صدمة الليزر: ابتكار تكنولوجيا تقوية السطح من المختبر إلى الموقع الصناعي
تعمل تقنية Peening Laser Shock ، وهي عملية مبتكرة تعرف باسم "ثورة تعزيز سطح المواد" ، على إعادة تشكيل مشهد التصنيع العالي-. من أول لمحة عن تغيير البنية المجهرية لسبائك الألومنيوم في المختبر الأمريكي إلى الممارسة الصناعية لمعالجة شفرة بوينج 777 ؛ من ولادة خط إنتاج النبض المستمر الأول في الصين إلى اختراق نظام تقوية قرص الشفرة المتكامل ، فإنه يستخدم الانفجار الفوري من البلازما الجهد العالية- لنحت من التعب- "على السطح المعدني.
عندما تصطدم شعاع الليزر النانوسيوني مع المعدن ، فإن تبخير وتبخر طبقة امتصاص الطاقة يشبه الانفجار الدقيق ، مما يؤدي إلى ظهور موجات صدمة عالية الضغط عالية من الضغط داخل المادة. يشبه اختيار طبقة القيد الخياطة - التأثير النهائي للزجاج والتكيف الصناعي لتدفق المياه ، ومرونة الطلاء الأسود ولكن يصعب إزالته ، وتصبح راحة رقائق الألومنيوم هي الخيار الأول. في مجال المحاكاة العددية ، فإن تشابك الخوارزميات الصريحة والضمنية وابتكار نموذج الإجهاد الداخلي يجعل تحسين العملية من "التجربة والخطأ" إلى "حساب دقيق".
هذا ليس فقط تطور التكنولوجيا ، ولكن أيضًا إعلان صناعة التصنيع من أجل "تحدي الحد الأقصى": كيف يمكن أن يصمد "قلب" محرك الطائرات لعشرات الآلاف من الآثار؟ كيف يمكن لللحام النووي تحمل عقود من الضغط؟ هل يمكن أن تجد عمليات الزرع البيولوجية توازنًا بين المتانة والتدهور؟ تستخدم صدمة الليزر Peening قوة الفوتونات لكتابة إجابات لهذه المشاكل الصعبة.
تعتبر تقنية Peening Laser Shock ، والمعروفة أيضًا باسم Peing Laser Shot ، تقنية تعديل السطح جديدة وفعالة وتطوير بسرعة. بالمقارنة مع تقنية peening التقليدية للتصوير الميكانيكي ، يمكن أن تشكل طبقة الضغط الانضغاطية المتبقية الأعمق على سطح قطعة العمل ، ولديها قابلية للتحكم القوية والقدرة على التكيف الجيد ، ويمكنها التعامل مع الأجزاء الصعبة - إلى -. في الوقت الحاضر ، تم استخدام هذه التكنولوجيا على نطاق واسع في التعب - التصنيع المقاوم مثل شفرات محركات الطائرات والتروس وحامات ضغط محطة الطاقة النووية. مع انخفاض مزيد من انخفاض سعر معدات الليزر ، سيتم استخدام تقنية Peening الصدمة بالليزر على نطاق أوسع.
تستخدم تقنية Peening الصدمة بالليزر على نطاق واسع في الهندسة.
في عام 1972 ، استخدمت الولايات المتحدة عالية - ليزر الطاقة - موجات صدمة مسببة لعلاج عالي - من سبائك الألومنيوم للمرة الأولى ، ووجدت أن البنية المجهرية السطحية قد تغيرت وزادت قوة الشد بأكثر من 30 ٪ ، والتي فتحت prelude للبحوث البريزرية. في أواخر الثمانينيات من القرن الماضي ، أجرت البلدان والمناطق مثل أوروبا واليابان وإسرائيل أبحاثًا حول تقنية صدمة الليزر.
