【摘 要】傳統(tǒng)的機(jī)械噴丸工藝在工業(yè)界已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新的加工工藝——激光噴丸。它能改善金屬零件表面的機(jī)械性能，尤其是在表面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，使零件的抗應(yīng)力腐蝕等能力大為提高，從而延長(zhǎng)零件的疲勞壽命。由于激光噴丸具有形成的殘余壓應(yīng)力比機(jī)械噴丸深等優(yōu)勢(shì)，因而強(qiáng)化效果更佳。
【關(guān)鍵詞】噴丸；機(jī)械噴丸；激光噴丸
工業(yè)界廣泛應(yīng)用的機(jī)械噴丸（Shot Peening，簡(jiǎn)稱噴丸）強(qiáng)化工藝是一種有效的表面微動(dòng)防護(hù)手段，它通過對(duì)零件表層實(shí)施冷擠壓而使表層冷作硬化和產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。冷作硬化使零件的強(qiáng)度有所提高，殘余壓應(yīng)力則會(huì)消除工件因機(jī)械加工、熱處理、焊接、激光切割、電鍍或硬化涂層形成的拉應(yīng)力，晶粒晶格的畸形使零件在使用過程中不易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，從而能顯著提高零件抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕能力，延長(zhǎng)零件使用壽命。世界上第一臺(tái)激光器誕生以后，隨著對(duì)激光技術(shù)應(yīng)用研究的深入和相關(guān)學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，近年來人們開始用強(qiáng)激光誘導(dǎo)的高幅沖擊波改善金屬零件表面的機(jī)械性能，并稱之為激光噴丸（Laser Shot Peening簡(jiǎn)稱LSP）或激光沖擊。
1 機(jī)械噴丸
大量彈丸在壓縮空氣的推動(dòng)下，形成高速運(yùn)動(dòng)的彈丸流不斷地向零件的表面噴射，無數(shù)粒彈丸猶如一個(gè)個(gè)榔頭不斷地錘擊零件表面，使金屬晶體發(fā)生晶粒破碎、晶格歪扭和高密度位錯(cuò)，在充裕的時(shí)間內(nèi)，以冷加工的形式使工件表面金屬材料發(fā)生塑性流動(dòng)，造成重疊凹坑的塑性變形，在生成凹坑的過程中引起壓應(yīng)力并拉伸表面結(jié)構(gòu)，這一變化過程被工件內(nèi)部未受錘擊的部分所阻擋，因此就在工件層表面和近表面形成殘余的壓應(yīng)力。
1.1 噴丸質(zhì)量的表征及影響參數(shù)
噴丸強(qiáng)化的效果和質(zhì)量的表征指標(biāo)主要有噴丸的強(qiáng)度、覆蓋率和噴丸后零件的表面粗糙度值，每一項(xiàng)指標(biāo)都受多項(xiàng)工藝參數(shù)的影響。
影響噴丸強(qiáng)度的工藝參數(shù)主要有：彈丸直徑、彈流速度、彈丸流量、噴丸時(shí)間等。彈丸直徑越大，速度越快，彈丸與工件碰撞的動(dòng)量越大，噴丸的強(qiáng)度就越大。噴丸形成的殘余壓應(yīng)力可以達(dá)到零件材料抗拉強(qiáng)度的60％，殘余壓應(yīng)力層的深度通�？蛇_(dá)0.25mm，最大極限值為１mm左右。噴丸強(qiáng)度需要一定的噴丸時(shí)間來保證，經(jīng)過一定時(shí)間，噴丸強(qiáng)度達(dá)到飽和后，再延長(zhǎng)噴丸時(shí)間，強(qiáng)度不再明顯增加。在噴丸強(qiáng)度的阿爾曼試驗(yàn)中，噴丸強(qiáng)度的表征為試片變形的拱高。
影響覆蓋率的因素有零件材料硬度、彈丸直徑、噴射角度和距離、噴丸時(shí)間等。在規(guī)定的噴丸強(qiáng)度條件下，零件的硬度低于或等于標(biāo)準(zhǔn)試片硬度時(shí)，覆蓋率能達(dá)到100％；反之，覆蓋率會(huì)下降。在相同的彈丸流量下，噴嘴與工件的距離越長(zhǎng)、噴射的角度越小、彈丸直徑越小，達(dá)到覆蓋率要求的時(shí)間就越短。噴丸強(qiáng)化時(shí)，應(yīng)選擇大小合適的彈丸、噴射角度及距離，使噴丸強(qiáng)度和覆蓋率同時(shí)達(dá)到要求值。
