Лазерная обработка
Лазерная упрочнение ( LP ) или лазерная ударная обработка ( LSP ) — это процесс обработки поверхности , используемый для придания полезных остаточных напряжений материалам . Глубокие сжимающие остаточные напряжения большой величины, вызванные лазерной наклейкой, повышают устойчивость материалов к поверхностным разрушениям, таким как усталость , фреттинг- усталость и коррозионное растрескивание под напряжением . Лазерную ударную обработку также можно использовать для упрочнения тонких срезов, упрочнения поверхностей, придания формы или выпрямления деталей (так называемая лазерная обработка), разрушения твердых материалов, уплотнения порошкообразных металлов и для других применений, где желательны ударные волны высокого давления и короткой продолжительности. результаты обработки.
История
[ редактировать ]Открытие и развитие (1960-е)
[ редактировать ]Первые научные открытия в области современной лазерной упрочнки начались в начале 1960-х годов, когда технология импульсного лазера начала распространяться по всему миру. В раннем исследовании взаимодействия лазера с материалами, проведенном Гургеном Аскаряном и Е.М. Морозом, они задокументировали измерения давления на целевой поверхности с помощью импульсного лазера. [ 1 ] Наблюдаемое давление было намного больше, чем могло быть создано одной только силой лазерного луча . Исследование этого явления показало, что высокое давление возникает в результате импульса, генерируемого испарением материала на поверхности мишени при быстром нагреве лазерным импульсом. На протяжении 1960-х годов ряд исследователей дополнительно определили и смоделировали взаимодействие импульса лазерного луча с материалами и последующую генерацию волн напряжения. [ 2 ] [ 3 ] В этих и других исследованиях было обнаружено, что волны напряжения в материале генерируются быстро расширяющейся плазмой , образующейся при попадании импульсного лазерного луча на цель. Впоследствии это привело к интересу к достижению более высоких давлений для увеличения интенсивности волны напряжения. Для создания более высоких давлений необходимо было увеличить плотность мощности и сфокусировать лазерный луч (концентрировать энергию), потребовав, чтобы взаимодействие лазерного луча с материалом происходило в вакуумной камере, чтобы избежать диэлектрического пробоя внутри луча на воздухе. Эти ограничения ограничили изучение взаимодействия высокоинтенсивного импульсного лазера с материалом избранной группой исследователей, использующих импульсные лазеры высокой энергии.
В конце 1960-х годов произошел крупный прорыв, когда Н. К. Андерхольм обнаружил, что гораздо более высокое давление плазмы может быть достигнуто путем удержания расширяющейся плазмы на поверхности мишени. [ 4 ] Андерхольм ограничил плазму , плотно прижав к поверхности мишени кварцевую накладку, прозрачную для лазерного луча. Когда накладка была установлена, лазерный луч проходил через кварц перед взаимодействием с поверхностью мишени. Быстро расширяющаяся плазма теперь ограничивалась границей раздела между кварцевой накладкой и поверхностью мишени. Этот метод удержания плазмы значительно увеличил результирующее давление, генерируя пики давления от 1 до 8 гигапаскалей (от 150 до 1200 фунтов на квадратный дюйм), что на порядок выше, чем при измерении давления неограниченной плазмы. Значение открытия Андерхольма для лазерной накалки заключалось в демонстрации того, что импульсное взаимодействие лазера с материалом для создания волн напряжения высокого давления может осуществляться в воздухе, а не в вакуумной камере.
Лазерная шоковая обработка как металлургический процесс (1970-е гг.)
[ редактировать ]В начале 1970-х годов были проведены первые исследования воздействия импульсного лазерного облучения на материал мишени. Л. И. Миркин наблюдал двойникование в ферритных зернах стали под кратером, созданным лазерным облучением в вакууме. [ 5 ] С. А. Мец и Ф. А. Смидт-младший облучали никелевые и ванадиевые фольги на воздухе импульсным лазером с низкой плотностью мощности и наблюдали пустоты и вакансионные петли после отжига фольги, предполагая, что высокая концентрация вакансий создавалась волной напряжения. Эти вакансии впоследствии агрегировались в ходе пострадиационного отжига в наблюдаемые пустоты в никеле и дислокационные петли в ванадии. [ 6 ]
В 1971 году исследователи из Мемориального института Баттел в Колумбусе, штат Огайо, начали исследовать, может ли процесс лазерной шоковой обработки улучшить механические свойства металла с использованием высокоэнергетического импульсного лазера. В 1972 году была опубликована первая документация о благотворном влиянии лазерного шока на металлы, в которой сообщалось об упрочнении алюминиевых образцов на растяжение с использованием кварцевой накладки для удержания плазмы. [ 7 ] Впоследствии первый патент на лазерную ударную обработку был выдан Филлипу Маллоцци и Барри Фейранду в 1974 году. [ 8 ] Исследования эффектов и возможных применений лазерной упрочнения продолжались на протяжении 1970-х и начала 1980-х годов Алланом Клауэром, Барри Фейрандом и его коллегами при финансовой поддержке Национального научного фонда , НАСА , Армейского исследовательского бюро, ВВС США и внутри компании Battelle. . В этом исследовании более подробно изучены эффекты внутри материала и продемонстрировано создание глубоких сжимающих напряжений и сопутствующее увеличение усталостной и фреттинг-усталостной долговечности, достигаемое за счет лазерной наклепа. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
Практическая лазерная упрочнение (1980-е гг.)
