लेजर शॉक पीनिंग: प्रयोगशाला से औद्योगिक साइट तक सतह को मजबूत करने वाली प्रौद्योगिकी का नवाचार
लेजर शॉक पीनिंग तकनीक, एक अभिनव प्रक्रिया जिसे "सामग्री सतह को मजबूत करने वाली क्रांति" के रूप में जाना जाता है, चुपचाप उच्च - अंतिम विनिर्माण परिदृश्य को फिर से आकार दे रहा है। बोइंग 777 ब्लेड प्रोसेसिंग के औद्योगिक अभ्यास में अमेरिकी प्रयोगशाला में एल्यूमीनियम मिश्र धातु के माइक्रोस्ट्रक्चर को बदलने की पहली झलक से; चीन में पहली निरंतर पल्स उत्पादन लाइन के जन्म से इंटीग्रल ब्लेड डिस्क को मजबूत करने वाली प्रणाली की सफलता तक, यह धातु की सतह पर एक एंटी - थकान "सुरक्षात्मक शील्ड" को उकेरने के लिए उच्च - वोल्टेज प्लाज्मा के तात्कालिक फटने का उपयोग करता है।
जब नैनोसेकंड लेजर बीम धातु से टकराता है, तो ऊर्जा अवशोषण परत का वाष्पीकरण और वाष्पीकरण एक सूक्ष्म विस्फोट की तरह होता है, जो अल्ट्रा - उच्च दबाव वाले सदमे तरंगों को जन्म देता है, जो सामग्री के अंदर अवशिष्ट संपीड़ित तनाव के घने नेटवर्क को बुनता है। बाधा परत का चयन - कांच के अंतिम प्रभाव और जल प्रवाह के औद्योगिक अनुकूलन, काले रंग के लचीलेपन को हटाने के लिए लेकिन हटाने के लिए मुश्किल है, और एल्यूमीनियम पन्नी की सुविधा पहली पसंद बन जाती है। संख्यात्मक सिमुलेशन के क्षेत्र में, स्पष्ट और निहित एल्गोरिदम का अंतर और आंतरिक तनाव मॉडल का नवाचार "परीक्षण और त्रुटि" से "सटीक गणना" के लिए प्रक्रिया अनुकूलन को आगे बढ़ा रहा है।
यह न केवल एक तकनीक का विकास है, बल्कि विनिर्माण उद्योग की "सीमा को चुनौती देने" के लिए भी एक घोषणा है: एक विमान इंजन का "दिल" हजारों प्रभावों का सामना कैसे कर सकता है? एक परमाणु रिएक्टर दशकों से दबाव का सामना कैसे कर सकता है? क्या जैविक प्रत्यारोपण क्रूरता और गिरावट के बीच संतुलन पा सकते हैं? लेजर शॉक पीनिंग इन कठिन समस्याओं के उत्तर लिखने के लिए फोटॉनों की शक्ति का उपयोग कर रहा है।
लेजर शॉक पीनिंग तकनीक, जिसे लेजर शॉट पीनिंग के रूप में भी जाना जाता है, एक नई, प्रभावी और तेजी से विकसित सतह संशोधन तकनीक है। पारंपरिक यांत्रिक शॉट पीनिंग तकनीक की तुलना में, यह वर्कपीस की सतह पर एक गहरी अवशिष्ट संपीड़ित तनाव परत बना सकता है, और इसमें मजबूत नियंत्रणीयता और अच्छी अनुकूलनशीलता है, और मुश्किल - से - हैंडल भागों को संभाल सकता है। वर्तमान में, इस तकनीक का उपयोग व्यापक रूप से थकान - प्रतिरोधी विनिर्माण जैसे विमान इंजन ब्लेड, गियर और परमाणु ऊर्जा संयंत्र दबाव वेल्ड्स में किया गया है। लेजर उपकरणों की कीमत में और गिरावट के साथ, लेजर शॉक पीनिंग तकनीक का अधिक व्यापक रूप से उपयोग किया जाएगा।
लेजर शॉक पीनिंग तकनीक का व्यापक रूप से इंजीनियरिंग में उपयोग किया जाता है।
