一种水力喷射与铁砂喷射的混合实验系统及方法与流程

本发明涉及一种机械实验系统，特别涉及一种水力喷射与铁砂喷射的混合实验系统及方法。

背景技术：

在机械生产中，焊接作为一种常用的以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料制造工艺及技术，广泛应用在机械加工中。当焊件在焊接过程中，热应力、相变应力、加工应力等超过屈服极限，以致冷却后焊件中留有未能消除的应力；这样，焊接冷却后的残余在焊件中的宏观应力称为残余焊接应力，焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因，而焊接残余应力又是产生裂纹和变形的主要因素。因此在设备投产使用前降低焊接残余应力是极有必要的，目前，消除焊接残余应力的方法有：热处理、锤击、振动法和预载法等。

其中，1、热处理消除法 ：焊后热处理是一种消除焊接残余应力常用的方法。工程上我们主要用退火处理，火温度越高、保温时间越长，消除焊接残余应力的效果就越好。但是温度过高，使工件表面氧化比较严重，组织可能发生转变，影响工件的使用性能，存在弊端。蠕变应力松弛理论为热处理消除焊接残余应力提供了另一条思路，工件在较低温度时会发生蠕变，材料内部的残余应力会因应力松弛而得到释放，只要保温时间足够长，理论上残余应力可完全消除。在低温消除焊接残余应力时，材料的组织和性能变化甚微，几乎不影响材料的使用性能，而且低温处理材料表面的氧化和脱碳也比较小，这就可以在材料的力学性能和组织基本不变的情况下达到降低材料焊接残余应力的目的。

2、锤击消除法：焊后采用带小圆头面的手锤锤击焊缝及近缝区，使焊缝及近缝区的金属得到延展变形，用来补偿或抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，使焊接残余应力降低。锤击时要掌握好打击力量，保持均匀、适度，避免因打击力量过大造成加工硬化或将焊缝锤裂。另外，焊后要及时锤击，除打底层不宜采用锤击外，其余焊完每一层或每一道都要进行锤击，锤击铸铁时要避开石墨膨胀温度。

3、振动消除法：振动消除法是利用由偏心轮和变速马达组成的激振器，使焊接结构发生共振所产生的循环应力来降低内应力的。如截面为30mm×50mm一侧堆焊的试件，经过σ max＝128N/mm2 和σmin＝ 5.6N/mm2多次应力循环后，残余应力的变化情况。当变载荷达到一定数值，经过多次循环加载后，焊接结构中的残余应力逐渐降低。这种方法所用的设备简单，处理成本低，时间比较短，没有高温回火给金属表面造成的氧化问题，目前在施工中广泛使用。

4、预载消除法：残余应力也可采用机械拉伸法（预载法）来消除或调整，例如对压力容器可以采用水压试验，也可以在焊缝两侧局部加热到200℃，造成一个温度场，使焊缝区得到拉伸，以减小和消除焊接残余应力。焊接残余应力的消除和调整应采取合理的焊接顺序，先进的焊接工艺，焊接时适当降低焊件的刚度，并在焊件的适当部位局部加热，使焊缝能比较自由地收缩，在焊接的每一个环节都减小残余应力，大大提高材料的使用寿命和性能，在工程施工上具有重要的意义。

中国专利文献公开号为CN103805760A，专利名称为《一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法》，该发明采用喷嘴喷出高压的水射流束在焊缝上移动，调整水射流束的轴心动压为220~700MPa；并保持喷嘴出水口与焊缝间距5~10mm，水射流束垂直于工件表面沿焊接轨迹自焊缝往复移动4~8次，强化应力消除效果。该发明采用的方法操作简便，可以快速的消除焊接后焊接处残余的应力，但是存在的问题是需要的时间较长，而且需要前期清理和振动等多个步骤。

另外有一种喷丸技术，使用丸粒轰击工件表面并植入残余压应力，提升工件疲劳强度的冷加工工艺，喷丸处理是工厂广泛采用的一种表面强化工艺，其设备简单、成本低廉，不受工件形状和位置限制，操作方便，但工作环境较差，强化效果一般，并且噪音非常大。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种水力喷射与铁砂喷射的混合实验系统及方法，通过高压水携带铁砂同步喷射，实现焊缝的应力快速消除，效果更好，也减少了前期的操作步骤，同时提高喷头的使用寿命，且降低了喷射噪音。