[ редактировать ]Лазерное воздействие на начальных этапах разработки было сильно ограничено лазерными технологиями того периода. Импульсный лазер, используемый Баттелом, занимал одну большую комнату и требовал нескольких минут восстановления между лазерными импульсами. [ 13 ] Чтобы стать жизнеспособным, экономичным и практичным промышленным процессом, лазерная технология должна была превратиться в оборудование, занимающее гораздо меньшую площадь и способное работать с увеличенной частотой лазерных импульсов. В начале 1980-х годов компания Wagner Castings, расположенная в Декейтере, штат Иллинойс, заинтересовалась лазерной упрочнкой как процессом, который потенциально может повысить усталостную прочность чугуна, чтобы конкурировать со сталью, но с меньшими затратами. Лазерная упрочнение различных чугунов показало незначительное улучшение усталостной долговечности, и эти результаты, наряду с другими, убедили их профинансировать разработку и создание предварительного прототипа импульсного лазера в 1986 году, чтобы продемонстрировать промышленную жизнеспособность процесса. Этот лазер был завершен и продемонстрирован в 1987 году. Хотя технология изучалась и разрабатывалась около 15 лет, мало кто в промышленности слышал о ней. Итак, после завершения демонстрационного лазера инженеры Wagner Castings и Battelle предприняли масштабную маркетинговую кампанию по внедрению лазерной упрочнения на потенциальные промышленные рынки.
Также в середине 1980-х годов Реми Фаббро из Политехнической школы инициировал программу лазерной ударной упрочнения в Париже. Он и Жан Фурнье из компании Peugeot посетили Баттель в 1986 году для расширенного обсуждения лазерной ударной обработки с Алланом Клауэром. Программы, инициированные Фаббро и реализованные в 1990-х и начале 2000-х годов Патрисом Пейром, Лораном Бертом и его коллегами, внесли большой вклад, как теоретический, так и экспериментальный, в понимание и внедрение лазерной упрочнения. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] В 1998 году они измерили с помощью VISAR ( систему интерферометра скорости для любого отражателя ) нагрузки давления в режиме удержания воды в зависимости от длины волны. Они демонстрируют пагубное влияние пробоя воды, ограничивающего максимальное давление на поверхности материала. [ 17 ]
Создание промышленности (1990-е)
[ редактировать ]В начале 1990-х годов рынок стал лучше знаком с потенциалом лазерной накалки для увеличения усталостной долговечности. В 1991 году ВВС США познакомили инженеров Battelle и Wagner с GE Aviation для обсуждения потенциального применения лазерной накалки для решения проблемы повреждения посторонними предметами (FOD) лопастей вентилятора в двигателе General Electric F101, установленном на Rockwell B-1B Lancer. бомбардировщике . Результаты испытаний показали, что лопасти вентилятора с лазерной закалкой, имеющие серьезные надрезы после лазерной закалки, имеют такой же усталостный срок службы, как и новые лопасти. [ 18 ] После дальнейших разработок компания GE Aviation лицензировала технологию лазерной ударной упрочнения у компании Battelle, и в 1995 году компания GE Aviation и ВВС США приняли решение продолжить разработку этой технологии. GE Aviation начала производство лазерной накалки лопастей вентилятора F101 в 1998 году.
Спрос на промышленные лазерные системы, необходимые для запуска производства GE Aviation, побудил нескольких специалистов по лазерной ударной наклейке в Battelle основать компанию LSP Technologies, Inc. в 1995 году в качестве первого коммерческого поставщика оборудования для лазерной наклейки. Компания LSP Technologies под руководством основателя Джеффа Дулани спроектировала и изготовила лазерные системы для GE Aviation для выполнения производственной лазерной закалки лопастей вентилятора F101. В конце 1990-х и начале 2000-х годов ВВС США продолжали работать с LSP Technologies над развитием производственных возможностей лазерной ударной упрочнения и внедрением производственных производственных ячеек. [ 19 ]
В середине 1990-х годов, независимо от разработок в области лазерной упрочнения, продолжающихся в США и Франции, Юджи Сано из корпорации Toshiba в Японии инициировал разработку системы лазерной упрочнения, способной выполнять лазерную упрочнение сварных швов в корпусах атомных электростанций для уменьшения коррозионного растрескивания под напряжением. в этих областях. [ 20 ] В системе использовался малоэнергетический импульсный лазер, работающий с более высокой частотой импульсов, чем у более мощных лазеров. Лазерный луч вводился в сосуды под давлением через шарнирные трубки. Поскольку сосуды под давлением были заполнены водой, процесс не требовал наложения воды на облученную поверхность. Однако луч должен был пройти некоторое расстояние через воду, что потребовало использования луча с более короткой длиной волны, 532 нм, чтобы минимизировать диэлектрический пробой луча в воде, вместо луча 1054 нм, используемого в США и Франции. Кроме того, было непрактично рассматривать возможность использования непрозрачного наложения. Этот процесс теперь известен как лазерная упрочнение без покрытия (LPwC). Его начали применять в японских реакторах с кипящей водой и водой под давлением в 1999 году. [ 21 ]
Также в 1990-х годах Хосе Оканья сформировал в Мадридском политехническом университете значительную исследовательскую группу по лазерной упрочнке. Их работа включает как экспериментальные, так и теоретические исследования с использованием импульсных лазеров низкой энергии как без непрозрачной накладки, так и с ней. [ 22 ] [ 23 ]
Основание поставщиков и рост отрасли (1990-е – 2000-е годы)
[ редактировать ]Благодаря крупному прорыву в коммерческом применении лазерной накалки на двигателе F101 для решения серьезной эксплуатационной проблемы, лазерная упрочнение привлекла внимание во всем мире. Исследователи во многих странах и отраслях провели исследования, чтобы расширить понимание процесса лазерной ударной упрочнения и влияния свойств материалов. В результате в США, Франции и Японии было создано большое количество исследовательских работ и патентов. Помимо работ, проводимых в этих странах и Испании, программы лазерной упрочнки были начаты в Китае, Великобритании, Германии и ряде других стран. Продолжающийся рост технологии и ее применения привел к появлению в начале 2000-х годов нескольких коммерческих поставщиков лазерной ударной упрочнения.
