זעזוע לייזר: חדשנות של טכנולוגיית חיזוק פני השטח ממעבדה לאתר תעשייתי
טכנולוגיית הפנינג של לייזר הלם, תהליך חדשני המכונה "המהפכה לחיזוק פני השטח החומרי", מעצב בשקט את נוף הייצור הגבוה -. מההצצה הראשונה לשינוי מיקרו -מבנה של סגסוגת אלומיניום במעבדה האמריקאית ועד הנוהג התעשייתי של עיבוד להב בואינג 777; מלידת קו הייצור הראשון של הדופק הרציף בסין ועד פריצת הדרך של מערכת חיזוק הדיסקים האינטגרלי, היא משתמשת בפרץ המיידי של פלזמת מתח- מתח כדי לגלף מגן מגן אנטי {}} עייפות "על משטח המתכת.
כאשר קרן הלייזר הננו -שניה מתנגשת במתכת, האידוי והאידוי של שכבת ספיגת האנרגיה הם כמו פיצוץ מיקרו, מה שמוליד אולטרה - גלי הלם בלחץ גבוה, ואורגים רשת צפופה של לחץ דחיסה נותר בתוך החומר. הבחירה בשכבת האילוץ היא כמו התאמת - ההשפעה האולטימטיבית של זכוכית וההתאמה התעשייתית של זרימת המים, הגמישות של צבע שחור אך קשה להסרה, והנוחות של נייר האלומיניום הופכות לבחירה הראשונה. בתחום ההדמיה המספרית, שזורה של אלגוריתמים מפורשים ומרומזים וחדשנות של מודל המתח המהותי גורמים לאופטימיזציה של תהליכים לעבור מ"ניסוי וטעייה "ל"חישוב מדויק".
זו לא רק התפתחות של טכנולוגיה, אלא גם הצהרה על ענף הייצור "לאתגר את הגבול": כיצד ניתן "לב" של מנוע מטוסים לעמוד בעשרות אלפי השפעות? כיצד יכול ריתוך כור גרעיני לעמוד בעשורים של לחץ? האם השתלים ביולוגיים יכולים למצוא איזון בין קשיחות להשפלות? פנינג הלם לייזר משתמש בכוח של פוטונים כדי לכתוב תשובות לבעיות קשות אלה.
טכנולוגיית הפנינג של לייזר הלם, המכונה גם Peening Shot Shot Peening, היא טכנולוגיית שינוי פני השטח החדשה, היעילה והמתפתחת במהירות. בהשוואה לטכנולוגיית הצילום המכנית המסורתית, היא יכולה ליצור שכבת לחץ דחיסה שיורית עמוקה יותר על פני השטח של חומר העבודה, ויש לה יכולת שליטה חזקה ויכולת הסתגלות טובה, ויכולה להתמודד עם חלקים קשה {}}} עד - לטפל בחלקים. נכון לעכשיו, טכנולוגיה זו נמצאת בשימוש נרחב בעייפות - ייצור עמיד כגון להבי מנועי מטוסים, הילוכים וריתוך לחץ תחנת כוח גרעינית. עם הירידה הנוספת במחיר ציוד הלייזר, טכנולוגיית הפניית הלם לייזר תהיה בשימוש נרחב יותר.
טכנולוגיית הפנינג של לייזר זעזועים נמצאת בשימוש נרחב בהנדסה.
בשנת 1972 השתמשה ארצות הברית גבוהה - לייזר כוח - גלי הלם הנגרמים לטיפול בפעם הראשונה בסגסוגות אלומיניום חוזקות {}}. בסוף שנות השמונים, מדינות ואזורים כמו אירופה, יפן וישראל ביצעו מחקר על טכנולוגיית הפניית הלם לייזר.