1972 में, संयुक्त राज्य अमेरिका ने उच्च - पावर लेजर - को उच्च - ताकत एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं का इलाज करने के लिए प्रेरित शॉक वेव्स का उपयोग किया, और पाया कि इसकी सतह माइक्रोस्ट्रक्चर बदल गई और तन्य शक्ति 30%से अधिक बढ़ गई, जो कि एलएजर शॉक पीनिंग के लिए प्रील्यूड को खोलती है। 1980 के दशक के उत्तरार्ध में, यूरोप, जापान और इज़राइल जैसे देशों और क्षेत्रों ने लेजर शॉक पीनिंग तकनीक पर शोध किया है।
1995 में, दुनिया की पहली लेजर शॉक प्रोसेसिंग टेक्नोलॉजी कंपनी की स्थापना संयुक्त राज्य अमेरिका में हुई थी। 1997 में, जनरल मोटर्स ने विमान इंजन फैन ब्लेड को संसाधित करने के लिए लेजर शॉक प्रोसेसिंग तकनीक का उपयोग किया, जिससे विदेशी वस्तु क्षति के लिए उनकी सहिष्णुता में सुधार हुआ। 2001 में, अमेरिकन लेजर शॉक प्रोसेसिंग टेक्नोलॉजी कंपनी ने रोल्स - रॉयस के 800 से अधिक इंजनों पर लेजर शॉक पीनिंग का प्रदर्शन किया। 2004 में, कंपनी ने यूएस एयर फोर्स लेबोरेटरी के साथ सहयोग किया, जिसमें एफ/ए - 22 पर क्षतिग्रस्त इंजन टाइटेनियम मिश्र धातु ब्लेड पर लेजर शॉट पीनिंग मरम्मत अनुसंधान का संचालन किया गया, और इसकी थकान की ताकत दोगुनी हो गई। उसी वर्ष में, संयुक्त राज्य अमेरिका ने आधिकारिक तौर पर लेजर शॉक प्रोसेसिंग विनिर्देश को बढ़ावा दिया, और प्रौद्योगिकी को बोइंग 777 के ब्लेड प्रोसेसिंग पर लागू किया गया था। 2012 में, संयुक्त राज्य अमेरिका ने सफलतापूर्वक एक मोबाइल लेजर शॉक प्रोसेसिंग उपकरण विकसित किए जो वास्तविक समय सेवाएं प्रदान करने के लिए औद्योगिक साइट में प्रवेश कर सकते हैं। 2002 में, जापान के तोशिबा कॉरपोरेशन ने पार्ट्स के थकान जीवन को बेहतर बनाने के लिए परमाणु रिएक्टर दबाव वाहिकाओं और पाइप जोड़ों जैसे वेल्ड्स को संसाधित करने के लिए छोटे लेज़रों का उपयोग किया।
विदेशी विद्वानों ने बायोमेडिकल धातुओं और मिश्र धातुओं को मजबूत करने के लिए लेजर शॉक प्रोसेसिंग तकनीक का भी उपयोग किया है, स्थायी प्रत्यारोपण की कठोरता, उपज की ताकत और थकान जीवन में सुधार किया है, और कैल्शियम - मैग्नीशियम मिश्र धातुओं जैसे नीचता प्रत्यारोपण की गिरावट दर को कम किया है।
लेजर शॉक प्रोसेसिंग तकनीक पर घरेलू शोध 1990 के दशक में शुरू हुआ, मुख्य रूप से एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं और स्टील्स पर प्रयोगात्मक अध्ययन और संबंधित सैद्धांतिक चर्चाओं की एक श्रृंखला पर ध्यान केंद्रित किया गया। 1992 के बाद से, नानजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ एरोनॉटिक्स एंड एस्ट्रोनॉटिक्स ने चीन के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के साथ सहयोग किया है ताकि विमानन संरचनात्मक भागों के लेजर शॉक को मजबूत बनाने और थकान प्रतिरोध विनिर्माण पर शोध किया जा सके। 1995 में, चीन में सिंगल लेजर शॉक एक्सपेरिमेंट के लिए पहला लेजर शॉक स्ट्रॉन्गिंग डिवाइस सफलतापूर्वक चीन के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय में विकसित किया गया था। 