GE Aviation и LSP Technologies были первыми компаниями, осуществившими коммерческую лазерную наклейку, получив лицензию на эту технологию у Battelle. GE Aviation выполнила лазерную упрочнение компонентов своих аэрокосмических двигателей, а LSP Technologies продала услуги и оборудование для лазерной ударной упрочнения более широкой промышленной базе. В конце 1990-х годов компания Metal Improvement Company (сейчас MIC является частью Curtis Wright Surface Technologies) заключила партнерское соглашение с Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса (LLNL) для разработки собственных возможностей лазерной упрочнки. В Японии корпорация Toshiba расширила коммерческое применение своей системы LPwC на реакторы с водой под давлением, а в 2002 году внедрила оптоволоконную доставку луча к подводной лазерной наковке. Toshiba также модернизировала систему доставки лазера и луча, превратив ее в компактную систему, позволяющую вставлять всю систему в сосуд под давлением. Эта система была готова к коммерческому использованию в 2013 году. [ 24 ] В ВПК разработали и адаптировали лазерную ударную обработку для формирования формы крыла Боинга 747-8.
Рост числа промышленных поставщиков и коммерческое подтверждение технологии лазерной упрочнения приводят к тому, что многие компании применяют технологию лазерной упрочнения для решения и предотвращения проблем. В число компаний, принявших на вооружение лазерную упрочнение, входят: GE , Rolls-Royce , Siemens , Boeing , Pratt & Whitney и другие.
В 1990-х годах и по сей день разработки в области лазерной упрочнки были направлены на снижение затрат и увеличение пропускной способности для выхода на рынки за пределами дорогостоящих малосерийных компонентов. Ранее высокие затраты на процесс лазерной упрочнения были связаны со сложностью лазерной системы, скоростью обработки, ручным трудом и применением накладок. Многочисленные текущие достижения, направленные на решение этих проблем, значительно снизили затраты на лазерную упрочнение: системы лазерной упрочнения предназначены для выполнения надежных операций; частота импульсов лазерных систем увеличивается; рутинные трудовые операции все больше автоматизируются; применение наложений во многих случаях автоматизировано. Снижение эксплуатационных затрат на лазерную упрочнение сделало его ценным инструментом для решения широкого спектра усталостных и связанных с ним задач. [ 25 ]
Описание процесса
[ редактировать ] |
Лазерная упрочнение использует динамические механические эффекты ударной волны, создаваемой лазером, для модификации поверхности целевого материала. Он не использует термические эффекты. По сути, лазерную наклейку можно выполнить только с помощью двух компонентов: прозрачной накладки и высокоэнергетической импульсной лазерной системы. Прозрачная накладка удерживает плазму, образующуюся на поверхности мишени лазерным лучом. Также часто бывает полезно использовать тонкую накладку, непрозрачную для лазерного луча, между водной накладкой и целевой поверхностью. Это непрозрачное наложение может обеспечить одно или каждое из трех преимуществ: защитить поверхность мишени от потенциально вредных тепловых эффектов лазерного луча, обеспечить равномерную поверхность для взаимодействия лазерного луча с материалом и, если импеданс наложения меньше, чем у мишени поверхности, увеличить величину ударной волны, входящей в цель. Однако бывают ситуации, когда непрозрачное наложение не используется; в процессе Toshiba, LPwC, или где компромисс между снижением стоимости и, возможно, несколько пониженным поверхностным остаточным напряжением позволяет выполнить поверхностное шлифование или хонингование после лазерной упрочнения для удаления тонкого термически обработанного слоя.
