عملیات لیزرپينينگ

[kaktus]

عملیات لیزرپينينگ وتاثیر آن در بهبود خواص مکانیکی فلزات
با گذشت شش دهه ، شات پينينگ (Shot peening:sp) ، زيادترين استفاده و بيشترين اثر را در ايجاد تنش هاي پسماند در سطح فلزات ، به منظور بهبود عملکرد خستگي داشته است .
Shot Peening نسبتاً ارزان بوده و تجهيزات آن بسيار قدرتمند است بعلاوه مي تواند براي ناحيه هاي بزرگ يا کوچک مورد استفاده قرار گيرد اما عمليات Sp محدوديت هايي دارد .
در تعيين تنش هاي پسماند توليد شده ، فرآيندSp تا حدودي نيمه مقداري (Semi – quantitative ) بوده و به نوار يا اندازه گير فلزي ( مدل اندازه گير آلمن ) جهت تعيين شدت Sp وابسته است . اول آنکه در اين اندازه گيري ها ، ضمانتي نيست که شدت Sp درسراسر اجزاي پينينگ شده يکنواخت باشد .
دوم آنکه : عمق تنش هاي پسماند فشاري محدود است و معمولاً از mm 25 . 0 در فلزات نرم مانند آلياژهاي آلومينيم بيشتر نيست و در فلزات سخت تر کمتر است .
سوم آنکه : عمليات پينينگ ، زبري سطح را نتيجه مي دهد ( بويژه در فلزات نرمي مانند آلومينيم ) اين زبري لازم است که در فرآيند هايي که با سايش همراه است در اثر لايه هاي فشاري برطرف شود .
تکنولوژي فرآيند جديدي بنام فرآيند شوک ليزر (Laser Shock Processing :Lsp) معروف به ليزر پينينگ
(Laser Peening : LP) مي تواند تنش هاي پسماند با عمق بيشتري در سطح فلزات ايجاد کند.
اين کار بوسيله توان بالاي (High – Power , Q-Switched ) پالس ليزر Pulse ) (Laser انجام مي شود . توانايي باريکه پالس ليزر در توليد امواج شوک براي اولين بار نزديک به سال 1960 کشف گرديد.
مطالعات بعدي شرايط را براي افزايش دامنه امواج تنش فراهم کرد وامکان تغيير شکل پلاستيک در سطح هدف فلز را ايجاد کرد
ليزر پينينگ براي اولين بار در آزمايشگاه Battelle در حدود 1965 انجام شد . اما به علت قابليت اطمينان کم ، نياز به سرعت باز خورد بالا و توان متوسط بالاي ليزر تجاري نشد . پس از آن هيچگونه اطلاع رساني علمي درباره ليزر پينينگ نبود تا اولين کاربرد تجاري ليزر پينينگ در سال 1997 در مورد بهبود آسيب ماده خارجي ، روي لبه جلو تيغه پروانه براي توربو موتور يک هواپيماي نظامي مطرح شد . توانايي هاي ليزر پينينگ در چند سال گذشته رشد فوق العاده اي کرده است . آخرين پيشرفتهاي چشمگير درجهت تجاري نمودن تکنولوژي ليزر پينينگ شامل همکاري منحصر به فرد ، شرکت بهبود فلزات (Metal Improvement Company : MIC ) ، آزمايشگاه ملي ليورمورلارنس(Lawrence Livermore National Laboratory : LLNL ) ودانشگاه کاليفرنيا (UC.Davis ) به ترتيب زمان است MIC. ، جهت ايجاد شرکت تحقيقاتي (CRADA) با LLNL طي قرار دادي سرمايه گذاري کرد . CRADA ، بروي کاربرد تغيير شکل سطح فلز با استفاد از تکنولوژي ليزر در حالت جامد متمرکز شد ، البته اينروش براي اولين بار در صنايع نظامي بکار برده شده بود .
توسعه موفقيت آميز ليزر پينينگ منجر به تجاري شدن آن توسط MIC گرديد . LLNL تکنولوژي ليزر را بهبود بخشيد و منبع پالس ليزر را قابل اطمينان ساخت و سرعت تکرار ليزر را تا 10 برابر سريعتر از گذشته قابل دسترس نمود . اين افزايش در سرعت باز خورد (Repetition rate ) زمان مورد نياز عمليات ليزر پينينگ کاهش مي دهد و در نتيجه بازدهي کار افزايش مي يابد و هزينه مورد نياز کاهش مي يابد .
