浅析激光喷丸技术在改善游乐设施关键零部件使用寿命中的应用.doc

1、浅析激光喷丸技术在改善游乐设施关键零部件使用寿命中的应用摘要：游乐设施长期在游乐场环境下工作，由于游乐场是一个比较苛刻的环境，导致钢铁结构及其他设备难以避免地遭受到损坏，不仅造成了巨大的经济损失和金属资源、能量的浪费，还导致了游乐设施关键零部件的失效进而使游乐设施的使用寿命减少。为此，除了合理的设计游乐设施零部件结构外，对它们进行表面强化处理，在其表面引入高幅值残余应力、硬度及强度等，能够有效延长游乐设施的使用寿命。激光喷丸（Laser Peening-LP）技术作为一项高效、绿色的表面加工技术，能够产生较大的残余压应力及显微硬度等，从而有效地提高了材料的耐腐蚀性能、疲劳性能及抗摩擦磨损性能，

2、最终能够显著提高游乐设施的使用寿命。本文正是基于此，着重探讨激光喷丸技术在改善游乐设施关键零部件使用寿命中的具体应用。 关键词：激光喷丸技术;改善船舶;关键零部件使用;寿命;应用 中图分类号：TN24 文献标识码：A 一、激光喷丸技术的原理、特点及研究现状 （一）激光喷丸技术的原理、特点 激光喷丸技术，简称 LP 技术，是利用高功率及短脉冲（一般是 ns级别）激光束穿过透明约束层（一般是 K9 玻璃或者去离子纯净水）直接作用于金属材料表面的能量吸收层（一般为黑漆、铝箔或黑胶带） ，产生高密度等离子体，等离子体继续吸收激光剩下的能量，在约束层的限制下，产生了高压冲击波加载与材料表面，使材料表层开

3、始发生微塑性变形，从而实现材料表层微观组织结构的优化，并诱导了较大的残余压应力、硬度等，是一项能够改善材料的疲劳性能、摩擦磨损性能和耐腐蚀等性能的一项新技术。 激光喷丸技术与传统的机械喷丸、涂层及滚压等技术相比，该技术具有高能、高压、高效、非接触、参数及过程可精确控制、周期短及无热影响区等明显的工艺优势，且激光喷丸的强化效果更加显著，其诱导的残余压应力是常规技术的 5 到 10 倍，产生的加工硬化层深度可达 1mm以上，且对金属材料没有限制。 （二）激光喷丸技术的研究现状 LP 诱导的高密度位错、晶粒细化等有益结果显著提高了材料的使用寿命。国内外诸多学者对其进行了研究。如范勇等人利用激光喷丸强

4、化航空铝合金，对其疲劳性能进行了研究，结果试样的疲劳强度较基体提高了 2 倍；何卫锋等人采用 LP 技术对 GH742 高温合金进行了实验，结果表明激光喷丸技术显著提高了试样的拉-拉疲劳寿命，提高了将近 36 倍，振动疲劳寿命提高了 24 倍以上；周建忠等人采用了激光喷丸强化技术对ZK60 镁合金进行了实验，结果发现激光喷丸改变了裂纹萌生源的位置，延缓了裂纹的扩展速率，平均疲劳寿命达到 125641 次，其疲劳寿命较基体提高了 61%；张永康采用了激光喷丸技术强化 AZ31B 镁合金，对其应力腐蚀性能进行了研究，结果发现在材料表面诱导了较大的残余压应力，且在激光喷丸区域内未发现裂纹，且未处理区

5、域的裂纹扩展到冲击区域的边缘就停止了，可见，激光喷丸诱导的残余压应力能够有效的抑制裂纹扩展，继而显著提高材料的疲劳寿命。 鲁金忠等人采用激光喷丸强化处理 AISI8620 合金钢，对其摩擦磨损性能进行了研究，结果发现激光喷丸在材料表面诱导了残余压应力层，能够有效的降低氧化磨损和粘着磨损，使该合金的耐磨性能提高了一倍；李杨等人利用激光喷丸强化处理 20CrNiMo 钢，对其表面的摩擦学性能进行了研究，得到了细小的针状铁素体，激光喷丸诱导的晶粒细化有效地抑制了表面的疲劳磨损，其摩擦系数在 0.180.193 之间，且激光喷丸的搭接率越高，其磨损率越低。 二、激光喷丸技术在游乐设施关键零部件中的应用

