大型海工繞樁吊機(jī)吊臂激光沖擊強(qiáng)化選材研究

曾鏡靈，余龍溦，林超輝，張永康，范運(yùn)鵬

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006；2.陽江市高新投資開發(fā)有限公司，廣東陽江 529533）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源消耗特別是原油的消耗急劇增加，而隨著我國陸地石油資源的逐漸枯竭和近海石油的資源有限，石油戰(zhàn)略儲備不足，因此向深海發(fā)展是我國的必然選擇。海上風(fēng)電是清潔的可再生能源，大力發(fā)展海上風(fēng)電、促進(jìn)海上風(fēng)電項目向深海發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的必然選擇，對保障能源供應(yīng)安全、促進(jìn)能源綠色轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[1]。

繞樁吊機(jī)作為海上風(fēng)電安裝平臺的關(guān)鍵部件之一，長期處于頻繁作業(yè)、服役環(huán)境惡劣的情況，承受著自重、傾覆力矩、拉力、交變載荷等多方面因素影響，易在吊臂等關(guān)鍵部位發(fā)生疲勞破壞，因此提高吊臂的強(qiáng)度十分重要。繞樁吊機(jī)的吊臂加工制造常用的金屬結(jié)構(gòu)材料主要有Q235、Q345、Q550等鋼材，目前國內(nèi)外學(xué)者針對鋼材的性能研究進(jìn)行了多種工藝強(qiáng)化處理。王麗英等[2]研究了噴丸處理對Q235鋼焊接構(gòu)件性能的影響，發(fā)現(xiàn)噴丸處理后焊縫的表面粗糙度值和硬度都有所增加，并引入了殘余壓應(yīng)力。閆萍等[3]發(fā)現(xiàn)Q235鋼經(jīng)逆焊接加熱處理后，能有效降低焊接殘余應(yīng)力，減緩應(yīng)力腐蝕速率，提高了Q235鋼的抗疲勞性能。Ouyang等[4]研究了起重設(shè)備對Q235鋼焊接頭的疲勞性能影響。蘇春霞等[5]研究了不同種類、不同尺寸探傷缺陷對Q550鋼板的力學(xué)性能和疲勞極限影響。隨著海上風(fēng)電安裝平臺的更新?lián)Q代和對吊機(jī)服役性能的更高要求，引入新型的表面處理技術(shù)，對吊臂材料進(jìn)行強(qiáng)化并優(yōu)選出更加匹配強(qiáng)化效果的材料，成為了當(dāng)下的必要選擇。

激光沖擊強(qiáng)化（laser shock peening，LSP）技術(shù)是最近十幾年逐漸推廣應(yīng)用的新型工藝，利用強(qiáng)激光束輻射金屬表面吸收層，在吸收層處形成等離子體，在約束層和材料表面的限制下產(chǎn)生高強(qiáng)度沖擊應(yīng)力波對材料表面進(jìn)行沖擊，使材料表面產(chǎn)生塑性應(yīng)變，并形成殘余壓應(yīng)力層。該技術(shù)具有潔凈、無公害、非接觸、可控性強(qiáng)、適應(yīng)性好等特點(diǎn)，可用于提高材料的強(qiáng)度、抗疲勞等性能，并可有效消除殘余拉應(yīng)力[6]。采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)對繞樁吊機(jī)的吊臂材料進(jìn)行加工處理，分析強(qiáng)化后的殘余應(yīng)力、顯微硬度、表面粗糙度、拉伸性能等指標(biāo)，綜合對比各性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，優(yōu)選出適合吊臂激光沖擊強(qiáng)化制造的最佳材料，對于繞樁吊機(jī)的高質(zhì)量加工制造具有重要的探索和參考意義。

1 試驗件及試驗方法

1.1 試件制備

試驗材料為Q235、Q345、Q550鋼，具體化學(xué)成分見表1。通過線切割加工方式將3種材料加工成方便夾持的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣件，尺寸見圖1。采用超聲波清洗機(jī)對試件進(jìn)行表面除污垢處理，接著用吹風(fēng)機(jī)吹干。本次試驗共需6個試件，每種材料分別制備2個試件，其中一個為試驗件，另一個為對照件。