2008 में, वायु सेना इंजीनियरिंग विश्वविद्यालय, XIAAN Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. और बीजिंग Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd. के साथ संयोजन में, सफलतापूर्वक मेरे देश की पहली निरंतर पल्स लेजर शॉक स्ट्रॉन्गिंग प्रोडक्शन लाइन को विकसित किया। 2011 में, मेरे देश के इंटीग्रल ब्लेड लेजर शॉक स्टॉरिंग सिस्टम उपकरण का पहला सेट सफलतापूर्वक शेनयांग इंस्टीट्यूट ऑफ ऑटोमेशन, चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज में विकसित किया गया था, और उपयोग के लिए शेनयांग लिमिंग इंजन कंपनी, लिमिटेड को दिया गया।
तंत्र और लेजर शॉक पीनिंग के कारकों को प्रभावित करना
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) प्लाज्मा परत। लेजर शॉक पीनिंग लक्ष्य पर उच्च - दबाव प्लाज्मा परत द्वारा लागू प्रभाव भार के कारण होने वाली सामग्री में फैले हुए मजबूत शॉक वेव का उपयोग करता है।
वर्तमान में उपयोग की जाने वाली विवश परत सामग्री में मुख्य रूप से K9 ऑप्टिकल ग्लास, कार्बनिक ग्लास और जल प्रवाह की परत शामिल है। कांच की सामग्री विवश परत का सबसे अच्छा प्रभाव है, लेकिन इसमें खराब अनुकूलन क्षमता है और वह टूट जाएगा, जो केवल एकल लेजर शॉक उपचार के लिए उपयुक्त है। आम तौर पर, जल प्रवाह परत का उपयोग लेजर शॉक परीक्षणों और औद्योगिक अनुप्रयोगों में विवश परत के रूप में किया जाता है। इसमें मजबूत प्रयोज्यता, कम लागत, आसान संचालन और प्रतिस्थापन की कोई आवश्यकता नहीं है। कम संख्या में लेजर शॉक उपचार प्रक्रियाओं को छोड़कर जो ऊर्जा अवशोषण परतों का उपयोग नहीं करते हैं, उनमें से अधिकांश को ऊर्जा अवशोषण परतों की आवश्यकता होती है। आमतौर पर उपयोग की जाने वाली ऊर्जा अवशोषण परतें मुख्य रूप से कम वाष्पीकरण गर्मी के साथ सामग्री होती हैं जैसे कि ब्लैक पेंट, एल्यूमीनियम पन्नी और काले टेप। ब्लैक पेंट में अच्छी प्रयोज्यता होती है और इसका उपयोग खांचे, छोटे छेद, आदि के लेजर शॉक पीनिंग उपचार के लिए किया जा सकता है, लेकिन झटके के पूरा होने के बाद इसे हटाना आसान नहीं है, इसलिए एल्यूमीनियम पन्नी और ब्लैक टेप का उपयोग आम तौर पर ऊर्जा अवशोषण परतों के रूप में किया जाता है।
ऐसे कई कारक हैं जो लेजर शॉक पीनिंग, मुख्य रूप से भौतिक गुणों, बाधा परत, ऊर्जा अवशोषण परत, लेजर शॉक पैरामीटर, आदि के प्रभाव को प्रभावित करते हैं, यदि लेजर पावर घनत्व अपरिवर्तित रहता है, तो लेजर पल्स चौड़ाई जितनी लंबी होती है, लेजर शॉक वेव मैटेरियल पर काम करता है, और बेहतर लज़र शॉक ट्रीटमेंट प्रभाव। हालांकि, यदि लेजर पल्स की चौड़ाई बहुत बड़ी है, तो सामग्री के प्रभावित होने के कारण सतह को प्रभावित करना बहुत आसान है। केवल भौतिक गुणों के अनुसार उचित बाधा परत, ऊर्जा अवशोषण परत और लेजर शॉक मापदंडों का चयन करके एक बेहतर मजबूत प्रभाव प्राप्त किया जा सकता है।
