一种高效率消除焊接残余应力的非淹没空化水射流装置及方法

技术领域

本发明涉及空化水射流处理技术领域，具体涉及一种高效率消除焊接残余应力的非淹没空化水射流装置及方法。

背景技术

目前，对于空化射流技术研究日渐增加，作为一种新型的水射流，拥有工作压力低、射流冲击压力强、环保节能等优点。近年来，空化水射流逐渐被国内外研究学者应用到焊接结构上，用来降低焊接残余应力，提高抗应力腐蚀开裂能力。但目前空化射流装置大多只能处理单条焊缝，难以同时对多条焊缝进行处理，处理过程中效率较低且耗时较长，大大增加了强化成本与耗水量，工业加工需求适应性低。另外，现有的空化射流技术中，利用喷嘴自身结构形成的空化泡数量少、空化射流冲击压力较弱，通常仍需要在淹没状态下实现空化，但淹没状态下对构件尺寸具有很大的局限，不适用于大尺寸焊接构件。因此，需要开发一种高效率处理焊后残余应力的非淹没空化水射流装置。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高效率消除焊接残余应力的非淹没空化水射流装置，通过多腔室空化高压喷嘴可以实现在喷嘴内部形成大量空化泡，提高空化射流冲击压力。

本发明为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：

一种高效率消除焊接残余应力的非淹没空化水射流装置，包括移动小车以及安装在移动小车上的高压水射流主通道，所述高压水射流主通道设置至少一个，且每个所述高压水射流主通道底部沿其长度方向可拆卸连接有至少一个多腔室空化高压喷嘴；

所述多腔室空化高压喷嘴包括由从上至下依次相连的一级高压喷嘴、二级高压喷嘴及三级高压喷嘴，且所述一级高压喷嘴、二级高压喷嘴、三级高压喷嘴同轴设置，所述一级高压喷嘴的上端与高压水射流主通道连接，所述一级高压喷嘴的下端与二级高压喷嘴的上端连接，所述二级高压喷嘴的下端与三级高压喷嘴的上端连接。

进一步地，所述一级高压喷嘴包括第一进水段、中间连接段及第一出水段；所述第一进水段呈上宽下窄的锥形筒状，所述中间连接段呈上窄下宽的锥形筒状，所述第一出水段的上部呈ω形，所述第一出水段的下部呈直筒状，所述中间连接段与第一出水段的上部合并形成一级谐振腔；

所述二级高压喷嘴包括第二进水段及第二出水段，所述第二进水段呈上宽下窄的阶梯状，所述第二出水段的下部呈直筒状；

所述三级高压喷嘴包括第三进水段及第三出水段；所述第三进水段与第三出水段之间形成三级谐振腔，三级谐振腔的截面呈向内凹陷的矩形结构，所述第三出水段的下部出口呈上窄下宽的锥形筒状。

在上述一级高压喷嘴中，高压水射流流经一级谐振腔的收缩出口时，会产生自激压力波动，这种压力波动反馈回一级谐振腔形成反馈压力振荡，通过适当控制谐振腔尺寸与流体的马赫数及斯特劳哈尔数，使反馈压力振荡的频率与谐振腔的固有频率相等，从而在谐振腔内形成声谐共振，使喷嘴出口射流变成断续涡环流，并在涡环射流中心发生空化，使射流的初始空化数能达到常规射流的2～6倍，而且一级谐振腔的截面呈“心”形结构，其回流效果好，这种结构的谐振腔可以加剧射流和周围液体间的剪切效果，更加有利于空化泡的形成和积累；

从一级高压喷嘴射出的含有大量空化泡的水射流继续射入上述二级高压喷嘴，二级高压喷嘴的腔室呈上宽下窄的阶梯状，其直径逐级减小，可以逐级提高水射流的射流速度，从而提高进入三级高压喷嘴的射流速度，以促进在三级高压喷嘴内产生空化泡，进一步增强射流空化效果；

