淺析激光噴丸技術(shù)在改善游樂設(shè)施關(guān)鍵零部件使用壽命中的應(yīng)用

1、<p>　　淺析激光噴丸技術(shù)在改善游樂設(shè)施關(guān)鍵零部件使用壽命中的應(yīng)用</p><p>　　摘要：游樂設(shè)施長期在游樂場環(huán)境下工作，由于游樂場是一個(gè)比較苛刻的環(huán)境，導(dǎo)致鋼鐵結(jié)構(gòu)及其他設(shè)備難以避免地遭受到損壞，不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和金屬資源、能量的浪費(fèi)，還導(dǎo)致了游樂設(shè)施關(guān)鍵零部件的失效進(jìn)而使游樂設(shè)施的使用壽命減少。為此，除了合理的設(shè)計(jì)游樂設(shè)施零部件結(jié)構(gòu)外，對它們進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，在其表面引入高幅值殘余應(yīng)力

2、、硬度及強(qiáng)度等，能夠有效延長游樂設(shè)施的使用壽命。激光噴丸（Laser Peening-LP）技術(shù)作為一項(xiàng)高效、綠色的表面加工技術(shù)，能夠產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力及顯微硬度等，從而有效地提高了材料的耐腐蝕性能、疲勞性能及抗摩擦磨損性能，最終能夠顯著提高游樂設(shè)施的使用壽命。本文正是基于此，著重探討激光噴丸技術(shù)在改善游樂設(shè)施關(guān)鍵零部件使用壽命中的具體應(yīng)用。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：激光噴丸技術(shù);改善船舶;關(guān)鍵零部件使用

3、;壽命;應(yīng)用 </p><p>　　中圖分類號：TN24文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A </p><p>　　一、激光噴丸技術(shù)的原理、特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀 </p><p>　?。ㄒ唬┘す鈬娡杓夹g(shù)的原理、特點(diǎn) </p><p>　　激光噴丸技術(shù)，簡稱LP技術(shù)，是利用高功率及短脈沖（一般是ns級別）激光束穿過透明約束層（一般是K9玻璃或者去離子純凈水）直接作用于金屬

4、材料表面的能量吸收層（一般為黑漆、鋁箔或黑膠帶），產(chǎn)生高密度等離子體，等離子體繼續(xù)吸收激光剩下的能量，在約束層的限制下，產(chǎn)生了高壓沖擊波加載與材料表面，使材料表層開始發(fā)生微塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)材料表層微觀組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并誘導(dǎo)了較大的殘余壓應(yīng)力、硬度等，是一項(xiàng)能夠改善材料的疲勞性能、摩擦磨損性能和耐腐蝕等性能的一項(xiàng)新技術(shù)。 </p><p>　　激光噴丸技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械噴丸、涂層及滾壓等技術(shù)相比，該技術(shù)具有高能、高

5、壓、高效、非接觸、參數(shù)及過程可精確控制、周期短及無熱影響區(qū)等明顯的工藝優(yōu)勢，且激光噴丸的強(qiáng)化效果更加顯著，其誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力是常規(guī)技術(shù)的5到10倍，產(chǎn)生的加工硬化層深度可達(dá)1mm以上，且對金屬材料沒有限制。 </p><p>　　（二）激光噴丸技術(shù)的研究現(xiàn)狀 </p><p>　　LP誘導(dǎo)的高密度位錯(cuò)、晶粒細(xì)化等有益結(jié)果顯著提高了材料的使用壽命。國內(nèi)外諸多學(xué)者對其進(jìn)行了研究。如范勇等人利用

6、激光噴丸強(qiáng)化航空鋁合金，對其疲勞性能進(jìn)行了研究，結(jié)果試樣的疲勞強(qiáng)度較基體提高了2倍；何衛(wèi)鋒等人采用LP技術(shù)對GH742高溫合金進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明激光噴丸技術(shù)顯著提高了試樣的拉-拉疲勞壽命，提高了將近36倍，振動(dòng)疲勞壽命提高了24倍以上；周建忠等人采用了激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)對ZK60鎂合金進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)激光噴丸改變了裂紋萌生源的位置，延緩了裂紋的擴(kuò)展速率，平均疲勞壽命達(dá)到125641次，其疲勞壽命較基體提高了61%；張永康采用了激光噴

