（机械工程专业论文）大马力旋耕机旋耕刀的激光冲击强化研究.pdf

朱河霖：大马力旋耕机旋耕刀的激光冲击强化研究 摘要1iylllli1 2 i1 2 i i i l l 5 i i1 7 i i i811 1 1 5 l l t u o l i ii 旋耕刀是大马力旋耕机上一个极其重要的工作部件，而且是一个重要的易损件，工作 状态下的旋耕刀的受力状况更加复杂，因此旋耕刀使用寿命就显得更加关键。本文以国家 “十二五科技支撑”计划项目“大马力拖拉机配套农田作业装备研制 首台大马力旋耕机 为研究对象，充分研究其结构基础上采用p r o e 建立几何模型，并借助软件之间通用接口 导入a n s y s1 2 0 中，依据旋耕刀的实际受力状况进行了对应有限元模拟。 激光冲击强化技术是一种新型的表面强化技术，目前已广泛应用于材料表面改性的研 究。激光冲击强化处理后获得的残余应力层有很好的防止裂纹萌生和扩展的能力，从而延 长材料的各项性能，本文利用激光冲击强化技术处理旋耕刀表面，来提高旋耕刀的使用寿 命。 在本文中，有限元软件a n s y s 很好的模拟了旋耕刀在实际工作状态时的受力状况和 变形情况，找到了旋耕刀的薄弱部位，即旋耕刀的最大位移发生在弯刀刚入土准备切削时 的正切削刃和侧切削刃处，然后变形位移向两边等距递减。而应力集中在刀柄联结孔处， 主要承受x 方向的应力。 建立了激光搭接冲击强化旋耕刀薄弱点有限元分析模型，讨论了模型建立、网格划分 过程中，模型的受力加载等关键问题，获得了激光冲击强化后的旋耕刀的y o nm i s 等效 应力云图。对激光冲击强化后的有旋耕刀再次进行有限元分析，得到冲击前后两次旋耕刀 薄弱点受力情况。模拟结果表明，激光冲击强化以后，旋耕刀薄弱点的受力状况明显减轻。 对6 5 m n 进行了激光冲击强化的试验研究，并就冲击强化前后的旋耕刀在表面残余应 力，硬度，表面形貌，组织结构等四个方面进行了比较。实验的结果表明冲击强化后旋耕 刀的残余应力与有限元模拟结果基本吻合；冲击强化后旋耕刀硬度平均值比基体部分提高 了2 9 4 ；激光冲击强化后的旋耕刀的外部形貌发生较大改变，材料表面发生很大的塑性 变形；经激光冲击强化后的旋耕刀的的晶粒相对于原始的晶粒得到了明显的细化。 综上所述，本文创新地将激光冲击强化技术应用到旋耕刀的薄弱部位强化上，通过 a n s y s 有限元对旋耕刀激光冲击强化前后的受力状况进行了对比研究，并且通过实验来 验证激光冲击强化后旋耕刀的硬度，残余应力，都有提高，提高了旋耕刀的使用寿命和性 能，为新型旋耕刀的研制提供了一个方向和指导。作为国家“十二五科技支撑 计划项目 重要组成部分，本文研究课题具有良好工程实际意义。 关健词：旋耕刀激光冲击强化有限元 扬州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er o t a r yb l a d ei sa ne x t r e m ei m p o r t a n tp a r to nah i g h - p o w e r dt o t a v a t o r , a n di ti sa n i m p o r t a n tw e a r i n gp a r t u n d e rc o r k i n gc o n d i t i o n , t h es t r e s ss i t u a t i o no ft h er o t a r yb l a d ei sm o r e o m e x , s ot h e t v i c el i f eo ft h er o t a r yb l a d eb e 7 , o m em o r ec d d c a l t m sp a p e rp u tt h ef i r s t h i g h - p o w e r e dr o t a v a t o r , w h i c hb e i i 】嚷t ot h en a t i o n a l “s e c o n df i v e y e a rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s u p p o r tp r o j e c t ”，嬲t h er e s e a r c ho b j e c t , a n db u i l dt h eg e o m e t r i cm o d e lb yp r o ea f t e rf u l l s t u d y i n gi t s t r u c t u r e a n dl e a di n t ot h ea n s y s12 0b yt h eg e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb e t w e e n s o f t w a r e