레이저 쇼크 피닝 : 실험실에서 산업 현장까지 표면 강화 기술의 혁신
"재료 표면 강화 혁명"으로 알려진 혁신적인 프로세스 인 레이저 쇼크 피닝 기술은 조용히 - 엔드 제조 환경을 조용히 재구성하고 있습니다. 미국 실험실에서 알루미늄 합금의 미세 구조를 변화시키는 첫 번째 엿보기부터 Boeing 777 블레이드 처리의 산업 관행에 이르기까지; 중국의 첫 번째 연속 펄스 생산 라인의 탄생으로 인한 통합 블레이드 디스크 강화 시스템의 돌파구에 이르기까지, 높은 - 전압 플라즈마의 순간 파열을 사용하여 금속 표면에 안티 - 피로 "보호 방패"를 개척합니다.
나노 초 레이저 빔이 금속과 충돌 할 때, 에너지 흡수 층의 기화 및 증발은 미세 폭발과 같아서 고압 충격파를 일으켜 재료 내부의 밀집된 압축 응력의 밀집된 네트워크를 짜냅니다. 제약 층의 선택은 - 유리의 궁극적 인 효과와 물 흐름의 산업적 적응, 검은 색 페인트의 유연성이지만 제거하기 어렵고 알루미늄 호일의 편의성이 첫 번째 선택이됩니다. 수치 시뮬레이션 분야에서, 명시적이고 암시적인 알고리즘의 인터웨어와 고유 변형 모델의 혁신은 프로세스 최적화가 "시행 착오"에서 "정확한 계산"으로 이동하고 있습니다.
이것은 기술의 진화 일뿐 만 아니라 제조 산업의 "한도에 도전"하는 선언 일뿐입니다. 항공기 엔진의 "심장"은 어떻게 수만 건의 영향을 견딜 수 있습니까? 원자로 용접은 어떻게 수십 년의 압력을 견딜 수 있습니까? 생물학적 임플란트가 인성과 분해 사이의 균형을 찾을 수 있습니까? 레이저 쇼크 피닝은 이러한 어려운 문제에 대한 답을 작성하기 위해 광자의 힘을 사용하고 있습니다.
레이저 샷 피닝 (Laser Shot Peening)으로도 알려진 레이저 쇼크 피닝 기술은 새롭고 효과적이고 빠르게 발전하는 표면 변형 기술입니다. 전통적인 기계식 샷 피닝 기술과 비교하여, 공작물 표면에 더 깊은 잔류 압축 응력층을 형성 할 수 있으며 강한 제어 성과 우수한 적응성을 가지며 -에서 어려운 -에서 어려운 부분을 처리 할 수 있습니다. 현재이 기술은 피로 - 항공기 엔진 블레이드, 기어 및 원자력 발전소 압력 용접과 같은 저항성 제조에 널리 사용되었습니다. 레이저 장비의 가격이 추가로 하락하면서 레이저 쇼크 피닝 기술이 더 널리 사용될 것입니다.
레이저 쇼크 피닝 기술은 엔지니어링에 널리 사용됩니다.
1972 년 미국은 높은 - 전력 레이저 - 유도 충격파가 높은 - 강도 알루미늄 합금을 처음으로 처리하여 처음으로 표면 미세 구조가 변경되었고 30%이상 증가한 것으로 나타 났으며, 이는 Laser 충격 연구에 대한 프레 닝 (Prelude to Laser Peenge Research)을 개방 한 것으로 나타났습니다. 1980 년대 후반 유럽, 일본 및 이스라엘과 같은 국가와 지역은 레이저 쇼크 피닝 기술에 대한 연구를 수행했습니다.