影響表面粗糙度的因素有零件材料的強(qiáng)度和硬度、彈丸直徑、噴射的角度和速度、零件的原始表面粗糙度。在其他條件相同的情況下，零件材料的強(qiáng)度和表面硬度值越高，塑性變形越困難，彈坑越淺，表面粗糙度值越�。粡椡璧闹睆皆叫�，速度越慢，彈坑就越淺，表面粗糙度值就變��；噴射的角度大，彈丸速度的法向分量越小，沖擊力越小，彈坑越淺，彈丸的切向速度越大，彈丸對(duì)表面的研磨作用就越大，表面粗糙度值就越小；零件的原始表面粗糙度也是影響因素之一，原始表面越粗糙，噴丸后表面粗糙度值降低越�。幌喾�，表面越光滑，噴丸后表面變得粗糙。當(dāng)對(duì)零件進(jìn)行高強(qiáng)度的噴丸后，深的彈坑不但加大表面粗糙度值，還會(huì)形成較大的應(yīng)力集中，嚴(yán)重削弱噴丸強(qiáng)化的效果。
1.2 噴丸的特點(diǎn)及工業(yè)應(yīng)用
噴丸強(qiáng)化工藝適應(yīng)性較廣；工藝簡(jiǎn)單、操作方便；生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟(jì)效益好，強(qiáng)化效果明顯。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，帶有信息反饋監(jiān)控的噴丸技術(shù)已在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，使強(qiáng)化的質(zhì)量得到了進(jìn)一步提高。
目前噴丸強(qiáng)化不僅用于汽車工業(yè)領(lǐng)域的彈簧、連桿、曲軸、齒輪、搖臂、凸輪軸等承受交變載荷的部件，還廣泛用于其他工業(yè)領(lǐng)域。如噴丸強(qiáng)化可以提高電鍍零件的疲勞強(qiáng)度和結(jié)合力；各種合金鋼經(jīng)過任何一種電鍍處理后，一般均會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降10％~60％，而噴丸強(qiáng)化則可有效提高疲勞強(qiáng)度，同時(shí)還可以增加電鍍層的結(jié)合力，防止起泡。
2 激光噴丸
激光噴丸是用超短脈沖的激光束代替有質(zhì)彈丸，用它誘導(dǎo)的沖擊波來強(qiáng)化金屬零件的表面。
吸收層
（黑漆）
激光脈沖
等離子體
金屬工作
沖擊波
沖擊波沖擊波
約束層
（水、光學(xué)玻璃）
其成形機(jī)理：短脈沖的強(qiáng)激光透過透明約束層（水簾）作用于覆蓋在金屬板材表面的吸收層（黑漆層）上，汽化后的蒸氣急劇吸收激光能量并形成等離子體而爆炸產(chǎn)生沖擊波，由它引起在金屬零件內(nèi)部傳播的應(yīng)力波，當(dāng)應(yīng)力波峰值超過零件動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度極限時(shí)，板料表面發(fā)生塑性變形，同時(shí)由于表面的塑性變形使表層下發(fā)生的彈性變形層難以恢復(fù)，因此在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。
約束層的作用是提高激光誘導(dǎo)的沖擊波的壓力峰值和延長(zhǎng)其對(duì)板料的作用時(shí)間；吸收層的作用是有效吸收激光，同時(shí)保護(hù)金屬板料表面不被激光燒傷。
2.1 影響激光噴丸質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)
激光噴丸的關(guān)鍵工藝參數(shù)有：脈沖寬度；脈沖能量；光束模式；光斑的尺寸大�。话辶系牧W(xué)性能；約束層的剛性；吸收層的厚度等。
2.2 激光噴丸的特點(diǎn)及應(yīng)用
激光噴丸強(qiáng)化和傳統(tǒng)的機(jī)械噴丸強(qiáng)化相比具有鮮明的特點(diǎn)和更大的優(yōu)勢(shì)；
（1）光斑大小可調(diào)，可以對(duì)狹小的空間進(jìn)行噴丸。如可對(duì)微電機(jī)系統(tǒng)中微電機(jī)和開關(guān)的微米級(jí)金屬零件進(jìn)行激光噴丸[3]，而傳統(tǒng)機(jī)械噴丸由于受彈丸直徑等因素的限制則無法進(jìn)行。