s a f t e rr e f e rt ot h er e v e l l a n tl i t e r a t u r e 、舫d e l y , t r e a tt h ec o r r e s p o n d i n gf i n i t ee l e m e n t m o d e la c c o r d i n gt ot h es t r e s ss i t u a t i o n o ft 1 1 er o t a r yb l a d e t h el a s e rp e e n i n gi sam o v e ls u r f a c eh a r d e n i n gt e c h n o l o g y , a n di th a sb e e nw i d e l yu s e di n t h es t u d yo fs u r f a c em o d i f i c a t i o no fm a t e r i a l s a f t e rt h el a s e rs h o c k , t h er e s i d u a ls t r e s sl a y e r p o s s e s s e sag o o dp r o p e r t yt op r e c e n tc r a c kf r o mi n i t i a t i o na n de x p a n s i o n , t h u sw h i c hc a ne x t e n d t h ep r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l t l l i sa r t i c l ei st a l k i n ga b o u td e a l i n gw i t ht h es u r f a cw i t ht h el a k q e r p e e n i n gt e c h n o l o g yt oi n c r e a c et h es e r v i c el i f eo gt h er o t a r yb l a d e i nt h i sp a p e r , a n s ys i m u l a t et h es t r e s sc o n d i t i o na n dt h ed e f o r m a t i o no ft h er o t a r yb l a d e e f f e c t i v e l y , a n df i n dt h ew e a k e s tp a r t , t h a ti st h em a x i m u md i s p l a c e m e n to ft h er a o t a r yb l a d ei u s t b u r i e di nt h es c i m i t a rb e t w e e nt h ep o s i t i v ec u t t i n ge d g ea n ds i d ec u t t i n ge d g e ，t h e no c c o u rt h e d e f o r m a t i o nd i s p l a c e m e n td e c r e a s i n gt ob o t hs i d e s a n dt h es t e s sc o n c e n t r a t et ot h eh o l eo f t o o l h o l d e r , w h i c hs u p p o r tt h es t r e s so ft h ex d i r e c t i o n a f t e rh a v i n gs e tu pt h el a s e rl a ps h o c kt os t r e n g t h e nt h ew e a kp o i n t so ft h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm o d e lo ft h er o t a r yb l a d e ，a n dh a v i n gd i s c u s s i n gt h ek e yi s s u e sf o rm o d e l i n gd u r i n gt h e m o d e la n dm e s h i n gp r o c e s s w ec a ng e tt h ev o nm i s e se q u i v a l e n te f f e c tc o n t o u rp l o t so ft h el a s e r p e e n i n go ft h er o t a r yb l a d e 也em a x i