Процесс лазерной упрочнения возник на основе высокоэнергетических лазеров на неодимовом стекле, производящих энергию импульса до 50 Дж (чаще от 5 до 40 Дж) с длительностью импульса от 8 до 25 нс. Диаметр лазерного пятна на цели обычно находится в диапазоне от 2 до 7 мм. Последовательность обработки начинается с нанесения непрозрачного слоя на заготовку или поверхность объекта. Обычно используемые непрозрачные материалы для наложения представляют собой черную или алюминиевую ленту, краску или фирменную жидкость RapidCoater. Лента или краска обычно наносятся на всю обрабатываемую поверхность, а RapidCoater наносится на каждое лазерное пятно непосредственно перед запуском лазерного импульса. После нанесения непрозрачной накладки поверх нее накладывают прозрачную накладку. Прозрачная накладка, используемая при обработке продукции, представляет собой воду; он дешев, легко наносится, легко соответствует самой сложной геометрии поверхности и легко удаляется. Он наносится на поверхность непосредственно перед запуском лазерного импульса. Кварцевые или стеклянные накладки создают гораздо более высокое давление, чем вода, но они ограничены плоскими поверхностями, их необходимо заменять после каждого выстрела, и с ними трудно обращаться в производственных условиях. Можно использовать прозрачную ленту, но для ее нанесения требуется трудозатраты, и ее трудно приспособить к сложным особенностям поверхности. Прозрачная накладка позволяет лазерному лучу проходить через нее без заметного поглощения лазерной энергии или пробоя диэлектрика. При срабатывании лазера луч проходит через прозрачную накладку и попадает на непрозрачную накладку, немедленно испаряя тонкий слой материала накладки. Этот пар задерживается на границе раздела между прозрачным и непрозрачным слоями. Продолжающаяся подача энергии во время лазерного импульса быстро нагревает и ионизирует пар, превращая его в быстро расширяющуюся плазму. Растущее давление, оказываемое на непрозрачную поверхность наложения расширяющейся плазмой, попадает на поверхность мишени в виде волны напряжения или ударной волны высокой амплитуды. Без прозрачной накладки неограниченный плазменный шлейф удаляется от поверхности, и пиковое давление значительно ниже. Если амплитуда ударной волны превышает Предел упругости по Гюгонио (HEL) , т. е. динамический предел текучести мишени, материал пластически деформируется при прохождении ударной волны. Величина пластической деформации уменьшается с удалением от поверхности по мере затухания пикового давления ударной волны, т. е. уменьшается, и становится равной нулю, когда пиковое давление падает ниже HEL. После прохождения ударной волны остаточная пластическая деформация создает градиент сжимающих остаточных напряжений под целевой поверхностью, самый высокий на поверхности или непосредственно под ней и уменьшающийся с глубиной. Изменяя плотность мощности лазера, длительность импульса и количество последовательных импульсов на площади, можно достичь диапазона величин и глубины поверхностного сжимающего напряжения. Величина поверхностных напряжений сравнима с дробеструйной обработкой, но глубина значительно больше и достигает 5 мм при использовании нескольких выстрелов на месте. Обычно плотность пятен составляет около 10 пятен/см. 2 до 40 пятен/см 2 применяются. Глубина сжимающего напряжения, достигаемая при использовании наиболее распространенных параметров обработки, составляет от 1 до 2 мм (от 0,039 до 0,079 дюйма). Глубокие сжимающие напряжения возникают из-за того, что пиковое давление ударной волны поддерживается над HEL на большей глубине, чем при других технологиях упрочнения.
Могут быть случаи, когда экономически выгодно не наносить непрозрачное покрытие и не подвергать лазерной обработке непосредственную поверхность заготовки. При лазерной обработке голой металлической поверхности испаряется тонкий слой материала толщиной в микрометр. Быстрый рост температуры вызывает плавление поверхности на глубину, зависящую от энергии и продолжительности импульса, а также целевой температуры плавления. В алюминиевых сплавах эта глубина номинально составляет 10–20 мкм, но в сталях и других сплавах с более высокой температурой плавления глубина может составлять всего несколько микрометров. Из-за малой длительности импульса глубинный прогрев поверхности ограничивается несколькими десятками микрометров из-за быстрого закалочного эффекта холодной подложки. Могут возникнуть поверхностные пятна на поверхности заготовки, обычно из-за продуктов окисления. Эти вредные последствия обработки голой поверхности, как эстетические, так и металлургические, можно устранить после лазерной закалки путем легкой шлифовки или хонингования. При наличии непрозрачного покрытия поверхность мишени подвергается повышению температуры менее чем на 50–100 ° C (90–180 ° F) в наносекундном масштабе времени.
Лазерные импульсы обычно подаются последовательно на цель для обработки областей, превышающих размер лазерного пятна. Формы лазерных импульсов можно настроить на круглые, эллиптические, квадратные и другие профили, чтобы обеспечить наиболее удобные и эффективные условия обработки. Размер применяемого пятна зависит от ряда факторов, включая материал HEL, характеристики лазерной системы и другие факторы обработки. Область, подлежащая лазерной упрочнке, обычно определяется геометрией детали, размером критической зоны усталости и соображениями удаления компенсирующих растягивающих напряжений из этой области.