从二级高压喷嘴射出的提速后的水射流继续射入三级高压喷嘴，高压水射流流经三级谐振腔的收缩出口时，也会产生自激压力波动，这种压力波动反馈回一级谐振腔形成反馈压力振荡，使喷嘴出口射流变成断续涡环流，并在涡环射流中心发生空化，进一步增加射流的空化数，使射流的总初始空化数达到常规射流的3～10倍；上述三级谐振腔的结构与一级谐振腔有所不同，其截面呈向内凹陷的矩形结构，这种结构的三级谐振腔在增强射流剪切作用产生空化泡的同时，还可以在一定程度上避免回流，使得腔室内形成的空化泡能够及时喷出，且其出口设计为扩张角结构，有利于空化泡的长大，同时增大空化水射流在靶面上的作用范围。

上述一级、二级、三级喷嘴的顺序不可更改，防止空化泡在喷嘴内部发生溃灭，导致空化射流的强化效果降低。

进一步地，所述一级高压喷嘴的第一进水段的入口角度为θ

所述第一进水段的出口直径φ

所述二级高压喷嘴的第二出水段的出口直径φ

所述三级高压喷嘴的第三出水段的出口缩颈一端直径φ

进一步地，所述一级高压喷嘴的第一进水段的高度L

进一步地，所述高压水射流主通道上设置有若干个球形阀，所述球形阀设置在相邻两个多腔室空化高压喷嘴之间。

进一步地，所述高压水射流主通道的一侧连接有高压水射流发生装置。

进一步地，所述移动小车设置至少1组，且每组包括2个，2个移动小车分别设置在一个高压水射流主通道的两侧。

本发明还提供一种高效率消除焊接残余应力的方法，利用上述高压水射流装置，包括如下步骤：

(1)确定待处理焊件的类型、尺寸，划分出待处理焊件的焊缝所在区域，确定待处理焊缝的长度、数量及间隔距离；

(2)根据步骤(1)中确定的焊缝长度、数量及间隔距离确定移动小车的数量、高压水射流主通道的数量及每个高压水射流主通道上的多腔室空化高压喷嘴数量；

(3)将移动小车设置在待处理焊件的侧面，高压水射流主通道及多腔室空化高压喷嘴设置在待处理焊件的上方，设置多腔室空化高压喷嘴与待处理焊件之间的间距以及移动小车的运行速度，使移动小车带动高压水射流主通道及多腔室空化高压喷嘴沿焊缝平行方向移动，完成焊缝的强化处理。

本发明的有益效果为：

(1)本发明所提供的一种高效率消除焊接残余应力的非淹没空化水射流装置，可根据焊缝数量及焊缝长度设置移动小车数量、高压水射流主通道数量及多腔室空化高压喷嘴数量，实现对多条焊缝同时处理，提高效率；同时还可根据待处理构件的需求，通过移动小车带动高压水射流主通道及高压喷嘴对焊缝进行单次处理或往复多次处理；

(2)本发明中的空化水射流装置，通过多腔室空化高压喷嘴可以实现非淹没空化，即在喷嘴内部即可形成大量空化泡，提高空化射流冲击力。

附图说明

为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明非淹没空化水射流装置的整体结构示意图；

图2是多腔室空化高压喷嘴的结构示意图；

图3是采用本发明的非淹没空化水射流装置对焊接构件进行射流强化处理的示意图。

图中标注：1.移动小车；2.高压水射流主通道；3.多腔室空化高压喷嘴；31.一级高压喷嘴；311.第一进水段；312.中间连接段；313.第一出水段；32.二级高压喷嘴；321.第二进水段；322.第二出水段；33.三级高压喷嘴；331.第三进水段；332.第三出水段；4.球形阀。

具体实施方式

本发明提供了一种高效率消除焊接残余应力的非淹没空化水射流装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明进行详细说明：

参照图1，本实施例提供了一种高效率消除焊接残余应力的非淹没空化水射流装置，包括移动小车1以及安装在移动小车1上的高压水射流主通道2，高压水射流主通道2设置至少一个，移动小车1设置至少1组，且每组包括2个，2个移动小车1分别设置在一个高压水射流主通道2的两侧，高压水射流主通道2的两端固定在两侧的移动小车1上，且每个高压水射流主通道2的一侧连接有一条高压水输送管路，每条高压水输送管路的另一端通过一条总管路连接至高压水射流发生装置，高压水射流发生装置产生高压水流并将高压水流输送至高压水射流主通道内，高压水射流发生装置具体可采用增加泵；