m u mv o nm i s e se q u i v a l e me f f e c tc o n t o u rp ；o t si s4 7 8m p a 1 1 1 es e c o n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fl a s e rp e e n i n gar o t a r yb l a d es h o wt h ei m p a c to fw w ow e a k p o i n t so ft h er o t a r yl a d ef o r c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e s sc o n d i t i o no ft h ew e a k p o i n t so ft 1 1 er o t a r yb l a d ei sr e d u c e ss i g n i f i c a n t l ya f t e rl a s e rp e e n i n g a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo fl a s e rp e e n i n go n6 5m nw a sc a r r i e do n , a n dd e v e l o p e da c o m p r i h e n s i v ec o m p a r i s o n o ff o u r a s p e c t s ，i n c l u d i n g t h es u r f a c er e s i d u a l s t r e s s ， h a r d n e s s ，e x t e l l ! a lm o r p h o l o g y , a n do r g n i a t i o n a ls t r u c t u r eo far o t a r yb l a d eb e f o r ea n da f t e r l e v e l i n gs t r e n g t h e n a n di ti sc o n s i s t e n tw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t s c o m p a r e d 谢也 t h em a t r i xp a r t , t h ea v e r a g eo fh a r n e s so ft h er o t a r yb l a d ei si n c r e a s i n g2 9 4 a f t e rp e e n i n g 。刀把 e x t e r n a lm o r p h o l o g yo ft h er o t a r yt i l l e rk n i f ea f t e re n h a n c e dl a s e rl e v e l i n gc h a n g e dg r e a t l y , a n d t h es u r f a c eh a sa1 0 to fp l a s t i cd e f o r m a t i o n r e l a l i v e dt ot h eo r i g i n a l 鼬a i n ，t h eg r a i no fr o t a r y b l a d ea f t e re n h a n c e dl a s e rl e e e l i n gh a sb e e nd i g n i f i e a n t l yr e f i n e d h 圉加咀i 协t h i sp a p e ra p p l i e dt h el a s e rs h o c kp r o c e s s i n gt os t r e n g t h e nt h ew e a kp a r t so ft h e r o t a r yb l a d e d a n dd e v e l o pac o m p a r a t i v es t u d yo nt h es t r e s sc o n d i f i o nb e f o r ea n da 最e rt h el a s e r s h o c kp r o c e s s i n gt h r o u g ht h ea n s y sf i n i t ee l e m e n t ；w h a t sm o r e i tp r o v e dt h a tt h eh a r d n e s s a n dr e s i d u a ls t l s so ft h er o t a r yb l a d eh a sb e r me n h a n c e ds i g n i f i c a n t l ya f t e rt h el a s e rs h o c k p r o c e s s i n g 。