בשנת 1995 הוקמה חברת טכנולוגיית עיבוד הלם הלייזר הראשון בעולם בארצות הברית. בשנת 1997, ג'נרל מוטורס השתמשה בטכנולוגיית עיבוד הלם לייזר כדי לעבד להבי מאוורר של מנועי מטוסים, ושיפר מאוד את הסובלנות שלהם לפגיעה בחפצים זרים. בשנת 2001, חברת טכנולוגיית עיבוד הלם הלייזר האמריקאית ביצעה הלם לייזר פנדינג בלמעלה מ- 800 מנועי רולס - רויס. בשנת 2004, החברה שיתפה פעולה עם מעבדת חיל האוויר האמריקני לביצוע מחקר לתיקון לייזר לייזר על להבי סגסוגת טיטניום מנוע פגומים על F/A - 22, וכוח העייפות שלה הוכפל. באותה שנה, ארצות הברית קיבלה רשמית את מפרט עיבוד הלם לייזר, והטכנולוגיה הוחלה על עיבוד הלהב של בואינג 777. בשנת 2012 פיתחה ארצות הברית בהצלחה ציוד לעיבוד הלם לייזר נייד שיכול להיכנס לאתר התעשייה כדי לספק שירותים בזמן אמת. בשנת 2002, תאגיד טושיבה מיפן השתמש בלייזרים קטנים כדי לעבד ריתוכים כמו כלי לחץ כור גרעיני ומפרקי צינור כדי לשפר את חיי העייפות של החלקים.
חוקרים זרים השתמשו גם בטכנולוגיית עיבוד הלם לייזר כדי לחזק מתכות וסגסוגות ביו -רפואיות, לשפר את הקשיות, כוח התשואה וחיי העייפות של שתלים קבועים, ומפחיתים את קצב ההשפלה של השתלים הניתנים לתפקידים כמו סידן {}}} סגסוגות מגנזיום.
המחקר המקומי בנושא טכנולוגיית עיבוד הלם לייזר החל בשנות התשעים, והתמקד בעיקר בסדרה של מחקרים ניסויים ודיונים תיאורטיים קשורים על סגסוגות אלומיניום ופלדות. מאז 1992, אוניברסיטת נאנג'ינג לאווירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה שיתפה פעולה עם אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין כדי לבצע מחקר על חיזוק הלם בלייזר וייצור עמידות לעייפות של חלקים מבניים תעופה. בשנת 1995, המכשיר הראשון לחיזוק הלם לייזר לניסוי הלם לייזר יחיד בסין פותח בהצלחה באוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין. בשנת 2008, האוניברסיטה להנדסת חיל האוויר, בשילוב עם Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. ו- Beijing Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., פיתחו בהצלחה את קו ההפקה הראשון של לייזר הדופק הרציף שלי. בשנת 2011, הסט הראשון במדינה של ציוד מערכת חיזוק הלם בלייד בלייד האינטגרלי פותח בהצלחה במכון האוטומציה של שניאנג, האקדמיה הסינית למדעים, והועבר לשנינג לימינג מנוע ושות 'בע"מ לשימוש.
מנגנון ומשפיעים על גורמים של זעזוע לייזר
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) שכבת פלזמה. זעזוע לייזר פינפינג משתמש בגל ההלם החזק המתפשט לחומר הנגרם על ידי עומס ההשפעה המופעל על ידי שכבת הפלזמה הלחץ הגבוהה- על היעד.
חומרי השכבה המוגבלים המשמשים כיום בעיקר כוללים זכוכית אופטית K9, זכוכית אורגנית ושכבת זרימת מים. לשכבה המוגבלת של חומר הזכוכית יש את ההשפעה הטובה ביותר, אך יש לה יכולת הסתגלות לקויה והיא תישבר, המתאימה רק לטיפול בהלם לייזר יחיד. באופן כללי, שכבת זרימת המים משמשת כשכבה המוגבלת בבדיקות הלם לייזר ויישומים תעשייתיים. יש לו יתרונות של תחולת חזקה, עלות נמוכה, פעולה קלה ואין צורך בהחלפה. פרט למספר קטן של תהליכי טיפול בהלם בלייזר שאינם משתמשים בשכבות ספיגת אנרגיה, רובם דורשים שכבות ספיגת אנרגיה. שכבות ספיגת אנרגיה נפוצות הן בעיקר חומרים עם חום אידוי נמוך כמו צבע שחור, נייר אלומיניום וקלטת שחורה. לצבע שחור יש תחולת טובה וניתן להשתמש בהן לטיפול בהלם בלייזר בחריצים, חורים קטנים וכו ', אך לא קל להסיר לאחר סיום ההלם, ולכן נייר אלומיניום וקלטת שחורה משמשים בדרך כלל כשכבות ספיגת אנרגיה.