圖1 鋼材標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣件尺寸示意圖

表1 三種鋼材各元素的含量

1.2 試驗方法

試驗采用激光噴丸系統(tǒng)進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，采用的加工參數(shù)如下：脈沖能量5 J、脈沖寬度30 ns、光斑直徑3 mm、搭接率30%。圖2是激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域和路線，將試件待加工表面用PVC黑膠布纏一圈作為吸收層，激光沖擊強(qiáng)化處理后，直接撕掉試件表面的黑膠布，用丙酮擦拭去除表面的粘膠，并用乙醇清理干凈。

圖2 鋼材標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣件強(qiáng)化區(qū)域及強(qiáng)化路線示意圖

試驗采用側(cè)傾法并利用X射線應(yīng)力測定儀測試試件表面的殘余應(yīng)力，測試條件是：準(zhǔn)直管直徑為1.5 mm，管電壓為26 kV，管電流為8 mA，Cr靶Kα特征輻射，計數(shù)時間為15 s，衍射晶面方位角分別 取0°、15.5°、22.2°、27.6°、32.3°、36.7°、40.9°和45.0°，應(yīng)力測試晶面為{211}，應(yīng)力常數(shù)為-318 MPa，掃描的起始角為164°，終止角為152°；采用激光共聚焦（3D測量）顯微鏡測量試件表面粗糙度；采用顯微硬度計測量試件表面顯微硬度，并設(shè)定加載500 gf（4.903 N）、保荷時間10 s，每個試件隨機(jī)選擇3個點(diǎn)進(jìn)行測量，取算術(shù)平均值；采用微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)對沖擊后的試件進(jìn)行拉伸實(shí)驗，設(shè)定拉伸速度2 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 激光沖擊強(qiáng)化對殘余應(yīng)力的影響

研究表明，激光沖擊強(qiáng)化引入的殘余壓應(yīng)力能阻滯疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高材料疲勞壽命[6]。在3種鋼材試件表面分別取沖擊區(qū)域內(nèi)相同間隔的三點(diǎn)進(jìn)行測試并取平均值，所得數(shù)據(jù)變化見圖3?？梢?，未沖擊的Q235、Q345、Q550鋼試件的殘余應(yīng)力分別為-33、-45.67、-70.33 MPa，在激光沖擊強(qiáng)化后，試件的殘余應(yīng)力分別為-198、-204、-206 MPa，比未沖擊時分別增加了500%、346.7%、192.9%。分析可知，激光沖擊強(qiáng)化能使材料表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而吊臂結(jié)構(gòu)作為主要的受力部件，能平衡作業(yè)時產(chǎn)生的拉應(yīng)力，提高吊臂的壽命。激光沖擊強(qiáng)化對3種材料的殘余應(yīng)力均有正影響，影響主次順序為Q235＞Q345＞Q550，Q235鋼增加的幅度更大，效果更好。

圖3 激光沖擊強(qiáng)化對鋼材殘余應(yīng)力的影響

2.2 激光沖擊強(qiáng)化對表面粗糙度的影響

研究表明，表面粗糙度值越大，越容易引起局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞裂紋的萌生[7]。選取試件相同間隔的三點(diǎn)進(jìn)行表面粗糙度的測試并取平均值，所得數(shù)據(jù)變化見圖4?？梢?，未進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的Q235、Q345、Q550鋼試件的表面粗糙度值分別為Ra8.28、Ra7.79、Ra8.57μm， 沖 擊 后 分 別 達(dá) 到Ra9.56、Ra8.06、Ra9.71μm，增幅分別為15.5%、3.5%、13.3%。分析可知，激光沖擊強(qiáng)化對3種材料的表面粗糙度均有影響，影響主次順序為Q235＞Q550＞Q345。