w h i c hi n p r o v e dt h es e r v i c el i f ea n dp e r f o r m a n c eg r e a t l y , a n dp r o v i d ean e wd i r e c t i o n a n dg u i d a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h en e wr o t a r yb l a d e ，a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h en a t i o n a l s e c o n df i v e y e a rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys u p p o r tp r o j e c t , t h et o p i ci ft h i sa r t i c l eh a sa p r a c t i c a ls e 嗷 k e y w o r d s ：r o t a r yb l a d e ；f i n i t ed e m e n t ；l s p 朱河霖：大马力旋耕机旋耕刀的激光冲击强化研究 i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论l 1 1 弓l 言1 1 2 选题背景及课题来源1 1 2 1 论文课题来源1 1 2 2 论文选题背景2 1 3 激光冲击强化技术3 1 3 1 基本原理及工艺特点3 1 3 2 激光冲击强化的方法5 l i4 激光冲击强化技术的发展。6 1 4 1 激光冲击强化技术的国外发展现状6 1 3 2 激光冲击强化技术的国外发展现状8 1 ，4 本文主要研究内容9 1 5 本章小结1o 第二章大马力旋耕机旋耕刀的有限元分析1 1 2 1 大马力旋耕机1 1 2 2 大马力旋耕机的运动分析1 1 2 3 旋耕刀受力的影响因素1 4 2 3 1 旋耕刀型号参数1 4 2 3 2 旋耕刀排列方式1 4 2 3 3 传动方式1 5 2 3 4 土壤条件1 6 2 4 大马力旋耕刀的受力分析1 7 2 5 有限元法分析主要软件1 8 2 6 旋耕弯刀的应力仿真。2 1 2 6 本章小结2 4 第三章激光冲击的有限元研究2 5 3 1 激光冲击波与残余应力场2 5 3 1 1 激光冲击波的形成机制2 5 3 1 2 激光冲击波的产生2 5 3 1 3 激光冲击波产生的压力_ 2 6 3 1 4 残余应力场的形成与估算2 7 3 2 激光冲击成形的有限元分析2 8 3 4 本章小节3 5 第四章激光冲击强化实验3 6 4 1 激光冲击强化实验。3 6 4 1 1 激光冲击强化实验仪器3 6 4 2 旋耕刀激光冲击强化后的性能检测3 8 4 2 1 残余应力测试3 8 4 2 2 硬度测试4 3 扬州大学硕士学位论文 4 2 3 扫描电镜分析4 5 4 2 4 金相组织观察4 6 4 2 5 本章小结4 7 第五章总结与展望4 8 5 1 总结4 8 5 2 展望。4 8 参考文献5 0 j 蜜谢5 3 扬卅大学学位论文原创性声明和版权使用授权书5 4 朱河霖：大马力旋耕机旋耕刀的激光冲击强化研究 1 1 引言 第一章绪论 近年来，粮食安全问题愈益成为国际社会关注的焦点问题。稻谷是我国口粮消费的主 体，占口粮的近6 0 ，消费量每年为3 7 0 0 - - - 3 7 5 0 亿斤。随着国民经济的发展，工业经济在 我国g d p 比例的逐年提高。近几年，农村出现大量荒田，粮食产量有下滑趋势，发展水稻 机械化对保持社会稳定发展有重大意义。其中旋耕机是农业耕作中的必备机械，如今发展 大马力旋耕机更是成为一个必然的趋势，但是旋耕机功率的变大带来一系列问题，其中旋 耕刀的折断问题尤为突出。由于服役时长期承受土壤磨损和交变应力的作用，因而其基体 内部的冶金、加工缺陷等部位易形成应力集中，造成局部损伤，弱化基体，导致基体很快报 废，不仅严重影响翻地的质量和效率，而且造成巨大的材料浪费因此，提高基体性能，延长 其使用寿命，充分利用基体，增加其使用寿命，是降低翻地成本，推动当前农机行业发展的 首要任务，所以提高旋耕刀的性能成为旋耕机发展的重中之重。 随着高能粒子束的不断发展，相继出现了激光表面处理以及离子注入表面处理等新兴 技术，而且这两种技术逐渐发展成为抗疲劳断裂制造技术的重要部分。从2 0 世纪7 0 年代 起，激光开始被用于金属材料的表面处理。根据激光束的功率密度及与材料表层的作用时 间，激光的表面处理方式可分为激光相变硬化、表面重熔、表面涂敷、表面合金化、激 光化学气相沉积、激光物理气相沉积和激光表面非晶化等。