hasta el avance del sistema de fortalecimiento de disco de cuchilla integral, utiliza la explosión instantánea de plasma de voltaje alto -} para tallar un anti - fatiga "escudo protector" en la superficie de metal.
Cuando el haz de láser de nanosegundos choca con el metal, la vaporización y la evaporación de la capa de absorción de energía es como una micro explosión, dando lugar a ondas ultra - de alta presión, tejiendo una densa red de estrés compresivo residual dentro del material. La selección de la capa de restricción es como la adaptación - El efecto final del vidrio y la adaptación industrial del flujo de agua, la flexibilidad de la pintura negra pero difícil de eliminar y la conveniencia de la lámina de aluminio se convierte en la primera opción. En el campo de la simulación numérica, el intercambio de algoritmos explícitos e implícitos y la innovación del modelo de deformación intrínseca están haciendo que la optimización de procesos se mueva de "prueba y error" a "cálculo preciso".
Esta no es solo la evolución de una tecnología, sino también una declaración de la industria manufacturera para "desafiar el límite": ¿cómo puede el "corazón" de un motor de aeronave resistir decenas de miles de impactos? ¿Cómo puede un reactor nuclear soldar décadas de presión? ¿Pueden los implantes biológicos encontrar un equilibrio entre la dureza y la degradación? El peening de choque láser está utilizando el poder de los fotones para escribir respuestas a estos problemas difíciles.
Láser Shock Peening Technology, también conocida como Peening de láser Shot, es una tecnología de modificación de superficie nueva, efectiva y de rápido desarrollo. En comparación con la tecnología tradicional de peening de disparos mecánicos, puede formar una capa de tensión de compresión residual más profunda en la superficie de la pieza de trabajo, y tiene una fuerte capacidad de control y buena adaptabilidad, y puede manejar las piezas de manejo de {{1 1}} -. En la actualidad, esta tecnología se ha utilizado ampliamente en la fabricación resistente de fatiga -, como las palas de los motores, los engranajes y las soldaduras de presión de la planta de energía nuclear. Con la mayor disminución en el precio del equipo láser, la tecnología de peening de choque láser se utilizará más ampliamente.
La tecnología de peening de choque láser se usa ampliamente en ingeniería.
En 1972, los Estados Unidos usaron altas óter -} de potencia - ondas de choque inducidas para tratar las aleaciones de aluminio de resistencia {}}} por primera vez, y descubrió que su microestructura de superficie cambió y la resistencia a la tracción aumentó en más del 30%, que abrió el preludio de la investigación por choque láser. A fines de la década de 1980, países y regiones como Europa, Japón e Israel han llevado a cabo investigaciones sobre la tecnología de choque láser.
En 1995, la primera compañía de tecnología de procesamiento de choque láser del mundo fue fundada en los Estados Unidos. En 1997, General Motors utilizó la tecnología de procesamiento de choque láser para procesar las palas del ventilador del motor de la aeronave, mejorando en gran medida su tolerancia al daño de los objetos extraños. En 2001, la American Laser Shock Processing Technology Company realizó láser choque en más de 800 motores de rollos - Royce. En 2004, la compañía cooperó con el Laboratorio de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Para realizar una investigación de reparación de peening de láser sobre las palas de aleación de titanio de motor dañado en las f/a -} 22, y su resistencia a la fatiga se duplicó. En el mismo año, Estados Unidos promulgó oficialmente la especificación de procesamiento de choques de láser, y la tecnología se aplicó al procesamiento de cuchillas de Boeing 777. En 2012, Estados Unidos desarrolló con éxito un equipo de procesamiento de choque láser móvil que puede ingresar al sitio industrial para proporcionar servicios en tiempo real. En 2002, Toshiba Corporation de Japón usó láseres pequeños para procesar soldaduras, como los vasos de presión del reactor nuclear y las articulaciones de las tuberías para mejorar la vida útil de la fatiga de las piezas.
Los académicos extranjeros también han utilizado la tecnología de procesamiento de choque láser para fortalecer los metales y aleaciones biomédicas, mejorar la dureza, el rendimiento de la fuerza y la vida útil de la fatiga de los implantes permanentes, y reducir la tasa de degradación de los implantes degradables como el calcio - aleaciones de magnesio.
La investigación nacional sobre la tecnología de procesamiento de choques con láser comenzó en la década de 1990, centrándose principalmente en una serie de estudios experimentales y discusiones teóricas relacionadas sobre aleaciones de aluminio y aceros. Desde 1992, la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing ha cooperado con la Universidad de Ciencia y Tecnología de China para llevar a cabo investigaciones sobre el fortalecimiento de los choques con láser y la fabricación de la resistencia a la fatiga de piezas estructurales de aviación. En 1995, el primer dispositivo de fortalecimiento de choque láser para un experimento de choque láser único en China se desarrolló con éxito en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China. En 2008, la Universidad de Ingeniería de la Fuerza Aérea, junto con Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. y Beijing Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., desarrollaron con éxito la primera línea de producción de fortalecimiento de choque láser de pulso continuo de mi país. En 2011, el primer conjunto de equipos del sistema de fortalecimiento de choque láser integral de mi país se desarrolló con éxito en el Instituto de Automatización de Shenyang, Academia de Ciencias de China y se entregó a Shenyang Liming Engine Co., Ltd. para su uso.