ישנם גורמים רבים המשפיעים על ההשפעה של זעזוע בלייזר, בעיקר תכונות חומריות, שכבת אילוץ, שכבת ספיגת אנרגיה, פרמטרים של הלם לייזר וכו '. אם צפיפות כוח הלייזר נשארת ללא שינוי, כך רוחב הדופק של לייזר ארוך יותר, כך הזמן פועל גל ההלם בלייזר על החומר, וככל שהאפקט של הטיפול בלייזר טוב יותר. עם זאת, אם רוחב דופק הלייזר גדול מדי, קל מאוד לגרום לכוויות פני השטח של החומר שנפגע. רק על ידי בחירת שכבת אילוץ סבירה, ניתן להשיג את שכבת ספיגת האנרגיה ופרמטרים של הלם לייזר בהתאם לתכונות החומר.
הדמיה מספרית של סימולציה מספרית של הלם לייזר מסייעת להשיג את פרמטרי התהליך האופטימליים ליישומים ספציפיים, והפכה בהדרגה לאמצעי חשוב לחקר התנפנף של הלם לייזר. חוקרים מקומיים וזרים עשו מחקר רב על דוגמנות ואופטימיזציה של פנינג הלם לייזר. נכון לעכשיו, התעשייה התקדמה מאוד בניתוח הדינאמי המפורש + ניתוח סטטי מרומז של לייזר הלם לייזר לייזר שיטת סימולציה מספרית, ושיטת ההדמיה המספרית של לייזר פנתה על בסיס זן מהותי.
כאשר שכבת הפלזמה הלחץ הגבוהה - משפיעה על חומר היעד, החומר באזור ההשפעה עובר עיוות פלסטיק גבוה של קצב המתח, והתגובה המבנית משתנה מהר מאוד, שהיא בעיה דינאמית מהירה מאוד {}}. אם משתמשים באלגוריתם האלמנט הסופי המרומז כדי לפתור סוג זה של בעיה, הוא לא רק דורש כמות גדולה של חישוב ואחסון, אלא גם מתקשה להתכנסות בחישוב. יש להשתמש בשיטת ניתוח אלמנטים סופיים מפורשים כדי לפתור את גל הלחץ שנוצר כתוצאה מפגיעה בפלזמה. בפרט, השימוש המקיף בשיטות ניתוח אלמנטים סופיים מפורשים ומרומזים לביצוע סימולציה מספרית של תהליך התגובה הדינמית של החומר בפעולה של גל ההלם תורם להשגת תוצאות חיזוי שדה מתח מדויק.
כאשר משתמשים בשיטת מתח - פוינט לייזר שיטת לחץ ושיטת סופרפוזיציה כדי לדמות את הלם הלייזר רב - חפיפה על שטח גדול באזור גדול, כמות החישוב הכוללת היא לרוב עצומה, ולוקח זמן רב כדי להשיג את שדה הלחץ הנותר של הדגימה. בנוסף, בשל ההשפעה הגדולה של הגיאומטריה של חומר העבודה על שדה הלחץ הנותר, קשה לדמות במדויק את שדה הלחץ הנותר של ריבוי - חפיפת נקודה לחפיפה על הלם לייזר של רכיבים אמיתיים עם משטחים מעוקלים מורכבים בשיטת סופרפוזיציה של הלחץ.
על מנת לפתור ביעילות את שתי הבעיות הללו, חלק מהחוקרים הקימו מודל מספרי המבוסס על זן מהותי כדי לדמות את שדה הלחץ הנותר של התקשות הלם בלייזר. מודל זה מניח כי הזן המהותי הנוצר על ידי הלם לייזר על פני הרכיב אינו רגיש לגיאומטריה של הרכיב. תהליך הסימולציה מתמקד רק בזן הפלסטיק הנגרם על ידי הלם לייזר. שדה המתח של - שדה רב - הלם לייזר נקודה של הרכיב מתקבל על ידי סופרפוזיציה של זן מהותי, ומודל תרמי -אלסטי משמש להשגת שדה הלחץ הסופי והעיוות הפלסטי.
בשנים האחרונות, חוקרים רלוונטיים בבית ובחו"ל השתמשו במודל זה להדמיה מספרית של שדות לחץ שיורי של חיזוק הלם לייזר של רכיבים מורכבים שונים. היעילות החישובית של מודל זן מהותי זה משופרת מאוד בהשוואה למודל המסורתי, והמודל הקבוע יכול לחזות ביעילות את שדה הלחץ הנותר הנגרם על ידי הלם לייזר.