激光冲击强化技术是一种新 型材料表面改性处理技术，其无需改变材料表面的化学成分就可以使材料表面机械性能得 到强化，提高金属材料的强度、硬度、耐腐蚀性能和疲劳性能。激光加工属于柔性加工技 术，尤其在喷丸、挤压等常规处理无法或者难以强化的部位进行局部处理方面具有独特的 应用价值，具有非接触、无热影响区及强化效果明显等突出优点。 1 2 选题背景及课题来源 1 2 1 论文课置来源 本课题来源于“十二五”农村领域国家科技计划课题“大马力拖拉机配套农田作业装备 研制”，项目编号：2 0 11 b a d 2 0 8 0 3 0 2 。该国家“十二五”项目申请成功于2 0 11 年，并计 2 扬州大学硕士学位论文 划将于2 0 1 3 年1 2 月正式结题，历时三年。“大马力拖拉机配套农田作业装备研制”首要任 务是参照相关标准及规范，深入分析现有国内外技术成果基础上，根据中国国情研制出一 款可以与大马力拖拉机配套的旋耕机设备。针对我国1 0 0 , - 一2 0 0 k w 大功率拖拉机配套复式 作业旋耕机的应用需求，开发适应稻、麦、玉米、油菜四种作物秸秆还田需要的深施肥、 播种复式作业旋耕机具，力求机具在不同秸秆的还田适应性方面、深旋耕刀具设计方面、 复式作业的时空错落有序分布方面形成突破，解决我国适应秸秆全量还田的大功率、高效 旋耕作业机械方面的缺失问题。具体研究内容：多茬长茬地旋耕适应性研究以及适应高割 茬全方向铺地长茬的秸秆切碎装置研究；回转直径3 0 0 m m 旋耕刀滑草减阻研究；大幅宽 旋耕机动力传动系统的减损增效研究；高频振动脱土管型空间支撑旋耕刀零距离式深施肥 机构研究：磁控溅射镀层多层复合白磨刃秸秆秸秆切碎刀片；旋耕机关键部件的抗疲劳设 计与制造及旋耕刀片的激光冲击强化。本文就是针对研究内容中的“旋耕刀片的激光冲击强 化”展开具体讨论。 1 2 2 论文选题背景 目前，多茬留田耕作及秸秆全量还田耕作发展很快，有的地方将秸杆全量还田看成是 增加土壤有机质，制止土壤板化，实现农业可持续发展的一项重要举措。有的省份将秸秆 禁烧写进了地方法规，尽管秸秆的燃料化、颗粒肥料化、饲料化发展很快，但规模还是不 大，其秸秆的去处绝大多数仍然是还田。 目前，秸秆还田耕作分为农场和农村两种作业方法，农场大型机械作业采用犁耕2 0 , - - , 2 2 锄深，然后耙地，最后播种的作业方式。2 0 - - 2 2c m 耕深能充分将秸秆与足够的泥土混 合，土壤中的秸秆比例小，作物秸秆腐化过程中与作物争氮的问题达不到影响作物生长的 程度，最终达到秸秆无负作用还田的目的。这一工艺全国农垦系统已经用了5 0 年，到目 前为止仍是采用这种工艺。这种工艺需三道工序、三次作业才能完成耕作，它的耕作成本 很高。 农村一般采用旋耕机作业，将旋耕、埋茬、播种一次性作业。复式作业程度高、省工 节本，但该工艺存在的最大缺陷是目前的旋耕机均采用1 0 0 马力以下的机型。耕作深度小 于1 6 a n , 如在粘土地作业其耕作更浅，一般只能耕1 0 1 2c m 。大量的前茬秸秆埋在不足 1 6c m 深的土壤中，造成土壤中的秸秆比例太高，秸秆在土壤中腐化之前要吸氮，特别是 稻后麦，耕播后遇上冬天气温低，秸秆不能马上腐化。来年春天正赶上小麦拨节需要大量 拨节肥时，秸秆遇到温度适宜而腐化吸氮，造成与小麦争拨节肥的局面，严重影响小麦生 朱河霖t 大马力旋耕机旋耕刀的激光冲击强化研究 3 长发育。对于麦后稻，虽然采用水耕法使得总体耕深略深2c m 左右，但仍然不能满足要求， 仍然存在着秸秆比例太高的问题，适时适量补充化学氮肥以弥补秸秆比例太高带来的吸氮 缺陷仍然是水耕麦秸秆全量还田耕作工艺的难题1 1 1 。 从上述情况看来。要在犁耕工艺上发展秸秆全量埋田的复式作业功能是很困难的。因 为犁的结构均纵向很长，结构上很难实现。只有增加旋耕机功率、加大旋耕深度，解决旋 耕缠草问题、多重复式作业的动作协调问题、大耕深旋耕刀节能问题等，才能解决秸秆全 量还田的多重复式作业问题。为此适应秸秆全量还田的大功率、大耕深旋耕复式作业机具 的研制就显得十分迫切。当我们尝试制造了按同比例放大至刀尖回转半径r 为3 0 0 r a m 的旋 耕刀( 力求使耕深达到2 0 c m 及以上) 。当旋耕刀厚度不增加时，由于刀身整体组织均为回 火马氏体其硬度高、脆性大，在大耕深旋耕作业1 0 0 小时过程中，旋耕刀折断率高达3 0 以上；当旋耕刀厚度也同比例增加时，在大耕深旋耕作业1 0 0 小时过程中，旋耕刀折断率 仍为2 0 左右，且能耗相对于不增加旋耕刀厚度时增加了1 5 左右，所以，对旋耕刀进行 强化就显得迫切需要，我们选择的方法是激光冲击强化。 