Mecanismo y factores de influencia de la orina del choque láser
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) Capa de plasma. El peening de choque láser utiliza la fuerte onda de choque que se propaga al material causado por la carga de impacto aplicada por la alta capa de plasma de presión - en el objetivo.
Los materiales de capa restringidos que se utilizan actualmente incluyen principalmente vidrio óptico K9, vidrio orgánico y capa de flujo de agua. La capa restringida del material de vidrio tiene el mejor efecto, pero tiene mala adaptabilidad y se romperá, que solo es adecuada para el tratamiento de choque láser único. En general, la capa de flujo de agua se usa como la capa limitada en las pruebas de choque láser y las aplicaciones industriales. Tiene las ventajas de una fuerte aplicabilidad, bajo costo, fácil operación y sin necesidad de reemplazo. Excepto por un pequeño número de procesos de tratamiento de choque láser que no usan capas de absorción de energía, la mayoría de ellos requieren capas de absorción de energía. Las capas de absorción de energía de uso común son principalmente materiales con bajo calor de vaporización, como pintura negra, papel de aluminio y cinta negra. La pintura negra tiene una buena aplicabilidad y se puede usar para el tratamiento con choque láser de surcos, agujeros pequeños, etc., pero no es fácil de eliminar después de completar el choque, por lo que el aluminio de aluminio y la cinta negra generalmente se usan como capas de absorción de energía.
Hay muchos factores que afectan el efecto de la oración del choque láser, principalmente propiedades del material, capa de restricción, capa de absorción de energía, parámetros de choque láser, etc. Si la densidad de potencia del láser permanece sin cambios, cuanto más largo sea el ancho del pulso láser, cuanto más tiempo sea el tiempo que la onda de choque láser actúa sobre el material en el material en el material en el material en el material, y el mejor efecto del tratamiento del choque láser. Sin embargo, si el ancho del pulso láser es demasiado grande, es muy fácil causar que las quemaduras de superficie del material sean afectadas. Solo seleccionando la capa de restricción razonable, se puede lograr los parámetros de la capa de absorción de energía y los parámetros de choque láser de acuerdo con las propiedades del material.
La simulación numérica de la simulación numérica de choque láser ayuda a obtener los parámetros de proceso óptimos para aplicaciones específicas, y se ha convertido gradualmente en un medio importante para estudiar el peinte de choque láser. Los académicos nacionales y extranjeros han investigado mucho sobre el modelado y la optimización del peening de choque láser. En la actualidad, la industria ha progresado en el análisis explícito de análisis dinámico + análisis estático implícito de choque láser Método de simulación numérica, y el método de simulación numérica de pis de choque láser basado en la tensión intrínseca.
Cuando la capa alta de plasma de presión - afecta el material objetivo, el material en el área de impacto sufre una alta tasa de deformación de tasa plástica, y la respuesta estructural cambia muy rápidamente, que es un problema dinámico de velocidad altamente alto -}. Si el algoritmo de elementos finitos implícitos se usa para resolver este tipo de problema, no solo requiere una gran cantidad de cálculo y almacenamiento, sino que también tiene dificultades en la convergencia de cálculo. Es necesario utilizar un método explícito de análisis de elementos finitos para resolver la onda de estrés generada por el impacto en plasma. En particular, el uso integral de métodos de análisis de elementos finitos explícitos e implícitos para realizar una simulación numérica del proceso de respuesta dinámica del material bajo la acción de la onda de choque es propicio para obtener resultados precisos de predicción del campo de estrés residual.
Cuando el único -} punto de choque de choque residual del láser y el método de superposición se usan para simular el choque láser de superposición de múltiples {{1 1}}} en un área grande, la cantidad total de cálculo a menudo es enorme, y se necesita mucho tiempo para obtener el campo de estrés residual de la especímenes. Además, debido a la gran influencia de la geometría de la pieza de trabajo en el campo de estrés residual, es difícil simular con precisión el campo de estrés residual del múltiple -} Endurecimiento por choque láser de punto de componentes reales con superficies curvas complejas utilizando el método de superposición de estrés.
Para resolver de manera efectiva estos dos problemas, algunos investigadores han establecido un modelo numérico basado en la tensión intrínseca para simular el campo de estrés residual del endurecimiento del choque láser. Este modelo supone que la cepa intrínseca formada por el choque láser en la superficie del componente es insensible a la geometría del componente. El proceso de simulación solo se centra en la tensión plástica inducida por el choque láser. El campo de deformación del área grande - Multi - shock láser del componente se obtiene mediante superposición de la tensión intrínseca, y se usa un modelo termoelástico para obtener el campo de estrés residual final y la deformación plástica.
En los últimos años, los académicos relevantes en el hogar y en el extranjero han utilizado este modelo para la simulación numérica de campos de estrés residual del fortalecimiento del choque láser de diferentes componentes complejos. La eficiencia computacional de este modelo de deformación intrínseca se mejora considerablemente en comparación con el modelo tradicional, y el modelo establecido puede predecir efectivamente el campo de estrés residual inducido por el choque láser.