1995 년 세계 최초의 레이저 쇼크 처리 기술 회사가 미국에서 설립되었습니다. 1997 년에 General Motors는 레이저 충격 가공 기술을 사용하여 항공기 엔진 팬 블레이드를 처리하여 외국 물체 손상에 대한 내성을 크게 향상 시켰습니다. 2001 년 American Laser Shock Processing Technology Company는 800 개가 넘는 롤의 롤에서 레이저 쇼크 피닝을 수행했습니다 - Royce. 2004 년 에이 회사는 F/A - 22에서 손상된 엔진 티타늄 합금 블레이드에 대한 레이저 샷 피닝 수리 연구를 수행하기 위해 미 공군 연구소와 협력하여 피로 강도가 두 배가되었습니다. 같은 해에 미국은 공식적으로 레이저 충격 처리 사양을 공표 했으며이 기술은 Boeing 777의 블레이드 처리에 적용되었습니다. 2012 년 미국은 실시간 서비스를 제공하기 위해 산업 현장에 입국 할 수있는 모바일 레이저 충격 처리 장비를 성공적으로 개발했습니다. 2002 년 일본의 Toshiba Corporation은 소형 레이저를 사용하여 원자로 압력 용기 및 파이프 조인트와 같은 용접을 가공하여 부품의 피로 수명을 향상 시켰습니다.
외국 학자들은 또한 레이저 충격 가공 기술을 사용하여 생물 의학 금속과 합금을 강화하고, 영구 임플란트의 경도를 향상시키고, 항복 강도 및 피로 수명을 개선하며, 칼슘 - 마그네슘 합금과 같은 분해 가능한 임플란트의 분해 속도를 줄였습니다.
레이저 충격 가공 기술에 대한 국내 연구는 1990 년대에 일련의 실험 연구와 알루미늄 합금 및 강에 대한 이론적 논의에 중점을 둔 1990 년대에 시작되었습니다. 1992 년부터 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics는 중국 과학 기술 대학과 협력하여 항공 구조 부품의 레이저 충격 강화 및 피로 저항성 제조에 대한 연구를 수행했습니다. 1995 년 중국의 단일 레이저 충격 실험을위한 최초의 레이저 충격 강화 장치는 중국 과학 기술 대학에서 성공적으로 개발되었습니다. 2008 년, 공군 공학 대학은 Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. 및 Beijing Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd.와 함께 우리 국가 최초의 연속 펄스 레이저 쇼크 강화 생산 라인을 성공적으로 개발했습니다. 2011 년에, 우리 나라의 첫 번째 통합 블레이드 레이저 충격 강화 시스템 장비는 중국 과학 아카데미 Shenyang Automation Institute of Automation에서 성공적으로 개발되었으며 Shenyang Liming Engine Co., Ltd.에 사용되었습니다.
레이저 충격 피닝의 메커니즘 및 영향 요인
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) 혈장 층. 레이저 충격 피닝은 대상의 높은 - 압력 플라즈마 층에 의해 가해진 충격 하중으로 인한 재료로 전파되는 강한 충격파를 사용합니다.
현재 사용되는 제한된 층 재료는 주로 K9 광학 유리, 유기 유리 및 물 유량 층을 포함한다. 유리 재료 제한 층은 최상의 효과가 있지만 적응성이 좋지 않으며 파손되며 단일 레이저 충격 처리에만 적합합니다. 일반적으로 물 유량 층은 레이저 충격 테스트 및 산업 응용 분야에서 제한된 층으로 사용됩니다. 강력한 적용 가능성, 저렴한 비용, 쉽게 작동하며 교체가 필요하지 않습니다. 에너지 흡수 층을 사용하지 않는 소수의 레이저 충격 처리 공정을 제외하고는 대부분 에너지 흡수 층이 필요합니다. 일반적으로 사용되는 에너지 흡수 층은 주로 검은 색 페인트, 알루미늄 호일 및 검은 색 테이프와 같은 낮은 기화 열이있는 재료입니다. 블랙 페인트는 적용 가능성이 양호하며 그루브, 작은 구멍 등의 레이저 충격 피닝 처리에 사용될 수 있지만 충격이 완료된 후에는 쉽게 제거 할 수 없으므로 알루미늄 호일과 검은 테이프는 일반적으로 에너지 흡수 층으로 사용됩니다.