1 3 激光冲击强化技术 1 3 1 基本原理及工艺特点 激光冲击强化技术( l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ，l s p ) ：当作用在金属表面的短脉冲( 几到 几十纳秒内) 激光功率密度大于1g w 俐2 时，材料表面吸收层吸收激光能量而产生等离 子体，在激光辐照的持续时间内，等离子体厚度增加，密度增大，温度上升，产生高温 ( 1 0 0 0 0 k ) 、高压( g p a ) 等离子体。该等离子体受到约束层的约束时产生高压冲击波， 作用到材料表面并开始向材料内部传播f 2 】。当冲击强度大于材料动态屈服强度的时候，可 以在靶材的表层上形成塑性变形层，在激光冲击中造成的塑性层中会出现残余压应力，它 的位错密度显著增高，靶材的表层就可以产生应变硬化。拉应力的存在是材料破坏的主要 原因，所以在靶材表面上存在的残余压应力就能平衡材料在使用过程中产生的拉应力就可 以延缓疲劳裂纹的萌生和扩展速度。同时，材料位错密度的增高，会提高材料的屈服强度， 阻碍其位错运动，加大裂痕产生的阻力。由于存在的残余压应力、高密度位错等这些因素 的综合作用，就可以大大延长材料的抗疲劳寿命。这种新型的表面强化技术就是激光冲击 强化处理( l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ) ，由于其强化原理类似喷丸，因此也叫做激光喷丸( l a s e r s h o c kp e e n i n g ) 。在冲击波的作用下，材料的力学性能得到明显改善【3 1 。 4 扬州大学硕士学位论文 激光冲击强化原理见图1 - 1 ，激光束通过约束层后被吸收层吸收，吸收层获得激光能 量后气化，然后进一步吸收激光能量形成等离子体并发生等离子体爆炸产生激光冲击波， 冲击波再与金属材料发生作用，改变了材料的微观组织结构，提高了材料的综合机械性能。 冲 图1 - 1 激光冲击强化原理 f i g 1 1t h ep n n c i p l eo fl s p 在激光冲击时，向靶材表面涂抹的吸收涂层的主要作用是加强激光冲击时能量的吸 收，并可以使材料表面免于激光的烧灼，黑漆是使用最多的涂层。涂层上要覆盖一种叫约 束层的透明材料，约束层主要作用是提高激光冲击波峰压，并延长激光冲击波作用时间。 由于激光冲击与靶材相互作用时候可以产生产生数个g p a 的冲击波压力，远远超过了靶材 的动态屈服强度，从而使材料产生弹性和塑性变形，在冲击区域可以产生残余压应力，马 氏体相变和高密度位错等结构，有效的提高了靶材的耐腐蚀性能、硬度和抗疲劳强度等机 械性能。 图1 - 1 中透明约束层的作用是：它限制了等离子体的膨胀空间，同时延长等离子体喷 射的时间，等离子体层可以达到远超自由膨胀时候的温度和密度，使其应力峰值明显增大。 吸收层的作用是：为了提高对激光能量的吸收率，防止靶材表面融化和气化的作用高功率 密度、短脉冲激光辐照下，吸收层取代靶材表层而吸收能量汽化并形成等离子体，产生向 靶材内部传播的冲击波，所以，吸收层是激光诱导的冲击波形成的物质基础。 激光冲击强化技术与喷丸强化工艺( s h o tp e e n i n g ) 具有强化机理上的相似性。但相对 于滚压、内挤压等传统强化技术，激光冲击强化有其自身的特点，在适用范围和强化效果 上有着明显的优势： ( 1 ) l s p 采用的激光脉宽仅仅几十纳米或更窄。激光与材料作用时间短，并且大部分能 朱河霖：大马力旋耕机旋耕刀的激光冲击强化研究 5 量被等离子体的形成和打开界面做功消耗，只有小部分能量通过吸收层传递到金属表面， 所以热效应而引起的显微组织变化可以忽略。l s p 后，金属表面留下的冲击坑深度仅为数 个微米，基本不改变被零部件的粗糙度。特别是对于发动机叶片等对表面形变特别敏感的 零部件，冲击强化后无需后续加工。 ( 2 ) l s p 具有可叠加性。使用的激光参数以及冲击作用区域准确控制，并且可以重复使 用相同的参数，材料可以通过连续多次冲击提高强化效果和增大强化区域，实现大面积的 强化处理。 ( 3 ) l s p 在几十纳秒时间内，在材料表面产生高达数兆帕的冲击压力，能形成深度更深数 值更大的残余压应力影响层，通过l s p 获得的残余压应力影响层可达l - 一2 m m ，是普通喷 丸的5 l o 倍；。 ( 4 ) 通过调节激光的光斑尺寸和对其准确的控制和定位，可以使激光到达圆孔、倒角等 传统方法不能处理的部位进行冲击强化处理h 】。 1 3 2 激光冲击强化的方法 在激光冲击强化时，金属靶材表面要预置吸收层，其作用是吸收激光能量产生的等离 子体，并防止金属表面融化和气化，因此对吸收层的基本要求是选用低热导率和低气化热 的材料，增加自身吸热并减少对靶材的热导率，铅、锌、黑漆等都是有效的表面涂层材料。 在吸收层表面覆盖的一层对激光透明的材料为约束层。约束层的作用是限制气化，提 高脉冲作用和压力时间。激光冲击处理过程中，约束层是决定约束方式的主要因素。目前 使用的约束层主要有固态戒指和液态介质。