本发明提到的一种水力喷射与铁砂喷射的混合实验系统，其技术方案是：包括高压供液系统、铁砂喷射生成系统、铁砂喷射控制系统、铁砂回收系统和支架系统，所述高压供液系统包括水箱（1）、净化系统（2）、高压泵（3）、压力调节阀（4）和高压管（8），水箱（1）中的液体水经过净化系统（2）处理后被高压泵（3）增压，并通过压力调节阀（4）和高压管（8）输送至铁砂喷射生成系统；

所述铁砂喷射生成系统包括铁砂罐（5）、液压马达（6）、铁砂喷射器（7）、混料罐（17）、节流阀（19）和铁砂出料阀（23），高压水经过节流阀（19）进入铁砂罐（5），调节压力调节阀（4），当压力到达实验设定值时，打开铁砂出料阀（23），铁砂与高压水在混料罐（17）内形成高压铁砂两相流，进入铁砂喷射器（7）；

所述铁砂喷射控制系统包括液压控制器（9）、控制柜（10）、液压油管（24），控制柜（10）通过液压油管（24）连接液压控制器（9），通过液压控制器（9）带动液压马达（6）动作；

铁砂回收系统采用磁回收机（11），通过磁回收机（11）连接到实验箱（16），实验箱内通过夹持器（14）固定工件（15），铁砂喷射器（7）下侧的喷头（13）对准工件（15）进行喷射；支架系统包括上支撑板（12）、支撑杆（18）和底座（20）。

优选的，上述铁砂喷射器（7）包括上接头（7.1）、芯轴（7.2）、压盖（7.3）、上密封圈（7.4）、上盘根（7.5）、弹簧（7.6）、快速接头（7.7）、套筒主体（7.8）、注油孔（7.9）、挡圈（7.10）、下密封圈（7.11），所述的芯轴（7.2）安装在套筒主体（7.8）内腔，且套筒主体（7.8）的底部通过快速接头（7.7）连接喷头（13），芯轴（7.2）的顶部设有上接头（7.1），在芯轴（7.2）与套筒主体（7.8）之间设有压盖（7.3）、上密封圈（7.4）、上盘根（7.5）、弹簧（7.6）、挡圈（7.10）、下密封圈（7.11），压盖（7.3）的下部设有上密封圈（7.4），上密封圈（7.4）的下侧设有上盘根（7.5），上盘根（7.5）下侧设有弹簧（7.6），弹簧（7.6）处的外壁上设有注油孔（7.9），注油孔（7.9）外侧设有螺帽固定。

优选的，上述喷头（13）的外形为锥形结构，内腔设有四段结构，由上到下依次是：第一筒形腔体（13.1）、第二锥形腔体（13.2）、第三筒形腔体（13.3）、第四锥形腔体（13.4），其中，第一筒形腔体（13.1）的内径大于第三筒形腔体（13.3）的内径，第二锥形腔体（13.2）的内径大于第四锥形腔体（13.4）的内径。

优选的，上述喷头（13）采用高硬度耐磨材料制成的喷头，其高硬度耐磨材料的制作配方如下：氧化铝粉80-100份、氧化钇粉3-8份、碳酸氢钙1-2份、滑石粉1-3份、氧化锆1-3份、油酸0.01-0.03份、石蜡0.04-0.05份。

优选的，上述夹持器（14）的下侧为夹持器座（26），夹持器座（26）与夹持器（14）通过四个丝杠（27）连接，实现升降的微调；所述夹持器座（26）的一侧设有连接杆（26.2），连接杆（26.2）的外端设有操作把手（26.3），实现左右水平方向的微调，所述夹持器座（26）的两侧设有斜角铲（26.1）。

优选的，上述夹持器（14）上设有两条挤压条（14.2），所述挤压条（14.2）的一端与夹持器（14）活动连接，另一端通过卡扣（14.4）固定，且所述挤压条（14.2）将工件（15）的两侧固定在夹持器（14）上表面。