6、 自 20 世纪 70 年代以来，随着 LP 强化理论及工艺逐渐完善的提高，LP 术已经被广泛应用于航空航天、航海及汽车领域，用来提高零部件的疲劳性能及耐腐蚀性能等。LP 技术在游乐设施装备及其制备材料上的应用具有实际意义。 （一）LP 技术在游乐设施用轴类及齿轮使用寿命延长中的运用 在游乐设施制造业中，游乐设施用轴类及齿轮是游乐设施动力系统中的关键零部件，且这些零部件在使用过程中容易产生摩擦磨损。齿轮在运行过程中会相互啮合，而齿面之间的接触作用要求轮齿具有较高的耐磨性和硬度，采用激光喷丸强化处理这些齿轮，不但可以显著提高齿轮表面的硬度，改善其耐磨性能，从而降低了齿轮表面磨损，且由于激光喷丸技

7、术在齿轮表面产生了微凹坑，这些微凹坑在齿轮的运行过程中能够起到储油功能，从而进一步降低了齿轮的摩擦磨损；另外，激光喷丸产生了残余压应力降低了齿轮在运行过程的噪声。如张兴权等人采用了激光喷丸技术处理了齿轮，对齿轮表面的残余应力分布及接触疲劳性能进行了研究，结果发现 LP 对齿轮的影响精度很小，在齿轮的表层存在较大的残余压应力，磨损试验表明未处理的齿面点蚀面积是强化后齿轮的 2.1 倍，其接触疲劳寿命得到了显著提高。 （二）LP 技术在提高发动机和柴油机关键零部件使用寿命中的运用 曲轴、连杆等是发动机及柴油机的关键零部件之一。随着经济的不断发展，许多的企业采用了增加缸体等技术来提高发动机的动力性能

8、和经济性能，而高功率发动机导致曲轴经常处于高速旋转载荷作用下，容易产生摩擦磨损及疲劳裂纹，降低了曲轴强度，它的主要失效形式是疲劳断裂和轴颈磨损。采用激光喷丸处理不但可以提高其表面的硬度，提高耐磨性能，而且能够产生有益残余压应力，继而抑制裂纹的萌生，提高疲劳强度。王志平采用激光喷丸强化曲轴，对其摩擦磨损性能及疲劳性能进行了研究，结果发现在曲轴及其圆角部位产生了较大的残余压应力，疲劳实验结果显示，经过 LP 后，曲轴在 382820 次后才断裂，较原始基体的寿命提高了 20%。高立等人采用了激光喷丸强化 175A 型柴油机曲轴，对其疲劳寿命进行了研究，结果发现，激光喷丸在曲轴表面及过渡圆角处产生了

9、较大的残余压应力，曲轴弯曲疲劳实验结果表明未经激光喷丸处理的曲轴，其疲劳极限弯矩为 790Nm，而激光喷丸后，其疲劳极限弯矩达到 1872Nm，其寿命较原来曲轴提高了 136%。 （三）LP 技术在提高零部件耐腐蚀性能中的运用 游乐设施的最为主体的部分，是通过焊接技术制成的，而焊接过程中留下了较大的残余应力，这种应力在海水及复杂的天气综合下，容易引起应力腐蚀，进而降低了游乐设施的服役寿命。而采用 LP 处理焊缝的应用和研究，已经较为成熟，如孔德军采用 LP 处理 X80 管线钢焊接接头，对其在 NACE 溶液内的抗应力腐蚀能力进行了研究，结果发现喷丸后，在焊接接头表层产生了晶粒细化和较大的残余

10、压应力，喷丸后试样的应力腐蚀敏感指数比基体下降了 5.84%。 大部分游乐设施关键零部件的主要失效形式是疲劳破坏、摩擦磨损及各种腐蚀，由于这些失效形式是发生在材料表面，要解决这些问题，首先就要在材料表面引入较高的残余压应力及硬度等，从而来抑制裂纹萌生及扩展，降低零部件的磨损。采用激光喷丸强化能够有效的解决这些问题，而且可以大大节约成本。激光喷丸产生的微变形，对零部件的精度影响较小，它只改变零部件的表层性能，而不改善零部件基体内部的金属性能。因此，对游乐设施上各种零部件进行强化，可以显著提高其服役寿命。另外，激光喷丸技术在强化和修复使用过程中十分方便，操作简单，工艺简便。 三、结束语 激光喷丸技术作为一项先进的表面强化技术，它可以提高材料表面硬度、诱导较大的残余压应力及优化表层微观组织结构，从而改善材料的摩擦磨损性能、疲劳性能及抗应力腐蚀性能，且对零部件的精度影响较小，是一种绿色加工技术。将激光喷丸技术应用于游乐设施关键零部件的制造业强化与修复领域中，对于改善这些部件的力学性能及疲劳寿命具有显著的强化效果。随着众多激光器设备的研发及工艺的完善，激光喷丸技术在游乐设施中的应用将越来越广，产生巨大的经济效益。 参考文献： 1 胡爱兰,郭强,王首长,黄荔,吴朝辉,周健.2.79m Er,Yb:GSGG中红外激光器理论研究J. 中华医院感染学杂志. 2012(05)