7、丸技術(shù)強(qiáng)化AZ31B鎂合金，對其應(yīng)力腐蝕性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在材料表面誘導(dǎo)了較大的殘余壓應(yīng)力，且在激光噴丸區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂紋，且未處理區(qū)域的裂紋擴(kuò)展到?jīng)_擊區(qū)域的邊緣就停止了，可見，激光噴丸誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力能夠有效的抑制裂紋擴(kuò)展，繼而顯著提高材料的疲勞壽命。 </p><p>　　魯金忠等人采用激光噴丸強(qiáng)化處理AISI8620合金鋼，對其摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)激光噴丸在材料表面誘導(dǎo)了殘余壓應(yīng)力層，能夠有

8、效的降低氧化磨損和粘著磨損，使該合金的耐磨性能提高了一倍；李楊等人利用激光噴丸強(qiáng)化處理20CrNiMo鋼，對其表面的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究，得到了細(xì)小的針狀鐵素體，激光噴丸誘導(dǎo)的晶粒細(xì)化有效地抑制了表面的疲勞磨損，其摩擦系數(shù)在0.18～0.193之間，且激光噴丸的搭接率越高，其磨損率越低。 </p><p>　　二、激光噴丸技術(shù)在游樂設(shè)施關(guān)鍵零部件中的應(yīng)用 </p><p>　　自20世紀(jì)7

9、0年代以來，隨著LP強(qiáng)化理論及工藝逐漸完善的提高，LP術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、航海及汽車領(lǐng)域，用來提高零部件的疲勞性能及耐腐蝕性能等。LP技術(shù)在游樂設(shè)施裝備及其制備材料上的應(yīng)用具有實(shí)際意義。 </p><p>　?。ㄒ唬㎜P技術(shù)在游樂設(shè)施用軸類及齒輪使用壽命延長中的運(yùn)用 </p><p>　　在游樂設(shè)施制造業(yè)中，游樂設(shè)施用軸類及齒輪是游樂設(shè)施動(dòng)力系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，且這些零部件在使用過

10、程中容易產(chǎn)生摩擦磨損。齒輪在運(yùn)行過程中會(huì)相互嚙合，而齒面之間的接觸作用要求輪齒具有較高的耐磨性和硬度，采用激光噴丸強(qiáng)化處理這些齒輪，不但可以顯著提高齒輪表面的硬度，改善其耐磨性能，從而降低了齒輪表面磨損，且由于激光噴丸技術(shù)在齒輪表面產(chǎn)生了微凹坑，這些微凹坑在齒輪的運(yùn)行過程中能夠起到儲(chǔ)油功能，從而進(jìn)一步降低了齒輪的摩擦磨損；另外，激光噴丸產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力降低了齒輪在運(yùn)行過程的噪聲。如張興權(quán)等人采用了激光噴丸技術(shù)處理了齒輪，對齒輪表面的殘余

11、應(yīng)力分布及接觸疲勞性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)LP對齒輪的影響精度很小，在齒輪的表層存在較大的殘余壓應(yīng)力，磨損試驗(yàn)表明未處理的齒面點(diǎn)蝕面積是強(qiáng)化后齒輪的2.1倍，其接觸疲勞壽命得到了顯著提高。 </p><p>　?。ǘ㎜P技術(shù)在提高發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)關(guān)鍵零部件使用壽命中的運(yùn)用 </p><p>　　曲軸、連桿等是發(fā)動(dòng)機(jī)及柴油機(jī)的關(guān)鍵零部件之一。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，許多的企業(yè)采用了增加缸體等技術(shù)