优选的，上述实验箱（16）的内壁设有降噪层，降噪层采用耐高温玻璃纤维布、橡胶层与不锈钢钢网组成，制作时，不锈钢钢网放入金属脱脂剂中脱脂60-90分钟，并进一步在温度为80度的环境中快速干燥20分钟，然后，将耐高温玻璃纤维布、橡胶层与不锈钢钢网缝制在一起，形成降噪层。

优选的，上述实验箱（16）通过管线和循环泵（25）连接到水箱（1），实现水的循环利用；所述压力调节阀（4）的一侧通过回流管（21）连通水箱（1）；所述节流阀（19）的上侧通过分流阀（22）连接到铁砂罐（5）。

本发明提到的一种机械焊接应力消除的实验方法，其特征是包括以下步骤：

一）将焊接好的工件（15）固定在夹持器（14）上，夹持器（14）安装在实验箱（16）内腔底部；

二）打开控制柜（10），操作液压控制器（9），使铁砂喷射器（7）靠近待处理的工件（15）上方；

三）启动高压泵（3），对经过净水系统（2）处理后的水进行增压；

四）高压水经高压管线（8），进入节流阀（19）和铁砂罐（5），利用流态化和静压平衡原理先使铁砂罐（5）中的磨料局部流态化，然后调节铁砂罐（5）下方的节流阀（19），改变铁砂罐（5）上下的压差，从而控制加入到管线中的铁砂用量；

五）随后调节压力调节阀（4），当压力到达实验设定值时，打开铁砂出料阀（23），铁砂与高压水在混料罐（17）内形成高压铁砂两相流，进入铁砂喷射器（7），经射流喷头（13）加速后形成高速铁砂射流；同时打开循环泵（25），将实验箱（16）的水打入水箱（1），实现水的循环利用；

六）操作液压控制器（9），使铁砂喷射器（7）移动至待处理工件（15）处，并按照实验设定的要求喷射工件（15）上的焊缝；

七）待实验结束，关闭高压泵（3），关闭控制（10），取出处理完的工件；

八）打开磁回收机（11），对磁性铁砂进行回收。

本发明的有益效果是：本发明采用高压水射流与铁砂配合的方法，其中，高压水携带铁砂同时对焊缝表面进行喷射，其携带的巨大冲击压应力在焊缝表层产生足够的塑性变形，使残余应力得到更好的松弛；与现有的单独采用水射流或者单独使用磨料进行冲击相比，二者混合在一起同步使用，可以起到更好的消除应力的效果，通过高压水携带铁砂进行喷射，可使工件的焊缝处的疲劳强度提高90%，全面消除焊缝处的内应力，与传统焊接应力的消除方法相比，具有效果好、成本低、无污染、操作简单、容易对死角部位进行处理；

另外，通过采用高强度耐磨的喷头，可大幅度提高喷头的使用寿命，减轻喷头的磨损量，再者，采用第一筒形腔体、第二锥形腔体、第三筒形腔体、第四锥形腔体组成的两级缩小的内腔，由第一筒形腔体、第二锥形腔体组成第一级增压结构，实现铁砂和高压水的一次压力提升；再通过第三筒形腔体、第四锥形腔体组成的第二级增压结构，可以进一步提高喷射压力，避免一次达到喷射要求所产生的强大的压力冲击，而且采用高硬度耐磨的材料，可以大幅度提高喷头的使用寿命，并且也容易制作，便于大规模推广使用；

再者，本发明的夹持器可以通过丝杠与夹持器座的配合实现上下方向的微调，夹持器座通过连接杆和操作把手实现夹持器座的水平方向的位移，这样，就可以对焊缝实现更好的喷射，另外，夹持器座的外侧设有斜角铲，可以对沉积的铁砂层进行刮除，不仅使夹持器座的移动更加容易，而且，可以同时铁砂长时间沉积，造成难以回收的问题，进而提高整个实验效果；

还有，实验箱的内壁设有降噪层，进一步降低了喷射的噪音。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是铁砂喷射器的结构示意图；

