【摘 要】傳統(tǒng)的機械噴丸工藝在工業(yè)界已經得到廣泛的應用。隨著激光技術的發(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械性能，尤其是在表面產生壓縮應力，使零件的抗應力腐蝕等能力大為提高，從而延長零件的疲勞壽命。由于激光噴丸具有形成的殘余壓應力比機械噴丸深等優(yōu)勢，因而強化效果更佳。
【關鍵詞】噴丸；機械噴丸；激光噴丸
工業(yè)界廣泛應用的機械噴丸（Shot Peening，簡稱噴丸）強化工藝是一種有效的表面微動防護手段，它通過對零件表層實施冷擠壓而使表層冷作硬化和產生殘余壓應力。冷作硬化使零件的強度有所提高，殘余壓應力則會消除工件因機械加工、熱處理、焊接、激光切割、電鍍或硬化涂層形成的拉應力，晶粒晶格的畸形使零件在使用過程中不易產生裂紋擴展，從而能顯著提高零件抗疲勞性能和抗應力腐蝕能力，延長零件使用壽命。世界上第一臺激光器誕生以后，隨著對激光技術應用研究的深入和相關學科技術的發(fā)展，近年來人們開始用強激光誘導的高幅沖擊波改善金屬零件表面的機械性能，并稱之為激光噴丸（Laser Shot Peening簡稱LSP）或激光沖擊。
1 機械噴丸
大量彈丸在壓縮空氣的推動下，形成高速運動的彈丸流不斷地向零件的表面噴射，無數(shù)粒彈丸猶如一個個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，在充裕的時間內，以冷加工的形式使工件表面金屬材料發(fā)生塑性流動，造成重疊凹坑的塑性變形，在生成凹坑的過程中引起壓應力并拉伸表面結構，這一變化過程被工件內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力。
1.1 噴丸質量的表征及影響參數(shù)
噴丸強化的效果和質量的表征指標主要有噴丸的強度、覆蓋率和噴丸后零件的表面粗糙度值，每一項指標都受多項工藝參數(shù)的影響。
影響噴丸強度的工藝參數(shù)主要有：彈丸直徑、彈流速度、彈丸流量、噴丸時間等。彈丸直徑越大，速度越快，彈丸與工件碰撞的動量越大，噴丸的強度就越大。噴丸形成的殘余壓應力可以達到零件材料抗拉強度的60％，殘余壓應力層的深度通�？蛇_0.25mm，最大極限值為１mm左右。噴丸強度需要一定的噴丸時間來保證，經過一定時間，噴丸強度達到飽和后，再延長噴丸時間，強度不再明顯增加。在噴丸強度的阿爾曼試驗中，噴丸強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、噴丸時間等。在規(guī)定的噴丸強度條件下，零件的硬度低于或等于標準試片硬度時，覆蓋率能達到100％；反之，覆蓋率會下降。在相同的彈丸流量下，噴嘴與工件的距離越長、噴射的角度越小、彈丸直徑越小，達到覆蓋率要求的時間就越短。噴丸強化時，應選擇大小合適的彈丸、噴射角度及距離，使噴丸強度和覆蓋率同時達到要求值。
影響表面粗糙度的因素有零件材料的強度和硬度、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，表面粗糙度值就變小；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，彈丸對表面的研磨作用就越大，表面粗糙度值就越��；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��；相反，表面越光滑，噴丸后表面變得粗糙。當對零件進行高強度的噴丸后，深的彈坑不但加大表面粗糙度值，還會形成較大的應力集中，嚴重削弱噴丸強化的效果。
1.2 噴丸的特點及工業(yè)應用
噴丸強化工藝適應性較廣；工藝簡單、操作方便；生產成本低，經濟效益好，強化效果明顯。近年來，隨著計算機技術發(fā)展，帶有信息反饋監(jiān)控的噴丸技術已在實際生產中得到應用，使強化的質量得到了進一步提高。
目前噴丸強化不僅用于汽車工業(yè)領域的彈簧、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)領域。如噴丸強化可以提高電鍍零件的疲勞強度和結合力；各種合金鋼經過任何一種電鍍處理后，一般均會導致疲勞強度下降10％~60％，而噴丸強化則可有效提高疲勞強度，同時還可以增加電鍍層的結合力，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彈丸，用它誘導的沖擊波來強化金屬零件的表面。