圖4 激光沖擊強(qiáng)化對鋼材表面粗糙度的影響

2.3 激光沖擊強(qiáng)化對顯微硬度的影響

選取試件相同間隔的三點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度的測試并取平均值，所得數(shù)據(jù)變化見圖5?？梢?，未進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的Q235、Q345、Q550鋼試件的表面顯微硬度分別為132HV、127HV、136HV，沖擊后分別為153HV、149HV、154HV，增幅分別為15.9%、17.3%、13.2%。分析可知，激光沖擊強(qiáng)化對材料的硬度均有正影響，影響主次順序為：Q345＞Q235＞Q550。由于繞樁吊機(jī)在作業(yè)時，易在吊臂等一些關(guān)鍵部位產(chǎn)生疲勞失效[8]，因此對硬度指標(biāo)要求甚高，而高硬度可以抵抗彈性變形、塑性變形和疲勞破壞。研究表明，激光沖擊強(qiáng)化可使材料表面產(chǎn)生硬化層，表面硬度值越高，產(chǎn)生的硬化層越深，能有效抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高疲勞壽命[9]。因此，在進(jìn)行吊臂制造加工或選材時，硬度應(yīng)該作為重點(diǎn)考慮的指標(biāo)之一。

圖5 激光沖擊強(qiáng)化對鋼材表面顯微硬度的影響

2.4 激光沖擊強(qiáng)化對拉伸性能的影響

圖6是不同鋼材的試件進(jìn)行拉伸試驗后所得的應(yīng)力-位移曲線，表2是根據(jù)拉伸試驗數(shù)據(jù)計算得到的不同試件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及斷裂伸長率。從圖6可看出，未沖擊時拉伸位移在3.5 mm范圍內(nèi)，3種鋼材試件的拉伸位移與加載應(yīng)力基本呈線性關(guān)系變化；激光沖擊強(qiáng)化后，位移在4 mm范圍內(nèi)，3種鋼材試件的拉伸位移與加載應(yīng)力基本呈線性關(guān)系變化，此時試件處于彈性變形階段，隨后試件處于塑性變形階段。

圖6 不同鋼材的應(yīng)力-位移曲線

表2 拉伸性能指標(biāo)測量結(jié)果

通過對比分析表2所示的性能指標(biāo)可知，未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化處理的3種鋼材的抗拉強(qiáng)度在1143~1176 MPa，屈服強(qiáng)度在768~794 MPa，伸長率在27.54%~28.44%；經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化處理后，3種鋼材的抗拉強(qiáng)度在1213~1247 MPa，屈服強(qiáng)度在788~810 MPa，伸長率在25.93%~27.67%?？梢姡诩す鉀_擊強(qiáng)化后，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所增加，但增幅不大，伸長率略有降低，這可能是由于激光沖擊后，材料內(nèi)部產(chǎn)生一定程度的應(yīng)力集中，當(dāng)外部載荷作用于這些應(yīng)力集中區(qū)時，將導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生，最終使得材料在拉伸過程中快速斷裂[10]。結(jié)果表明激光沖擊強(qiáng)化對材料的拉伸性能均有正影響，綜合可得影響的主次順序為Q345＞Q235＞Q550。

3 結(jié)束語

通過研究激光沖擊強(qiáng)化對繞樁吊機(jī)的吊臂材料性能的影響，從而優(yōu)選出適合吊臂激光沖擊強(qiáng)化制造的最佳材料。相比未沖擊的Q235、Q345、Q550鋼材試件，激光沖擊強(qiáng)化處理對鋼材試件的表面殘余應(yīng)力、表面粗糙度、顯微硬度、抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)均有提升作用。由于海工繞樁吊機(jī)的吊臂對應(yīng)力、硬度、強(qiáng)度要求較高，相對而言表面粗糙度要求程度不高，因此Q345鋼比較符合這一要求，表現(xiàn)為殘余應(yīng)力提高346.7%，顯微硬度和抗拉強(qiáng)度分別提高17.3%和7.5%，表面粗糙度無明顯變化。在考慮海工繞樁吊機(jī)的吊臂激光沖擊強(qiáng)化加工的情形下，可選擇Q345鋼作為制造原材料。