附图3是喷头的结构示意图；

附图4是夹持器和工件的俯视图；

附图5是夹持器和夹持器座和工件的侧视图；

上图中：水箱1、净化系统2、高压泵3、压力调节阀4、铁砂罐5、液压马达6、铁砂喷射器7、高压管8、液压控制器9、控制柜10、磁回收机11、上支撑板12、喷头13、夹持器14、工件15、实验箱16、混料罐17、支撑杆18、节流阀19、底座20、回流管21、分流阀22、铁砂出料阀23、液压油管24、循环泵（25）、夹持器座（26）、丝杠（27）、支撑座28、活动上盖29；

上接头（7.1）、芯轴（7.2）、压盖（7.3）、密封弹簧（7.4）、推力轴承（7.5）、挡块（7.6）、向心轴承（7.7）、套筒主体（7.8）、注油孔（7.9）、挡圈（7.10）、密封圈（7.11）、快速接头（7.12）；第一筒形腔体（13.1）、第二锥形腔体（13.2）、第三筒形腔体（13.3）、第四锥形腔体（13.4）；夹持器主体（14.1）、挤压条（14.2）、销轴14.3、卡扣（14.4），斜角铲（26.1）、连接杆（26.2）、操作把手（26.3）。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提到的一种水力喷射与铁砂喷射的混合实验系统，其技术方案是：包括高压供液系统、铁砂喷射生成系统、铁砂喷射控制系统、铁砂回收系统和支架系统，所述高压供液系统包括水箱（1）、净化系统（2）、高压泵（3）、压力调节阀（4）和高压管（8），水箱（1）中的液体水经过净化系统（2）处理后被高压泵（3）增压，并通过压力调节阀（4）和高压管（8）输送至铁砂喷射生成系统；

所述铁砂喷射生成系统包括铁砂罐（5）、液压马达（6）、铁砂喷射器（7）、混料罐（17）、节流阀（19）和铁砂出料阀（23），高压水经过节流阀（19）进入铁砂罐（5），调节压力调节阀（4），当压力到达实验设定值时，打开铁砂出料阀（23），铁砂与高压水在混料罐（17）内形成高压铁砂两相流，进入铁砂喷射器（7）；

所述铁砂喷射控制系统包括液压控制器（9）、控制柜（10）、液压油管（24），控制柜（10）通过液压油管（24）连接液压控制器（9），通过液压控制器（9）带动液压马达（6）沿着支撑座28外侧设有的轨道上下移动，使铁砂喷射器（7）能够移进实验箱（16）或者移出实验箱（16），此处的液压马达（6）的外壁设有与支撑座28外侧设有的轨道配合的轨道槽；液压控制器（9）与液压马达（6）之间的液压油管（24）采用柔性可伸缩的管道，可以跟随液压马达（6）上下移动，进而带动铁砂喷射器的上下移动。

铁砂回收系统采用磁回收机（11），通过磁回收机（11）连接到实验箱（16），实验箱内通过夹持器（14）固定工件（15），铁砂喷射器（7）下侧的喷头（13）对准工件（15）进行喷射；支架系统包括上支撑板（12）、支撑杆（18）和底座（20），磁回收机（11）采用市售的磁选机即可完成；需要说明的是，实验箱（16）的内壁设有降噪层。

其中，实验箱（16）通过管线和循环泵（25）连接到水箱（1），实现水的循环利用，压力调节阀（4）的一侧通过回流管（21）连通水箱（1）；节流阀（19）的上侧通过分流阀（22）连接到铁砂罐（5）。