另外，每个上述高压水射流主通道2底部沿其长度方向可拆卸连接有至少一个多腔室空化高压喷嘴3，具体地，多腔室空化高压喷嘴3包括由从上至下依次相连的一级高压喷嘴31、二级高压喷嘴32及三级高压喷嘴33，且一级高压喷嘴31、二级高压喷嘴32、三级高压喷嘴33同轴设置，一级高压喷嘴31的上端与高压水射流主通道2底部螺纹连接，一级高压喷嘴31的下端与二级高压喷嘴32的上端螺纹连接，二级高压喷嘴32的下端与三级高压喷嘴33的上端螺纹连接。

参照图2，上述一级高压喷嘴31包括第一进水段311、中间连接段312及第一出水段313，第一进水段311与中间连接段312、中间连接段312与第一出水段313之间螺纹连接；第一进水段311呈上宽下窄的锥形筒状，中间连接段312呈上窄下宽的锥形筒状，第一出水段313的上部呈ω形，第一出水段313的下部呈直筒状，中间连接段312与第一出水段313的上部合并形成一级谐振腔；

上述二级高压喷嘴为32包括第二进水段321及第二出水段322，第二进水段321与第二出水段322一体成型，第二进水段321呈上宽下窄的阶梯状，第二出水段322的下部呈直筒状；

上述三级高压喷嘴33包括第三进水段331及第三出水段332，第三进水段331与第三出水段332螺纹连接；第三进水段331与第三出水段32之间形成三级谐振腔，第三出水段331的下部出口呈上窄下宽的锥形筒状。

上述一级高压喷嘴31的第一进水段311的入口角度为θ

上述一级高压喷嘴的第一进水段的高度L

另外，上述高压水射流主通道2上设置有若干个球形阀4，所述球形阀4设置在相邻两个多腔室空化高压喷嘴3之间。

基于上述一种高效率消除焊接残余应力的非淹没空化水射流装置，本实施例还提供一种高效率消除焊接残余应力的方法，包括如下步骤：

(1)确定待处理焊件的类型、尺寸，划分出待处理焊件的焊缝所在区域，确定待处理焊缝的长度、数量及间隔距离；

(2)根据步骤(1)中确定的焊缝长度、数量及间隔距离确定移动小车的数量、高压水射流主通道的数量及每个高压水射流主通道上的多腔室空化高压喷嘴数量，保证每条焊缝上均对应有相应的多腔室空化高压喷嘴；

(3)将移动小车设置在待处理焊件的侧面，高压水射流主通道及多腔室空化高压喷嘴设置在待处理焊件的上方，设置多腔室空化高压喷嘴与待处理焊件之间的间距以及移动小车的运行速度，使移动小车带动高压水射流主通道及多腔室空化高压喷嘴沿焊缝平行方向移动，完成焊缝的强化处理。

上述步骤(3)中，如果待处理试样需要强化处理多次，则控制移动小车沿焊缝平行方向往复移动；如果仅需处理一次，则控制移动小车沿焊缝平行方向运行一次即可。

实施例1

参照图3，本实施例1采用上述高压水射流装置对Q345钢板试样进行强化处理，试样长度为1000mm，宽度为400mm，厚度为20mm，试样上设置有5条焊缝，相邻两条焊缝之间间隔70mm，每条焊缝宽度为18mm。

选用3组移动小车、3个高压水射流主通道，相邻两个高压水射流主通道之间的距离为300mm，每个高压水射流主通道底部安装有5个多腔室空化高压喷嘴，且每个多腔室空化高压喷嘴位于相应的焊缝上方。

其中，一级高压喷嘴的第一进水段的入口角度为θ

将移动小车、高压水射流主通道及多腔室空化喷嘴布置在待处理试样上方，并置于焊缝初始端，调节高压水射流主通道与外接高压水射流发生装置进行连接，设置小车的移动速度30s移动10mm，方向沿焊缝平行方移动，带动高压水射流主通道上每个多腔室空化喷嘴沿移动小车移动方向处理焊缝，当达到焊缝末端时，完成焊缝的单次处理。

需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。