（2）激光脈沖參數(shù)和作用區(qū)域可以精確控制，參數(shù)具有可重復(fù)性，可在同一地方通過累積的形式多次噴丸，因而殘余壓應(yīng)力的大小和壓應(yīng)力層的深度精確可控。
（3）激光噴丸形成的殘余應(yīng)力比機(jī)械噴丸形成的大，其深度比機(jī)械噴丸形成的要深。美國學(xué)者Hackel等人用鎳合金Inconel718材料做機(jī)械噴丸和激光噴丸的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明激光噴丸形成的壓應(yīng)力層深度是機(jī)械噴丸的3~4倍。
（4）激光噴丸使零件表面塑性變形形成的沖擊坑深度僅為幾個(gè)微米。光滑零件表面強(qiáng)化后，基本不改變其表面粗糙度，因而特別適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的表面強(qiáng)化，不但可使表面改性，而且還保持了葉片表面氣流的通暢和原先設(shè)計(jì)時(shí)的力平衡。
（5）適用范圍廣，對(duì)碳鋼、合金鋼、不銹鋼、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、鋁合金、鈦合金及鎳基高溫合金等材料均適用。不必像機(jī)械噴丸那樣，對(duì)于不同材質(zhì)和硬度的零件需更換和使用不同的彈丸，甚至不能噴丸強(qiáng)化。
美國學(xué)者曾將某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金的葉片分4種情況進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)：①葉片邊緣完好未刻V型槽，未噴丸；②葉片邊緣關(guān)鍵部位刻1.5mm深的V型槽，未噴丸；③葉片邊緣刻1.5mm深V型槽且進(jìn)行高強(qiáng)度機(jī)械噴丸；④刻1.5mm深V型槽且進(jìn)行激光噴丸。各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值如圖4所示，可以看出，機(jī)械噴丸和激光噴丸都能有效提高葉片的疲勞壽命，但激光噴丸效果更加顯著。
激光噴丸強(qiáng)化是一種新技術(shù)。20世紀(jì)70年代初，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室就開始研究用高密度激光束誘導(dǎo)的沖擊波束來改善材料的疲勞性能。隨著對(duì)激光器功率、脈寬、沖擊波引起的應(yīng)力波的波陣面形狀等問題研究的深入和解決，尤其是較高激光脈沖重復(fù)率問題的解決，使激光噴丸強(qiáng)化走向?qū)嵱没A段，已經(jīng)用于汽車、船舶和軍工等領(lǐng)域。如美國空軍實(shí)驗(yàn)室材料和制造分部的實(shí)驗(yàn)表明，一種典型的風(fēng)扇葉片高的循環(huán)疲勞強(qiáng)度為690MPa，受小的外來物損傷后其疲勞強(qiáng)度降低到140MPa。而這種葉片進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化后，受到大的外來物損傷后其疲勞強(qiáng)度仍保持690MPa。據(jù)稱，GE公司為B-1轟炸機(jī)F101發(fā)動(dòng)機(jī)的20000多片葉片及F-16戰(zhàn)斗機(jī)的2000多片葉片進(jìn)行了激光噴丸處理，結(jié)果葉片的失效率明顯下降。
3 結(jié)束語
噴丸強(qiáng)化是改善金屬材料表層物理機(jī)械性能最常用的方法之一，它能有效改善金屬材料的強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性，還可用于使那些通常不能進(jìn)行熱處理的材料達(dá)到較高的硬度以及用于提高鋁合金焊縫的強(qiáng)度，以有效地提高金屬材料的疲勞壽命。噴丸強(qiáng)化工藝已引起人們的重視并得到應(yīng)用，尤其是激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)正越來越受工業(yè)界的青睞。