Недавно разработанный процесс лазерной упрочнения, процесс Toshiba LPwC, существенно отличается от процесса, описанного выше. В процессе LPwC используются низкоэнергетические высокочастотные лазеры Nd-YAG, производящие энергию импульса ≤ 0,1 Дж и длительность импульса ≤ 10 нс , с использованием размеров пятна ≤ 1 мм диаметром . Поскольку изначально этот процесс предназначался для работы в больших сосудах, наполненных водой, частота волны была удвоена, чтобы уменьшить длину волны вдвое до 532 нм. Более короткая длина волны уменьшает поглощение энергии луча при движении через воду к цели. Из-за ограничений доступа к целевой поверхности не применяется непрозрачное наложение. Этот фактор в сочетании с небольшим размером пятна требует многократных выстрелов для достижения значительного поверхностного сжимающего напряжения и глубины 1 мм. Первые нанесенные слои создают растягивающее поверхностное напряжение из-за поверхностного плавления, хотя под слоем расплава возникает сжимающее напряжение. Однако по мере добавления большего количества слоев возрастающее подповерхностное сжимающее напряжение «просачивается» обратно через расплавленный поверхностный слой, создавая желаемое поверхностное сжимающее напряжение. В зависимости от свойств материала и желаемых сжимающих напряжений, обычно около 18 точек/мм. 2 до 70 пятен/мм 2 применяется плотность пятен или более высокая, что примерно в 100 раз превышает плотность пятен процесса с высокой энергией импульса. Влияние более высокой плотности пятен на время обработки частично компенсируется более высокой частотой импульсов низкоэнергетических лазеров (60 Гц). Предполагается, что новые поколения этих лазерных систем будут работать на более высоких частотах. В результате этого низкоэнергетического процесса достигаются величины и глубины остаточных напряжений сжатия, эквивалентные высокоэнергетическому процессу с номинальной глубиной от 1 до 1,5 мм (от 0,039 до 0,059 дюйма). Однако меньший размер пятна не позволит достичь большей глубины.
Системы качества для лазерной упрочнения
[ редактировать ]Процесс лазерной упрочнения с использованием компьютерного управления описан в AMS 2546. Как и многие другие технологии улучшения поверхности, прямое измерение результатов процесса на заготовке во время обработки непрактично. Поэтому во время обработки тщательно контролируются параметры процесса: энергия и длительность импульса, вода и непрозрачные наложения. Также доступны другие системы контроля качества, основанные на измерениях давления, такие как электромагнитно-акустические преобразователи (EMAT), система интерферометра скорости для любого отражателя (VISAR) и манометры из ПВДФ, а также плазменные радиометры. Также используются полоски Альмена , но они служат инструментом сравнения и не обеспечивают точного измерения интенсивности лазерной упрочнения. Результирующие остаточные напряжения, возникающие в процессе лазерной упрочнения, регулярно измеряются в промышленности с использованием методов рентгеновской дифракции в целях оптимизации процесса и обеспечения качества.
Системы лазерной закалки
[ редактировать ]Первоначальные лазерные системы, использованные при разработке лазерной упрочнки, представляли собой большие исследовательские лазеры, обеспечивающие импульсы высокой энергии на очень низких частотах импульсов. С середины-конца 1990-х годов лазеры, разработанные специально для лазерной упрочнки, имели постоянно меньшие размеры и более высокие частоты импульсов, что более желательно для производственных условий. Системы лазерной упрочнения включают в себя как стержневые лазерные системы, так и лазерные системы слябов. Стержневые лазерные системы можно грубо разделить на три основные группы, учитывая, что между ними существует некоторое перекрытие: (1) высокоэнергетические лазеры с низкой частотой повторения, обычно работающие при 10–40 Дж на импульс с длительностью импульса 8–25 нс при номинальная частота повторения 0,5–1 Гц, номинальный размер пятна от 2 до 8 мм; (2) лазеры средней энергии и средней частоты повторения, работающие при энергии 3–10 Дж, длительности импульса 10–20 нс, частоте повторения 10 Гц, номинальном размере пятна 1–4 мм; (3) низкоэнергетические лазеры с высокой частотой повторения, работающие с энергией ≤ 1 Дж на импульс, длительностью импульса ≤ 10 нс и частотой повторения 60+ Гц, ≤ 1 мм Размер пятна . Пластинчатая лазерная система работает в диапазоне 10–25 Дж/импульс, длительность импульса 8–25 нс, частота следования 3–5 Гц, номинальный размер пятна 2–5 мм. Коммерческие системы включают стержневые лазеры, представленные всеми тремя группами, и пластинчатую лазерную систему.
Для каждой системы лазерной упрочнения выходной луч лазера направляется в ячейку лазерной упрочнения, содержащую обрабатываемые детали или детали. Камера наклепа содержит систему обработки деталей и обеспечивает безопасную среду, необходимую для эффективной коммерческой лазерной наклейки. Детали, подлежащие обработке, обычно вводятся в ячейку партиями. Затем детали подбираются и размещаются на пути луча с помощью роботов или других специализированных систем обработки деталей. Внутри рабочей ячейки луч направляется на поверхность заготовки через оптическую цепочку зеркал и/или линз. Если используется лента, она наносится до того, как деталь входит в рабочую ячейку, тогда как вода или накладки RapidCoater наносятся внутри ячейки индивидуально для каждого места. Заготовка, а иногда и лазерный луч, при необходимости перемещается при каждом выстреле с помощью робота или другой системы обработки деталей. Когда выбранные участки на каждой детали обработаны, партия заменяется в рабочей ячейке другой.