参照附图2，本发明提到的所述铁砂喷射器（7）包括上接头（7.1）、芯轴（7.2）、压盖（7.3）、上密封圈（7.4）、上盘根（7.5）、弹簧（7.6）、快速接头（7.7）、套筒主体（7.8）、注油孔（7.9）、挡圈（7.10）、下密封圈（7.11），所述的芯轴（7.2）安装在套筒主体（7.8）内腔，且套筒主体（7.8）的底部通过快速接头（7.7）连接喷头（13），芯轴（7.2）的顶部设有上接头（7.1），在芯轴（7.2）与套筒主体（7.8）之间设有压盖（7.3）、上密封圈（7.4）、上盘根（7.5）、弹簧（7.6）、挡圈（7.10）、下密封圈（7.11），压盖（7.3）的下部设有上密封圈（7.4），上密封圈（7.4）的下侧设有上盘根（7.5），上盘根（7.5）下侧设有弹簧（7.6），弹簧（7.6）处的外壁上设有注油孔（7.9），注油孔（7.9）外侧设有螺帽固定。使用时，芯轴（7.2）可以实现上下左右的移动，当需要转动时，套筒主体（7.8）可以绕芯轴转动，通过注油孔注入润滑油，在弹簧的作用下，向上通过上盘根流入上密封圈，保持密封；向下通过挡圈（7.10）进入下密封圈（7.11），形成密封，这样，高压水和铁砂可以顺利通过芯轴（7.2）进入喷头13增压而不会流出，而且，通过注油孔注入润滑油，可以不用停实验设备就可以操作，避免了需要临时停机润滑造成的实验中止问题。

参照附图3，本发明提到的喷头（13）的外形为锥形结构，内腔设有四段结构，由上到下依次是：第一筒形腔体（13.1）、第二锥形腔体（13.2）、第三筒形腔体（13.3）、第四锥形腔体（13.4），其中，第一筒形腔体（13.1）的内径大于第三筒形腔体（13.3）的内径，第二锥形腔体（13.2）的内径大于第四锥形腔体（13.4）的内径；本发明由第一筒形腔体、第二锥形腔体组成第一级增压结构，实现铁砂和高压水的一次压力提升；再通过第三筒形腔体、第四锥形腔体组成的第二级增压结构，可以进一步提高喷射压力，避免一次达到喷射要求所产生的强大的压力冲击，而且喷头（13）的内腔采用高硬度耐磨的材料，适合水携带铁砂喷射，可以大幅度提高喷头的使用寿命，并且该喷头也容易制作，便于大规模推广使用。

另外，本发明提到的高硬度耐磨材料的制作配方如下：氧化铝粉80-100份、氧化钇粉3-8份、碳酸氢钙1-2份、滑石粉1-3份、氧化锆1-3份、油酸0.01-0.03份、石蜡0.04-0.05份，形成的内腔既耐磨而且硬度也非常高，通过模具方便制造出四个腔体的结构；另外，四个腔体组成的两级增压系统，相比一级增压喷头，不仅增压效果提升，而且降低了对喷头的冲击，也降低了只有一级增压喷头产生的较大噪音，改善了实验环境。

该高强度耐磨材料的制作工艺如下，按重量份：

1）将氧化铝粉80-100份、氧化钇粉3-8份、碳酸氢钙1-2份、滑石粉1-3份、氧化锆1-3份磨至粒度为1µm，出磨，喷雾造粒，制超细粉体；

3）a.将100重量份的超细粉体放入成球机，加入石蜡0.04-0.05份，搅拌混合均匀，过筛，制得粒径为粒度1--10µm粉料；

b将（a）粉料倒入制浆灌，开动加热及搅拌，观察搅拌混合均匀，抽真空度0.1---0.01atm，温度达到80℃时，出浆，装入喷头模具中。

4）排胶：在梭式窑中通过加热吸附剂去除坯件所含粘合剂，排胶温度1000--1100°C。

5）烧成工序，按照下列烧成曲线进行：窑炉内50℃/h的速度从常温升至300℃，然后以80℃/h升温至1200℃，保温1小时；然后以90℃/h升温至1750℃，保温2小时后，自然降温至300℃，出窑制成高强度耐磨的喷头内腔。

参照附图4-5，本发明的夹持器（14）的下侧为夹持器座（26），夹持器座（26）与夹持器（14）通过四个丝杠（27）连接，丝杠（27）与带螺纹的夹持器（14）配合，实现实验中的夹持器的升降微调，提高实验的准确度，也使焊缝得到更好的残余应力的消除；所述夹持器座（26）的一侧设有连接杆（26.2），连接杆（26.2）的外端设有操作把手（26.3），并通过在实验箱的外壁中设置螺纹孔，与连接杆（26.2）外壁的螺纹配合，使连接杆实现左右水平方向的微调，也使焊缝的各个部位得到喷头的喷射，所述夹持器座（26）的两侧设有斜角铲（26.1），斜角铲的底部与实验箱的底部表面平行接触，这样，可以对沉积的铁砂层进行刮除，不仅使夹持器座的移动更加容易，而且，可以同时铁砂长时间沉积，造成难以回收的问题。