固态戒指为光学玻璃等硬介质，其有点事对激 光能量吸收少，缺点是只适合对平表面强化，且冲击时产生爆破碎片，难以防护和清理。 软介质对非平表面的冲击强化，可以做到很好的贴合，但软介质材料( 如有机材料) 对红 外激光吸收率高于玻璃和水，并容易击穿，其应用还有待进步研究和为完善。 液态介质水是最经济的约束介质，水约束为静水和流水约束两种方式：静水在吸收层 气化过程中容易受到污染，并且冲击波会是水面波动，影响下一冲击工艺；流水在精确处 理中药获得平整的界面需要时间，因而激光冲击频率就不可能很高。 6扬州大学硕士学位论文 1 4 激光冲击强化技术的发展 1 4 1 激光冲击强化技术的国外发展现状 1 9 6 0 年初期，a s k a r y o n 与m o r e z 首次发现了激光诱导等离子体冲击波现象，他们利 用调q 激光照射到金属靶表面后，得到了大约0 1 g p a 的冲击压力。再到后来，0 k e e f e 等人在试验过程中发现在靶材的表面涂覆一层对激光透明的气体物质后，可以极大地提高 激光诱导冲击波峰值的压力，而a n d e r h o l m 则把金属箔透明固体粘在金属靶上以提高冲击 波幅值，c l a u e r 等人通过尝试在靶材表面上涂抹施加黑色涂层，然后再在其上施加透明约 束层来对靶材进行冲击，结果冲击波峰值压力又进一步提高到g p a 量级，从而形成了现 在在应用中常使用的带约束层和吸收层。 激光冲击强化技术( l s p ) 最早出现在上世纪7 0 年代的美国贝尔实验室，1 9 7 2 年，美 国巴特尔学院的f a i r a n db p 等人开始尝试首次利用高功率脉冲激光诱发的激光冲击波来 处理7 0 7 5 铝合金的结构组织以提高它的机械性能，自此开启了用激光冲击强化( l s p ) 应 用研究的大门。1 9 7 8 年秋，该实验室的f o r ds c 等人同美国空军实验室一起，进行了激光 冲击改善紧固件的疲劳寿命研究，该实验表明激光冲击可大打增加紧固件的疲劳寿命，但 由于当时缺少高脉冲频率并且可靠的大功率激光器而不能实用化。 到了2 0 世纪8 0 年代的后期，欧洲、日本、以色列等国家纷纷开展激光冲击强化的研 究。但是，当时国际上只有美国可以将激光冲击强化应用到实际当中。2 0 世纪9 0 年代， 美国的利莫尔国家实验室以及m i c 公司等深入开展了激光冲击强化技术的理论、工艺和设 备的研究，使得激光冲击强化技术取得了突破性进展，并且开始逐步应用于实际，用于 f 11 0 、f 1 0 1 、f 4 1 4 等发动机的生产和修理。其中，f 11 0 、f 1 0 1 的发动机在使用时发生很 多次风扇叶片的故障，迫使f 1 1 0 每次的第一次飞行前和f 1 0 1 飞2 5 小时要做一次非常精 细检查，但是，激光冲击强化技术的引进有效解决了这一问题隋1 。 进入2 l 世纪之后，激光冲击强化的应用开始长足地进展。美空军在提高激光冲击强 化的生产效率做出了巨大努力，设置了4 个重要的a i rf o r c em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y p r o g r a 珊e s ，在许多方面取得了重大突破，提高激光冲击强化生产效率以及可移动生产等 工业问题得到了有效解决。2 0 0 0 年以来，激光冲击强化技术被大量应用于航空航天部件的 制造和修理中，例如，美国m i c 公司将激光冲击强化技术用于军民用喷气发动机叶片的 制造，大幅度改善了其疲劳寿命，不但增加了飞机发动机的可靠性，而且每个月可节约飞 朱河霖：大马力旋耕机旋耕刀的激光冲击强化研究 7 机保养费用几百万美元。根据美国的预计，只战斗机发动机的叶片处理一项，就可以减少 成本超过1 0 亿美元。2 0 0 4 年，美联邦航空局( f 从) 和日本亚细亚航空( j 从) 都将激光 冲击强化规定为飞机的关键件维修技术，随后，这项技术又被用于波音7 7 7 飞机的零部件 处理。 2 0 0 4 年，美国激光冲击技术公司与美国的空军实验室开展了关于f a 2 2 上f 1 1 9 发动 机损伤叶片激光冲击强化修复研究，对那些微裂纹、疲劳强度不够的损伤叶片，经过激 光冲击处理后，疲劳强度可达到4 1 3 7 m p a ，远远满足了使用的要求3 7 9 m p a ，取得了成功。 另外，对叶片楔形根部进行激光冲击强化后，其微动疲劳寿命至少提高2 5 倍以上。目前， 激光冲击强化技术已大量用于f 11 9 - p w - 1 0 0 发动机整体叶盘等部件的生产。l s p 公司还提 出了对飞机蒙皮铆接结构强化的专利，应用可移动激光设备在飞机装配现场对铆接后的 铆钉及其周围强化，效果明显。 激光器也是影响激光冲击技术发展的另一个重要方面，激光冲击强化工艺需要有特别 的激光器设备。