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、光學玻璃）
其成形機理：短脈沖的強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生沖擊波，由它引起在金屬零件內部傳播的應力波，當應力波峰值超過零件動態(tài)屈服強度極限時，板料表面發(fā)生塑性變形，同時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，因此在表層產生殘余壓應力。
約束層的作用是提高激光誘導的沖擊波的壓力峰值和延長其對板料的作用時間；吸收層的作用是有效吸收激光，同時保護金屬板料表面不被激光燒傷。
2.1 影響激光噴丸質量的關鍵工藝參數(shù)
激光噴丸的關鍵工藝參數(shù)有：脈沖寬度；脈沖能量；光束模式；光斑的尺寸大��；板料的力學性能；約束層的剛性；吸收層的厚度等。
2.2 激光噴丸的特點及應用
激光噴丸強化和傳統(tǒng)的機械噴丸強化相比具有鮮明的特點和更大的優(yōu)勢；
（1）光斑大小可調，可以對狹小的空間進行噴丸。如可對微電機系統(tǒng)中微電機和開關的微米級金屬零件進行激光噴丸[3]，而傳統(tǒng)機械噴丸由于受彈丸直徑等因素的限制則無法進行。
（2）激光脈沖參數(shù)和作用區(qū)域可以精確控制，參數(shù)具有可重復性，可在同一地方通過累積的形式多次噴丸，因而殘余壓應力的大小和壓應力層的深度精確可控。
（3）激光噴丸形成的殘余應力比機械噴丸形成的大，其深度比機械噴丸形成的要深。美國學者Hackel等人用鎳合金Inconel718材料做機械噴丸和激光噴丸的對比實驗，結果表明激光噴丸形成的壓應力層深度是機械噴丸的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微米。光滑零件表面強化后，基本不改變其表面粗糙度，因而特別適合航空發(fā)動機葉片的表面強化，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計時的力平衡。
（5）適用范圍廣，對碳鋼、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。不必像機械噴丸那樣，對于不同材質和硬度的零件需更換和使用不同的彈丸，甚至不能噴丸強化。
美國學者曾將某型號航空發(fā)動機鈦合金的葉片分4種情況進行對比實驗：①葉片邊緣完好未刻V型槽，未噴丸；②葉片邊緣關鍵部位刻1.5mm深的V型槽，未噴丸；③葉片邊緣刻1.5mm深V型槽且進行高強度機械噴丸；④刻1.5mm深V型槽且進行激光噴丸。各組實驗結果的平均值如圖4所示，可以看出，機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。
激光噴丸強化是一種新技術。20世紀70年代初，美國貝爾實驗室就開始研究用高密度激光束誘導的沖擊波束來改善材料的疲勞性能。隨著對激光器功率、脈寬、沖擊波引起的應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率問題的解決，使激光噴丸強化走向實用化階段，已經用于汽車、船舶和軍工等領域。如美國空軍實驗室材料和制造分部的實驗表明，一種典型的風扇葉片高的循環(huán)疲勞強度為690MPa，受小的外來物損傷后其疲勞強度降低到140MPa。而這種葉片進行激光噴丸強化后，受到大的外來物損傷后其疲勞強度仍保持690MPa。據(jù)稱，GE公司為B-1轟炸機F101發(fā)動機的20000多片葉片及F-16戰(zhàn)斗機的2000多片葉片進行了激光噴丸處理，結果葉片的失效率明顯下降。
3 結束語
噴丸強化是改善金屬材料表層物理機械性能最常用的方法之一，它能有效改善金屬材料的強度、耐磨性和耐腐蝕性，還可用于使那些通常不能進行熱處理的材料達到較高的硬度以及用于提高鋁合金焊縫的強度，以有效地提高金屬材料的疲勞壽命。噴丸強化工藝已引起人們的重視并得到應用，尤其是激光噴丸強化技術正越來越受工業(yè)界的青睞。