लेजर शॉक पीनिंग संख्यात्मक सिमुलेशन का संख्यात्मक सिमुलेशन विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए इष्टतम प्रक्रिया मापदंडों को प्राप्त करने में मदद करता है, और धीरे -धीरे लेजर शॉक पीनिंग का अध्ययन करने का एक महत्वपूर्ण साधन बन गया है। घरेलू और विदेशी विद्वानों ने लेजर शॉक पीनिंग के मॉडलिंग और अनुकूलन पर बहुत शोध किया है। वर्तमान में, उद्योग ने स्पष्ट गतिशील विश्लेषण + अंतर्निहित स्थैतिक विश्लेषण लेजर शॉक पीनिंग संख्यात्मक सिमुलेशन विधि में बहुत प्रगति की है, और आंतरिक तनाव के आधार पर लेजर शॉक पीनिंग संख्यात्मक सिमुलेशन विधि।
जब उच्च - दबाव प्लाज्मा परत लक्ष्य सामग्री को प्रभावित करती है, तो प्रभाव क्षेत्र में सामग्री उच्च तनाव दर प्लास्टिक विरूपण से गुजरती है, और संरचनात्मक प्रतिक्रिया बहुत जल्दी बदल जाती है, जो एक अत्यधिक nonlinear उच्च - गति गतिशील समस्या है। यदि इस प्रकार की समस्या को हल करने के लिए निहित परिमित तत्व एल्गोरिथ्म का उपयोग किया जाता है, तो इसे न केवल गणना और भंडारण की एक बड़ी मात्रा की आवश्यकता होती है, बल्कि गणना अभिसरण में भी कठिनाई होती है। प्लाज्मा प्रभाव द्वारा उत्पन्न तनाव तरंग को हल करने के लिए एक स्पष्ट परिमित तत्व विश्लेषण विधि का उपयोग करना आवश्यक है। विशेष रूप से, शॉक वेव की कार्रवाई के तहत सामग्री के गतिशील प्रतिक्रिया प्रक्रिया के संख्यात्मक सिमुलेशन को करने के लिए स्पष्ट और निहित परिमित तत्व विश्लेषण विधियों का व्यापक उपयोग सटीक अवशिष्ट तनाव क्षेत्र भविष्यवाणी परिणाम प्राप्त करने के लिए अनुकूल है।
जब एकल - बिंदु लेजर शॉक अवशिष्ट तनाव गणना और सुपरपोज़िशन विधि का उपयोग बहु - बिंदु ओवरलैप लेजर शॉक को एक बड़े क्षेत्र में अनुकरण करने के लिए किया जाता है, तो गणना की कुल मात्रा अक्सर बहुत बड़ी होती है, और नमूने के अवशिष्ट तनाव क्षेत्र को प्राप्त करने में बहुत समय लगता है। इसके अलावा, अवशिष्ट तनाव क्षेत्र पर वर्कपीस ज्यामिति के बड़े प्रभाव के कारण, मल्टी - के अवशिष्ट तनाव क्षेत्र को सटीक रूप से अनुकरण करना मुश्किल है।
इन दो समस्याओं को प्रभावी ढंग से हल करने के लिए, कुछ शोधकर्ताओं ने लेजर शॉक सख्त होने के अवशिष्ट तनाव क्षेत्र को अनुकरण करने के लिए आंतरिक तनाव के आधार पर एक संख्यात्मक मॉडल की स्थापना की है। यह मॉडल मानता है कि घटक की सतह पर लेजर शॉक द्वारा गठित आंतरिक तनाव घटक ज्यामिति के प्रति असंवेदनशील है। सिमुलेशन प्रक्रिया केवल लेजर शॉक से प्रेरित प्लास्टिक के तनाव पर केंद्रित है। बड़े - क्षेत्र मल्टी - बिंदु लेजर शॉक का तनाव क्षेत्र आंतरिक तनाव के सुपरपोजिशन द्वारा प्राप्त किया जाता है, और अंतिम अवशिष्ट तनाव क्षेत्र और प्लास्टिक विरूपण को प्राप्त करने के लिए एक थर्मोइलास्टिक मॉडल का उपयोग किया जाता है।
हाल के वर्षों में, देश और विदेश में प्रासंगिक विद्वानों ने इस मॉडल का उपयोग विभिन्न जटिल घटकों के लेजर शॉक को मजबूत करने के अवशिष्ट तनाव क्षेत्रों के संख्यात्मक सिमुलेशन के लिए किया है। पारंपरिक मॉडल की तुलना में इस आंतरिक तनाव मॉडल की कम्प्यूटेशनल दक्षता में बहुत सुधार हुआ है, और स्थापित मॉडल प्रभावी रूप से लेजर शॉक से प्रेरित अवशिष्ट तनाव क्षेत्र की भविष्यवाणी कर सकता है।