في عام 1995 ، تأسست أول شركة لتكنولوجيا معالجة الصدمات في العالم في العالم في الولايات المتحدة. في عام 1997 ، استخدمت شركة جنرال موتورز تقنية معالجة صدمة الليزر لمعالجة شفرات محرك الطائرات ، مما يحسن إلى حد كبير تسامحها مع تلف الكائنات الخارجية. في عام 2001 ، قامت شركة تكنولوجيا معالجة الصدمات الأمريكية بالليزر بأداء صدمة ليزر على أكثر من 800 محركات من Rolls - Royce. في عام 2004 ، تعاونت الشركة مع مختبر سلاح الجو الأمريكي لإجراء أبحاث إصلاح لتصوير الليزر على شفرات سبيكة التيتانيوم المحرك التالفة على F/A - ، وتضاعفت قوة التعب. في نفس العام ، أصدرت الولايات المتحدة رسميًا مواصفات معالجة الصدمات بالليزر ، وتم تطبيق التكنولوجيا على معالجة الشفرة في بوينج 777. في عام 2012 ، طورت الولايات المتحدة بنجاح معدات معالجة صدمات ليزر متنقلة يمكنها دخول الموقع الصناعي لتوفير خدمات في الوقت الفعلي. في عام 2002 ، استخدمت شركة Toshiba Corporation في اليابان الليزر الصغيرة لمعالجة اللحامات مثل أوعية ضغط المفاعل النووي ومفاصل الأنابيب لتحسين عمر التعب من الأجزاء.
استخدم العلماء الأجانب أيضًا تقنية معالجة الصدمات بالليزر لتعزيز المعادن والسبائك الطبية الحيوية ، وتحسين الصلابة ، وقوة العائد ، وعمر التعب للزرع الدائم ، وتقليل معدل تدهور الغرسات القابلة للتحلل مثل الكالسيوم -.
بدأت الأبحاث المحلية حول تكنولوجيا معالجة الصدمات بالليزر في التسعينيات ، مع التركيز بشكل رئيسي على سلسلة من الدراسات التجريبية والمناقشات النظرية ذات الصلة حول سبائك الألومنيوم والفولاذ. منذ عام 1992 ، تعاونت جامعة نانجينغ لعلماء الطيران وعلماء الفضاء مع جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين لإجراء البحوث حول تعزيز الصدمات بالليزر وتصنيع مقاومة التعب من الأجزاء الهيكلية للطيران. في عام 1995 ، تم تطوير أول جهاز تقوية ليزر لتجربة صدمة ليزر واحدة في الصين في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين. في عام 2008 ، قامت جامعة الهندسة الجوية ، بالتزامن مع شركة Xi'an Optoelectronic Technology Development ، Ltd. و Beijing Leibao Optoelectronic Technology Co. في عام 2011 ، تم تطوير أول مجموعة من معدات نظام تعزيز Laser Laser Laser المتكاملة في معهد Shenyang للأتمتة ، والأكاديمية الصينية للعلوم ، وتم تسليمها إلى Shenyang Liming Engine Co. ، Ltd. لاستخدامها.
آلية وعوامل التأثير على صدمة الليزر
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) طبقة البلازما. تستخدم صدمة الليزر Peening موجة الصدمة القوية التي تنتشر في المادة الناجمة عن حمل التأثير المطبق بواسطة طبقة البلازما عالية الضغط- على الهدف.
تشمل مواد الطبقة المقيدة المستخدمة حاليًا بشكل أساسي الزجاج البصري K9 والزجاج العضوي وطبقة تدفق المياه. الطبقة المقيدة للمواد الزجاجية لها أفضل تأثير ، ولكن لديها قابلية للتكيف وسوف تنكسر ، وهو مناسب فقط لعلاج صدمة ليزر واحد. بشكل عام ، يتم استخدام طبقة تدفق المياه كطبقة مقيدة في اختبارات صدمة الليزر والتطبيقات الصناعية. لديها مزايا التطبيق القوي ، والتكلفة المنخفضة ، وسهولة التشغيل ، ولا حاجة للاستبدال. باستثناء عدد قليل من عمليات معالجة الصدمات بالليزر التي لا تستخدم طبقات امتصاص الطاقة ، يتطلب معظمها طبقات امتصاص الطاقة. طبقات امتصاص الطاقة شائعة الاستخدام هي مواد ذات حرارة منخفضة التبخير مثل الطلاء الأسود ورقائق الألومنيوم والشريط الأسود. الطلاء الأسود له قابلية للتطبيق بشكل جيد ويمكن استخدامه لعلاج صدمة الليزر من الأخاديد ، والثقوب الصغيرة ، وما إلى ذلك ، ولكن ليس من السهل إزالته بعد اكتمال الصدمة ، لذلك يتم استخدام رقائق الألومنيوم والشريط الأسود عمومًا كطبقات امتصاص الطاقة.