Эффект процесса
[ редактировать ]Ударная волна, создаваемая холодной обработкой (пластической деформацией) в материале заготовки, создает сжимающие и растягивающие остаточные напряжения для поддержания равновесного состояния материала. Эти остаточные напряжения являются сжимающими на поверхности заготовки и постепенно переходят в низкие растягивающие напряжения ниже и вокруг области лазерной упрочнения. Холодная обработка также упрочняет поверхностный слой. Было показано, что сжимающие остаточные напряжения и, в меньшей степени, холодная обработка в результате лазерной наклепа предотвращают и смягчают многоцикловую усталость (HCF), малоцикловую усталость (LCF), коррозионное растрескивание под напряжением, фреттинг-усталость и, в некоторых случаях, степень износа и точечная коррозия . Он превосходно предотвращает повреждение лопаток турбины посторонними предметами.
Пластическая деформация, возникающая при лазерной упрочнке, намного ниже, чем при других технологиях ударной упрочнения. В результате остаточная пластическая деформация имеет гораздо большую термическую стабильность, чем более сильно наклепанные микроструктуры. Это позволяет сохранять сжимающие напряжения, полученные при лазерной закалке, при более высоких рабочих температурах в течение длительного времени, чем в случае других технологий. Среди областей применения, которые извлекают выгоду из этого, - лопатки вентиляторов и компрессоров газовых турбин, а также компоненты атомных электростанций.
Улучшая характеристики материала, лазерная обработка позволяет создавать более эффективные конструкции, которые уменьшают вес, продлевают срок службы компонентов и повышают производительность. Ожидается, что в будущем лазерная упрочнение будет включено в конструкцию компонентов, критически важных для усталости, чтобы обеспечить более длительный срок службы, меньший вес и, возможно, более простую конструкцию в производстве.
Другие применения технологий лазерной упрочнки
[ редактировать ]Первоначально использование лазерно-индуцированных ударных волн на металлах для достижения свойств или функциональных преимуществ называлось лазерной ударной обработкой — более широким и всеобъемлющим термином. Так получилось, что лазерная упрочнение стала первым коммерческим аспектом лазерной ударной обработки. Однако ударные волны, индуцированные лазером, нашли применение и в других промышленных приложениях, помимо технологий улучшения поверхности.
Одним из применений является формовка или формовка металла. Путем выборочного лазерного воздействия на участки поверхности металлических листов или пластин или более мелких предметов, таких как аэродинамические профили, связанные с этим сжимающие остаточные напряжения заставляют материал контролируемым образом изгибаться. Таким образом, компоненту можно придать определенную форму или вернуть искаженному компоненту желаемую форму. Таким образом, этот процесс способен вернуть изготовленные детали в пределы проектных допусков и сформировать детали тонкого сечения.
Другой вариант — использовать ударную волну для на раскалывание испытаний материалов . Это приложение основано на поведении ударных волн при отражении от задней свободной поверхности заготовки в виде волны растяжения. В зависимости от свойств материала и характеристик ударной волны отраженная растягивающая волна может быть достаточно сильной, чтобы образовать микротрещины или пустоты вблизи задней поверхности или фактически «сдуть» или отколоть материал с задней поверхности. Этот подход имеет определенную ценность для испытаний баллистических материалов.
Использование лазерных ударов для измерения прочности сцепления покрытий с металлами в течение многих лет разрабатывалось во Франции под названием LASAT для лазерного испытания на адгезию. [ 26 ] Это приложение также основано на поведении ударных волн при отражении от задней свободной поверхности заготовки в виде волны растяжения. Если задняя поверхность покрыта адгезионным покрытием, волну растяжения можно настроить таким образом, чтобы разрушать соединение при отражении от поверхности. Контролируя характеристики ударной волны, можно измерить прочность сцепления покрытия или, альтернативно, определить ее в сравнительном смысле. [ 27 ]
Тщательная настройка формы и интенсивности ударной волны также позволила проверять склеенные композитные структуры с помощью лазерного шока. [ 28 ] [ 29 ] Технология, получившая название Laser Bond Inspection, инициирует ударную волну, которая отражается от задней стороны склеенной конструкции и возвращается в виде волны растяжения. Когда волна растяжения проходит обратно через клеевую связь, в зависимости от прочности связи и пикового растягивающего напряжения волны напряжения волна растяжения либо пройдет через связь, либо разорвет ее. Контролируя давление растягивающей волны, эта процедура позволяет надежно локально проверить прочность сцепления между склеенными соединениями. Эту технологию чаще всего применяют к конструкциям из композитных материалов со связующими волокнами , но также было показано, что она успешна при оценке связей между металлокомпозитным материалом. Также изучаются фундаментальные вопросы, позволяющие охарактеризовать и количественно оценить эффект ударной волны, создаваемой лазером внутри этих сложных материалов. [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]
См. также
[ редактировать ]- Автофреттаж
- Коррозионная усталость
- Терпимость к повреждениям
- Усталость (материал)
- Повреждение посторонним предметом
- раздражение
- Высокочастотная ударная обработка – обработка сварных переходов
- Полировка низкой пластичности
- Пининг
- Пластическая деформация
- Остаточное напряжение
- Дробеструйная обработка
- Коррозионное растрескивание под напряжением
- Ультразвуковая ударная обработка
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Аскарьян, Г.А.; Мороз, Э.М. (1963). «Давление на испарение вещества в луче излучения» (PDF) . Письма ЖЭТФ . 16 : 1638–1639. Бибкод : 1963JETP...16.1638A .