레이저 충격 피닝, 주로 재료 특성, 제약 층, 에너지 흡수 층, 레이저 충격 매개 변수 등의 영향에 영향을 미치는 많은 요인이 있습니다. 레이저 전력 밀도가 변경되지 않으면 레이저 펄스 폭이 길어질수록 레이저 충격파가 재료에 작용하는 시간이 길어질 수 있습니다. 그러나 레이저 펄스 폭이 너무 크면 재료의 표면 화상이 영향을받는 것이 매우 쉽습니다. 합리적인 제약 층을 선택하면 에너지 흡수 층 및 재료 특성에 따라 레이저 충격 파라미터가 더 나은 강화 효과를 달성 할 수 있습니다.
레이저 쇼크 피닝 수치 시뮬레이션의 수치 시뮬레이션은 특정 응용 분야에 대한 최적의 프로세스 매개 변수를 얻는 데 도움이되며 점차 레이저 쇼크 피닝을 연구하는 중요한 수단이되었습니다. 국내 및 외국 학자들은 레이저 쇼크 피닝의 모델링 및 최적화에 대해 많은 연구를 해왔습니다. 현재, 업계는 명시 적 동적 분석 + 암시 적 정적 분석 레이저 충격 피닝 수치 시뮬레이션 방법과 고유 변형에 기초한 레이저 충격 피닝 수치 시뮬레이션 방법에서 큰 진전을 이루었습니다.
높은 - 압력 플라즈마 층이 대상 재료에 영향을 미치면, 충격 영역의 재료는 높은 변형률 플라스틱 변형을 겪고 구조적 응답이 매우 빠르게 변하기 때문에 비선형 높이 - 속도 동적 문제입니다. 암시 적 유한 요소 알고리즘이 이러한 유형의 문제를 해결하는 데 사용되는 경우 많은 양의 계산 및 스토리지가 필요할뿐만 아니라 계산 수렴에 어려움이 있습니다. 혈장 영향에 의해 생성 된 응력 파를 해결하기 위해 명시적인 유한 요소 분석 방법을 사용해야합니다. 특히, 충격파의 작용 하에서 재료의 동적 응답 프로세스의 수치 시뮬레이션을 수행하기위한 명시 적 및 암시 적 유한 요소 분석 방법의 포괄적 인 사용은 정확한 잔류 응력 필드 예측 결과를 얻는 데 도움이된다.
단일 - 포인트 레이저 충격 잔류 응력 계산 및 중첩 방법을 사용하면 넓은 영역에서 멀티 - 포인트 오버랩 레이저 충격을 시뮬레이션하는 데 사용되면 총 계산량은 종종 거대하며 시편의 주택 응력 필드를 얻는 데 많은 시간이 걸립니다. 또한, 잔류 응력 필드에서 공작물 형상의 큰 영향으로 인해, 응력 중첩 방법을 사용하여 복잡한 곡선 표면으로 실제 성분의 다중 - 포인트 오버랩 레이저 충격 강화의 잔류 응력 필드를 정확하게 시뮬레이션하기가 어렵다.
이 두 가지 문제를 효과적으로 해결하기 위해 일부 연구자들은 레이저 충격 경화의 잔류 응력 필드를 시뮬레이션하기 위해 고유 한 균주를 기반으로 한 수치 모델을 설정했습니다. 이 모델은 구성 요소 표면의 레이저 충격에 의해 형성된 고유 변형이 구성 요소 형상에 둔감하다고 가정합니다. 시뮬레이션 프로세스는 레이저 쇼크에 의해 유도 된 플라스틱 변형에만 초점을 맞 춥니 다. 큰 - 면적 멀티 - 포인트 레이저 충격의 변형 필드는 고유 변형의 중첩에 의해 얻어지며, 열 탄성 모델은 최종 잔류 응력 필드 및 플라스틱 변형을 얻는 데 사용됩니다.
최근에, 국내외의 관련 학자들은이 모델을 사용하여 다른 복잡한 구성 요소의 레이저 충격 강화의 잔류 응력 필드의 수치 시뮬레이션을 위해이 모델을 사용했습니다. 이 고유 변형 모델의 계산 효율은 기존 모델과 비교하여 크게 개선되며, 확립 된 모델은 레이저 쇼크에 의해 유도 된 잔류 응력 필드를 효과적으로 예측할 수 있습니다.