本发明的夹持器可以通过丝杠与夹持器座的配合实现上下方向的微调，夹持器座通过连接杆和操作把手实现夹持器座的水平方向的位移，这样，就可以对焊缝15.1实现更好的喷射，当然，此处实验箱的侧壁的螺纹孔处还设有密封装置，避免连接杆穿过侧壁造成漏液；另外，夹持器座的外侧设有斜角铲，斜角铲的底部与实验箱的底部表面平行接触，这样，可以对沉积的铁砂层进行刮除，不仅使夹持器座的移动更加容易，而且，可以同时铁砂长时间沉积，造成难以回收的问题。

还有，本发明的夹持器（14）上设有两条具有弹性的挤压条（14.2），所述挤压条（14.2）的一端通过销轴14.3与夹持器（14）活动连接，另一端通过卡扣（14.4）固定，通过两条挤压条（14.2）将工件（15）的两侧固定在夹持器主体（14.1）的上表面。

再者，本发明提到的实验箱（16）的内壁设有降噪层，并在顶部设有活动上盖29，虽然喷头经过改造，已经大大降低了喷射的噪音，但是喷射出来的液体和铁砂在遇到焊缝时，再反弹，又会出现一些噪音，这时，采用带有降噪层的实验箱（16），并且在实验中，将活动上盖翻折形成上部开口较小的结构，可以进一步降低喷射噪音；实验箱中的降噪层采用耐高温玻璃纤维布、橡胶层与不锈钢钢网组成，其中，不锈钢钢网放入市售的金属脱脂剂中脱脂60-90分钟，并进一步在温度为80度的环境中快速干燥20分钟，然后，将耐高温玻璃纤维布、橡胶层与不锈钢钢网缝制在一起，形成降噪层。使用时，不锈钢钢网一侧与实验箱（16）的内壁结合，喷射液体反弹后遇到耐高温玻璃纤维布和橡胶层实现了降噪，效果较好。

另外，本发明提到的一种机械焊接应力消除的实验方法，包括以下步骤：

一）将焊接好的工件（15）固定在夹持器（14）上，夹持器（14）安装在实验箱（16）内腔底部；并将活动上盖翻起，使实验箱的上开口缩小；

二）打开控制柜（10），操作液压控制器（9），使铁砂喷射器（7）靠近待处理的工件（15）上方；磁回收机（11）通过管线从实验箱的上开口连接到实验箱（16）内腔；并且，实验箱（16）的内腔通过管线和循环泵（25）连接到水箱（1）；

三）启动高压泵（3），对经过净水系统（2）处理后的水进行增压；水箱（1）内设有过滤网（1.1），对实验箱循环抽入的水先进行粗滤，再通过净水系统（2）进行细滤净化；

四）高压水经高压管线（8），进入节流阀（19）和铁砂罐（5），通过调节铁砂罐（5）下方的节流阀（19），改变铁砂罐（5）上下的压差，从而控制加入到管线中的铁砂用量；

五）随后调节压力调节阀（4），当压力到达实验设定值时，打开铁砂出料阀（23），铁砂与高压水在混料罐（17）内形成高压铁砂两相流，进入铁砂喷射器（7），经射流喷头（13）加速后形成高速铁砂射流；同时打开循环泵（25），将实验箱（16）的水打入水箱（1），实现水的循环利用；

六）操作液压控制器（9），使铁砂喷射器（7）移动至待处理工件（15）处，并按照实验设定的要求喷射工件（15）上的焊缝；需要微调时，通过丝杠（27）与带螺纹的夹持器（14）配合，实现实验中的升降；通过操作把手旋转，带动连接杆的左右移动，实现水平方向的微调；

七）待实验结束，关闭高压泵（3），关闭控制（10），取出处理完的工件；

八）打开磁回收机（11），对磁性铁砂进行回收。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。