- ^ Грегг, Дэвид В. (1966). «Передача импульса, производимая сфокусированными гигантскими лазерными импульсами». Журнал прикладной физики . 37 (7): 2787–2789. Бибкод : 1966JAP....37.2787G . дои : 10.1063/1.1782123 .
- ^ Нойман, Ф. (1964). «Эффекты передачи импульса и образования кратеров, создаваемые гигантскими лазерными импульсами». Письма по прикладной физике . 4 (9): 167–169. Бибкод : 1964АпФЛ...4..167Н . дои : 10.1063/1.1754017 .
- ^ Андерхольм, Н. (1964). «Эффекты передачи импульса и образования кратеров, создаваемые гигантскими лазерными импульсами». Прил. Физ. Летт . 4 (9): 167–169. Бибкод : 1964АпФЛ...4..167Н . дои : 10.1063/1.1754017 .
- ^ Миркин, Л.И. «Пластическая деформация металлов, вызываемая лазерным импульсом длительностью 10
-8с», Советская физика – Доклады, т. 1, с. 14, стр. 11281130, 1970 г. - ^ Мец, SA (1971). «Создание вакансий лазерной бомбардировкой». Письма по прикладной физике . 19 (6): 207–208. Бибкод : 1971АпФЛ..19..207М . дои : 10.1063/1.1653886 .
- ^ Фейранд, BP (1972). «Изменения микроструктуры и механических свойств алюминия 7075, вызванные лазерным ударом». Журнал прикладной физики . 43 (9): 3893–3895. Бибкод : 1972JAP....43.3893F . дои : 10.1063/1.1661837 .
- ↑ Маллоцци, П.Дж. и Фэйранд, Б.П. «Изменение свойств материала», патент США № 3850698 , 26 ноября 1974 г.
- ^ Клауэр, А.Х.; Фэйрэнд, BP; Уилкокс, бакалавр (1977). «Импульсная лазерная деформация в сплаве Fe-3 Wt Pct Si». Металлургические операции А . 8 (1): 119. Бибкод : 1977MTA.....8..119C . дои : 10.1007/BF02677273 . S2CID 55745671 .
- ^ Фэйрэнд, BP; Клауэр, А.Х. (1979). «Лазерная генерация волн напряжения высокой амплитуды в материалах» . Журнал прикладной физики . 50 (3): 1497. Бибкод : 1979JAP....50.1497F . дои : 10.1063/1.326137 .
- ^ Клауэр, А.Х.; Уолтерс, Коннектикут; Форд, Южная Каролина (1983). «Влияние лазерной ударной обработки на усталостные свойства алюминия 2024-T3» (PDF) . Лазеры в обработке материалов . ASM International, Металс-Парк, Огайо.
- ^ Клауэр, А.Х.; Холбрук Дж. Х. и Фейранд Б. П. «Воздействие ударных волн, индуцированных лазером, на металлы», в книге «Ударные волны и явления высокой скорости деформации в металлах», М. А. Мейерс и Л. Е. Мурр, ред., стр. 675–702. 1981 год
- ^ Клауэр, А.Х. «Исторический взгляд на лазерную ударную обработку». Новости отделки металла . 10 .
- ^ Фаббро, Р.; Фурнье, Ж.; Баллард, П.; Дево, Д.; Вирмонт, Дж. (1990). «Физическое исследование лазерной плазмы в ограниченной геометрии». Журнал прикладной физики . 68 (2): 775. Бибкод : 1990JAP....68..775F . дои : 10.1063/1.346783 .
- ^ Пейр, П.; Фаббро, Р.; Мерриен, П.; Лиерад, HP (1996). «Лазерная ударная обработка алюминиевых сплавов. Применение к характеристикам многоцикловой усталости». Материаловедение и инженерия: А. 210 (1–2): 102–113. дои : 10.1016/0921-5093(95)10084-9 .
- ^ Пейр, П.; Берта, Л.; Шерпереель, X.; Фаббро, Р.; Бартницки, Э. (1998). «Экспериментальное исследование лазерных ударных волн в нержавеющих сталях». Журнал прикладной физики . 84 (11): 5985. Бибкод : 1998JAP....84.5985P . дои : 10.1063/1.368894 .
- ^ Берта Л., Фаббро Р., Пейр П. и Бартницки Э. (1999). «Зависимость длины волны генерации лазерной ударной волны в водоудерживающем режиме». Журнал прикладной физики . 85 (11): 7552–7555. Бибкод : 1999JAP....85.7552B . дои : 10.1063/1.370553 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Томпсон, SD; Видишь, Д.Э.; Лайкинс, К.Д. и Сэмпсон, П.Г. в области характеристик поверхности титана , Дж.К. Грегори, Х.Дж. Рэк и Д. Эйлон (ред.), Общество минералов, металлов и материалов, стр. 239–251, 1997 г.