12、來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能，而高功率發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)致曲軸經(jīng)常處于高速旋轉(zhuǎn)載荷作用下，容易產(chǎn)生摩擦磨損及疲勞裂紋，降低了曲軸強(qiáng)度，它的主要失效形式是疲勞斷裂和軸頸磨損。采用激光噴丸處理不但可以提高其表面的硬度，提高耐磨性能，而且能夠產(chǎn)生有益殘余壓應(yīng)力，繼而抑制裂紋的萌生，提高疲勞強(qiáng)度。王志平采用激光噴丸強(qiáng)化曲軸，對其摩擦磨損性能及疲勞性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在曲軸及其圓角部位產(chǎn)生了較大的殘余壓應(yīng)力，疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過LP后，曲軸在38

13、2820次后才斷裂，較原始基體的壽命提高了20%。高立等人采用了激光噴丸強(qiáng)化175A型柴油機(jī)曲軸，對其疲勞壽命進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，激光噴丸在曲軸表面及過渡圓角處產(chǎn)生了較大的殘余壓應(yīng)力，曲軸彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明未經(jīng)激光噴丸處理的曲軸，其疲勞極限彎矩為790Nm，而激光噴丸后，其疲勞極限彎矩達(dá)到1872Nm，其壽命較原來曲軸提高了136%。 </p><p>　?。ㄈ㎜P技術(shù)在提高零部件耐腐蝕性能中的運(yùn)用 <

14、;/p><p>　　游樂設(shè)施的最為主體的部分，是通過焊接技術(shù)制成的，而焊接過程中留下了較大的殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力在海水及復(fù)雜的天氣綜合下，容易引起應(yīng)力腐蝕，進(jìn)而降低了游樂設(shè)施的服役壽命。而采用LP處理焊縫的應(yīng)用和研究，已經(jīng)較為成熟，如孔德軍采用LP處理X80管線鋼焊接接頭，對其在NACE溶液內(nèi)的抗應(yīng)力腐蝕能力進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)噴丸后，在焊接接頭表層產(chǎn)生了晶粒細(xì)化和較大的殘余壓應(yīng)力，噴丸后試樣的應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)比基體下

15、降了5.84%。 </p><p>　　大部分游樂設(shè)施關(guān)鍵零部件的主要失效形式是疲勞破壞、摩擦磨損及各種腐蝕，由于這些失效形式是發(fā)生在材料表面，要解決這些問題，首先就要在材料表面引入較高的殘余壓應(yīng)力及硬度等，從而來抑制裂紋萌生及擴(kuò)展，降低零部件的磨損。采用激光噴丸強(qiáng)化能夠有效的解決這些問題，而且可以大大節(jié)約成本。激光噴丸產(chǎn)生的微變形，對零部件的精度影響較小，它只改變零部件的表層性能，而不改善零部件基體內(nèi)部的金屬性

16、能。因此，對游樂設(shè)施上各種零部件進(jìn)行強(qiáng)化，可以顯著提高其服役壽命。另外，激光噴丸技術(shù)在強(qiáng)化和修復(fù)使用過程中十分方便，操作簡單，工藝簡便。 </p><p><b>　　三、結(jié)束語 </b></p><p>　　激光噴丸技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)的表面強(qiáng)化技術(shù)，它可以提高材料表面硬度、誘導(dǎo)較大的殘余壓應(yīng)力及優(yōu)化表層微觀組織結(jié)構(gòu)，從而改善材料的摩擦磨損性能、疲勞性能及抗應(yīng)力腐蝕性能

17、，且對零部件的精度影響較小，是一種綠色加工技術(shù)。將激光噴丸技術(shù)應(yīng)用于游樂設(shè)施關(guān)鍵零部件的制造業(yè)強(qiáng)化與修復(fù)領(lǐng)域中，對于改善這些部件的力學(xué)性能及疲勞壽命具有顯著的強(qiáng)化效果。隨著眾多激光器設(shè)備的研發(fā)及工藝的完善，激光噴丸技術(shù)在游樂設(shè)施中的應(yīng)用將越來越廣，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 胡愛蘭,郭強(qiáng),王首長