在1 9 8 0 - - 1 9 8 9 年间，巴特尔学院c o l u m b u s 实验室的c l a u e r 等人激光冲 击强化处理采用的是大脉冲功率的调q 钕玻璃激光器，单脉冲能量4 0 - l o o j ，波长为 1 0 6 4 n m ，脉宽为3 , - - 一3 0 n s ，但脉冲重复频率不到0 0 0 1 s ，直到1 9 8 9 年脉冲重复频率才达 到0 0 1 s 。并且这些强脉冲激光装置造价昂贵。但是由于重复频率低，激光冲击处理工艺 在工业生产中的应用受到限制。1 9 9 6 年，美国劳伦斯利物莫尔国家实验室( l a w r e n c e l i v e r m o r en a t i o n a l l a b o r a t o r y l l n l ) 研制出脉冲频率达0 2 5 s 钕玻璃激光器。1 9 9 7 年，在激光冲击强化处理中还采用了脉冲能量5 j 以上准分子和y a g 激光器，激光冲击 强化处理技术逐步开始走向工业应用领域。随后，1 9 9 8 年，美国劳伦斯里弗莫尔国家实 验室研制成功新型钕玻璃激光器，用于激光冲击处理工艺研究，其单脉冲能量达到l o o j ， 脉宽1 0 - - 一1 0 0 n s ，频率达到1 0 h z ，并用于喷气发动机叶片的激 激光冲击强化处理，使得激光冲击强化处理技术得到迅速发展。2 0 0 2 年，美国劳伦 斯利物莫尔国家实验室在对板条结构的钦玻璃激光器研究之后，开发了新型的紧凑结构的 激光器，将其用于涡轮发动机零件的激光冲击强化处理中。2 0 0 2 年以后，美国将激光冲 击强化处理技术( l s p ) 用于提高战斗机发动机叶片疲劳寿命上，不仅增强飞机发动机的 安全可靠性，而且大大节约了飞机保养费和零件更换费，预计可节约1 0 亿美元以上。2 0 0 4 年，美国激光冲击技术公司( l s p t ) 与美国空军研究实验室对f 1 1 9 发动机损伤叶片采用 激光冲击强化来延长使用寿命，结果非常成功。同时，对叶片楔形根部进行激光冲击强化 处理后，其微动疲劳寿命至少提高了2 5 倍。目前，激光冲击强化技术已大量用于 8 扬州大学硕士学位论文 f 1 1 9 一p w 一1 0 0 发动机整体叶盘等关键部件的生产。从2 0 0 5 年开始美国又将激光冲击强化 逐步扩大到大型汽轮机、水轮机叶片以及石油管道、汽车关键零部件等的处理。据报道仅 石油管道焊缝的处理就能达到1 0 亿美元以上的收益旧。 1 3 2 激光冲击强化技术的国内发展现状 我国对激光冲击强化技术的研究起步相对较晚但是却发展迅速。由于长期以来，仅中 国科学院上海光机所等少数单位才能拥有高功率激光系统，但是这些大型设备不仅体积庞 大，而且技术复杂，造价昂贵，难于实现工业化应用，故激光冲击强化系统实验研究一直 未能得到发展。这些条件一直限制了我国学者对激光冲击强化技术的研究。2 0 世纪9 0 年 代，国内开始加大对激光冲击强化工艺的研究。1 9 9 2 年，在国家有关部门支持下，南京 航空航天大学与中国科技大学合作，开展了航空结构件抗疲劳断裂激光冲击强化技术研 究。1 9 9 5 年，华中科技大学的邹鸿承等人对l y l 2 c z 铝合金进行了激光冲击强化处理， 其表面硬度和疲劳寿命都有所提高。同年，中国科技大学强激光研究所的吴鸿兴和郭大浩 等学者研制成功小型实用的激光冲击强化装置，这是我国激光冲击强化技术突破性发展的 标志，从此，激光冲击强化技术从实验室到工业现场又迈进了一大步。“九五 期间，北 京航空制造工程研究所在北京航空航天大学、中国科学技术大学等单位协助下，进行了 t c 4 、g h 3 0 、i c r l 8 n i 9 t i 、2 0 2 4 、1 4 2 0 等材料的激光冲击强化处理试验，在铝合金、不锈 钢等材料上取得了很好的试验效果。9 0 年代中期开始，江苏大学和中国科学技术大学加 大了对激光冲击强化的研究。中国科技大学强激光技术研究所研制出了国内首台实验用的 激光冲击处理机，但是该设备只能单次冲击，并且可靠度不高，而且仅仅可以实验，不能 满足航空航天部件的生产和修理需要。江苏大学从激光冲击强化机理、涂层约束层应用 和强化工艺试验等方面进行了研究，取得了一定的进展，但是该激光器仍不稳定，不可 以进行长时间工作，因此仍无法满足工业应用要求。经过十多年的研究工作，国内在冲击 压力建模、冲击压力的测量与冲击波在材料中的衰减特性、吸收层与约束层的选取、不同 材料的激光冲击处理工艺以及激光冲击处理强化装置的研制等方面，取得丰富的研究成 果。江苏大学在激光冲击处理领域的研究中取得了成绩，成功打破了国外的一些技术封 锁和专利壁垒，研制成功了具有激光冲击强化延寿与成形双重功能于一体的装置h 1 。 朱河霖：人马力旋耕机旋耕j 的激光冲南强化研究 9 1 4 本文主要研究内容 研究中针对国家“十二五”项目已经研制成功的作为研究对象，旨在通过理论分析寻 找大马力旋耕机旋耕机构的，利用激光强化技术强化大马力旋耕机旋耕机构的薄弱部位， 探索激光强化各工艺参数对旋耕机构工