- ^ Научно-исследовательская лаборатория ВВС (2001 г.). «Увеличение срока службы аэродинамических профилей газотурбинных двигателей» (PDF) . История успеха AF SBIR/STTR . Архивировано из оригинала (PDF) 6 сентября 2012 г. Проверено 16 октября 2006 г.
- ^ Сано, Ю.; Мукаи, Н.; Судо А. и Конагай К. «Подводная лазерная обработка для улучшения остаточного напряжения на поверхности металла», Proc. 6-го Межд. Симп. Японское общество сварщиков, 1996 г.
- ^ Сано, Ю.; Кимура, М.; Сато, К.; Обата М. и др., Proc. 8-й Межд. Конф. по ядерной энергетике, (ICONE-8), Балтимор, 2000.
- ^ Оканья, Хосе Л.; Мольпесерес, К.; Моралес, М.; Гарсиа-Бельтран, А. (2000). «Модель для совместной прогнозной оценки расширения плазмы и сжатия материала в приложениях лазерной ударной обработки». В Фиппсе, Клод Р.; Ниино, Масаюки (ред.). Мощная лазерная абляция II . Том. 3885. с. 252. Бибкод : 2000SPIE.3885..252O . дои : 10.1117/12.376970 . S2CID 122571614 .
{{cite book}}:|journal=игнорируется ( помогите ) - ^ Оканья, JL; Мольпесерес, К.; Порро, Дж.А.; Гомес, Г.; Моралес, М. (2004). «Экспериментальное исследование влияния параметров облучения на деформацию поверхности и остаточные напряжения в металлических сплавах, обработанных лазерным ударом». Прикладная наука о поверхности . 238 (1–4): 501. Бибкод : 2004ApSS..238..501O . дои : 10.1016/j.apsusc.2004.05.246 .
- ^ Сано, Ю. «Прогресс в технологии лазерной упрочнения для применения в инфраструктуре и энергетических системах», 4-й межд. Конф. по лазерной обработке, Мадрид, Испания, 2013 г.
- ^ «Лазерная чистка» . ЛСП Технологии . 2004 . Проверено 22 октября 2013 г.
- ^ Берта, Л.; Арригони, М.; Бусти, М.; Кук-Леландайс, JP; Бруссильу, К.; Фабр, Г.; Жанден, М.; Гипон, В.; Нивард, М. (2011). «Современный лазерный тест на адгезию (LASAT)» (PDF) . Неразрушающий контроль и оценка . 26 (3–4): 303. Бибкод : 2011NTE....26..303B . дои : 10.1080/10589759.2011.573550 . hdl : 10985/19136 . S2CID 110322966 .
- ^ Болис К., Берта Л., Бусти М., Арригони М., Баррадас С. и Жанден М. (2007). «Физический подход к испытанию адгезии с использованием лазерных ударных волн». Журнал физики D: Прикладная физика . 40 (10): 3155–3163. Бибкод : 2007JPhD...40.3155B . дои : 10.1088/0022-3727/40/10/019 . S2CID 119752720 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Эко Р., Бусти М., Берта Л., Тушар Ф., Шочински-Арно Л., Войом Х. и Кампань Б. (2014). «Разработка метода лазерного ударно-волнового испытания адгезии на склеенном углепластиковом композите». Международный журнал структурной целостности . 5 (4): 253–261. дои : 10.1108/IJSI-10-2013-0032 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Эрхарт Б., Эко Р., Тушар Ф., Бусти М., Берта Л., Бокенхаймер К. и Валеске Б. (2014). «Разработка метода лазерного ударного теста на адгезию для оценки слабых клеевых конструкций из углепластика» (PDF) . Международный журнал адгезии и клеев . 52 : 57–65. дои : 10.1016/j.ijadhadh.2014.04.002 . hdl : 10985/8417 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Гей, Элиза; Берта, Лоран; Бусти, Мишель; Арригони, Мишель; Бюзо, Эрик (2014). «Влияние продолжительности удара на реакцию композитных ламинатов из углепластика» (PDF) . Журнал физики D: Прикладная физика . 47 (45): 455303. Бибкод : 2014JPhD...47S5303G . дои : 10.1088/0022-3727/47/45/455303 . S2CID 38325124 .
- ^ Гей, Элиза; Берта, Лоран; Бусти, Мишель; Арригони, Мишель; Тромбини, Мэрион (2014). «Исследование реакции композитных ламинатов из углепластика на лазерный удар». Композиты. Часть B: Инженерия . 64 : 108–115. doi : 10.1016/j.compositesb.2014.04.004 . hdl : 10985/8402 .
- ^ Эко, Ромен; Бусти, Мишель; Тушар, Фабьен; Понс, Фредерик; Берта, Лоран; Шосиньски-Арно, Лоуренс; Эрхарт, Бастьен; Бокенхаймер, Клеменс (2013). «Исследование повреждений композитных материалов, вызванных лазерными ударными волнами» (PDF) . Композиты. Часть A: Прикладная наука и производство . 53 : 54–64. doi : 10.1016/j.compositesa.2013.05.015 . S2CID 28488499 .