يک گروه در دانشگاه کاليفرنيا روش هاي پيشرفته اندازه گيري تنش هاي پسماند را گسترش داد و نيز اين روش را در دانستن پارامترهاي گوناگون ليزر پينينگ بکار گرفت . دانشگاه کاليفرنيا تستهاي مکانيکي و توصيفات ساختار ميکروسکوپي را بهبود داد و مدلهاي ساختاري را براي رسيدن به پيشرفتهاي بيشتر ايجاد کرد .
در مه 2002MIC , توليد سيستم هاي ليزر پينينگ را با ايجاد کارخانه اي مشترک با LLNL آغاز کرد . اين کارخانه در طول 8 ماه ساخته شد. پس از آن MIC قرار دادي را از يک سازمان هوا فضايي (OEM) جهت عمليات ليزر پينينگ روي اجزاء دوارتيتانيومي بحراني يک توربوموتور تجاري دريافت کرد .
پس از چهار ماه از شروع به کار گروه ، سيستم ليزر پينينگ براي کاربرد 24 ساعته در 5 روز از هفته آماده شد.
اين ليزر داراي قدرت آتش جاري بالاست که براي بيش از 000/100مرتبه در روز تنظيم شده است . در مجموع سيستم ليزر پينينگ ثابت کرده که قوي و قابل اطمينان در مواجه با نيازهاي صنايع موتورهاي توربيني است و نيز FAA ( آژانس فدرال هوايي ايالات متحده ) نيز آن را قانوني نموده است .
در اواسط سال 2002 ، با توجه به نتايج درخشان گروه در اولين سيستم ليزر پينينگ ، OEM به آنها جهت عمليات ليزر پينينگ ديگر اجزاء دوارتيتانيومي در توربوموتورها سفارش داد و MIC براي توليد سه سيستم ليزر پينينگ ديگر ماموريت يافت . دو سيستم ليزر پينينگ با کاربرد توان بالا در مارس 2003 با موفقيت ساخته شد و سيستم ديگر براي ساخت تا سپتامبر 2003 زمانبندي گرديد .
پس از آن هر روز کاربردهاي بيشتر عمليات ليزر پينينگ در بهبود خواص فلز و خستگي آشکارتر مي شود .
ليزرشوک پينينگ که معمولاً به ليزر پينينگ معروف است ، مي تواند عمقي حدود mm 1 و لايه تنش هاي پسماند فشاري در آلياژ آلومينيم تجاري ايجاد کند که بطور مهمي خستگي را بهبود مي دهد به علاوه ليزر پينينگ نشان مي دهد که بطور مهمي در سختي سطح و بهبود خواص مکانيکي برخي از قطعات فلزي تجاري در دسترس موثر است مانند: فولاد کربن دار ، فولادهاي زنگ نزن و چدن ها ، آلياژهاي آلومينيم و تيتانيوم و سوپر آلياژهاي نيکل. با اين حال انجام اين عمليات نياز به بررسي و تحقيق بيشتري دارد . اولين تحقيقات توسط يک گروه آمريکايي بروي فيزيک ليزر ، توليد شوک موج و تحقيق روي کاربرد فرآيند در دهه 70 انجام شد . اين فعاليت ها بعدها توسط يک گروه فرانسوي نيز پيگيري گرديد . هدف هر دو گروه نظام مند کردن تحقيقات مهندسي و آناليز راهي براي استفاده از اين روش در خستگي و تا حدودي هم خوردگي ( که مسئله اصلي متالوگرافي است ) بوده است . فيزيک متالورژيکي فرآيند ليزر پينينگ هنوز بطور عميق بررسي نشده است ، با اين حال تحقيقات گذشته و مقاله هاي نوشته شده ، منبع مفيد و اصلي اطلاعات جهت توضيح اين پديده است .
آزمايشات اضافي بر بررسي رفتار Scc ، توسط ليزر پينينگ انجام شده است . نتايج اين آزمايشات نشان مي دهد که ليزر پينينگ به طور قابل قبولي در بهبود رشد ترک موثر است زيرا ترک هايي که به ناحيه ليزر پينينگ شده رسيده بودند . در اين ناحيه متوقف شدند.