هناك العديد من العوامل التي تؤثر على تأثير صدمة الليزر ، وخاصة الخواص المادية ، وطبقة القيود ، وطبقة امتصاص الطاقة ، ومعلمات صدمة الليزر ، وما إلى ذلك. إذا ظلت كثافة طاقة الليزر دون تغيير ، فكلما طالت عرض النبض الليزري ، تتصدر تأثير موجة الصدمة بالليزر على المواد ، وتأثير علاج الصدمة الليزري. ومع ذلك ، إذا كان عرض نبض الليزر كبيرًا جدًا ، فمن السهل جدًا التسبب في حروق سطح المادة المتأثرة. فقط من خلال اختيار طبقة القيد المعقولة ، يمكن تحقيق طبقة امتصاص الطاقة ومعلمات صدمة الليزر وفقًا لخصائص المواد تأثير تعزيز أفضل.
تساعد المحاكاة العددية لصدمة الليزر على محاكاة عددية في الحصول على معلمات العملية المثلى لتطبيقات محددة ، وأصبحت تدريجياً وسيلة مهمة لدراسة صدمة الليزر. لقد قام العلماء المحليون والأجانب بالكثير من الأبحاث حول نمذجة وتحسين صدمة الليزر. في الوقت الحاضر ، أحرزت الصناعة تقدمًا كبيرًا في التحليل الديناميكي الصريح + التحليل الثابت الضمني للليزر ، طريقة المحاكاة العددية ، وطريقة المحاكاة العددية للليزر على أساس السلالة الجوهرية.
عندما تؤثر طبقة البلازما المرتفعة- على المادة المستهدفة ، فإن المادة في منطقة التأثير تخضع لتشوهات بلاستيكية عالية معدل الإجهاد ، وتتغير الاستجابة الهيكلية بسرعة كبيرة ، وهي مشكلة ديناميكية عالية غير خطية للغاية -. إذا تم استخدام خوارزمية العناصر المحدودة الضمنية لحل هذا النوع من المشكلات ، فهذا لا يتطلب فقط كمية كبيرة من الحساب والتخزين ، ولكن لديها أيضًا صعوبة في تقارب الحساب. من الضروري استخدام طريقة تحليل العناصر المحدودة الصريحة لحل موجة الإجهاد الناتجة عن تأثير البلازما. على وجه الخصوص ، فإن الاستخدام الشامل لأساليب تحليل العناصر المحدودة الصريحة والضمنية لإجراء محاكاة رقمية لعملية الاستجابة الديناميكية للمادة تحت عمل موجة الصدمة مفضية إلى الحصول على نتائج دقيقة للتنبؤ بمجال الإجهاد المتبقي.
عندما يتم استخدام طريقة صدمة الإجهاد المتبقية المتبقية {0-} نقطة في محاكاة صدمة الليزر المتعددة- تتداخل النقطة في مساحة كبيرة في منطقة كبيرة ، غالبًا ما تكون كمية الحساب ضخمة ، وتستغرق الكثير من الوقت للحصول على حقل الإجهاد المتبقي في النخبة. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا للتأثير الكبير لهندسة الشغل في مجال الإجهاد المتبقي ، من الصعب محاكاة حقل الإجهاد المتبقي بدقة في تصلب الصدمة بالليزر المتعددة- النقطة للمكونات الحقيقية مع الأسطح المنحنية المعقدة باستخدام طريقة عرقلة الإجهاد.
من أجل حل هذه المشكلتين بفعالية ، أنشأ بعض الباحثين نموذجًا رقميًا يعتمد على إجهاد جوهري لمحاكاة مجال الإجهاد المتبقي لتصلب الصدمة بالليزر. يفترض هذا النموذج أن السلالة الجوهرية التي تشكلتها صدمة الليزر على سطح المكون غير حساسة للهندسة المكونة. تركز عملية المحاكاة فقط على السلالة البلاستيكية الناجمة عن صدمة الليزر. يتم الحصول على حقل الإجهاد في المنطقة الكبيرة - Multi - صدمة ليزر النقطة للمكون عن طريق تراكب السلالة الجوهرية ، ويستخدم نموذج حراري للحصول على حقل الإجهاد المتبقي النهائي والتشوه البلاستيكي.
في السنوات الأخيرة ، استخدم الباحثون المعنيون في الداخل والخارج هذا النموذج للمحاكاة العددية لحقول الإجهاد المتبقية من تعزيز صدمة الليزر للمكونات المعقدة المختلفة. تم تحسين الكفاءة الحسابية لنموذج الإجهاد الجوهري هذا إلى حد كبير مقارنة بالنموذج التقليدي ، ويمكن للنموذج القائم التنبؤ بشكل فعال بحقل الإجهاد المتبقي الناجم عن صدمة الليزر.
