用于降低全场焊接残余应力的高压水射流喷嘴及装置的制作方法

本发明涉及降低全场焊接残余应力技术领域，具体涉及一种用于降低全场焊接残余应力的高压水射流喷嘴及装置。

背景技术：

焊接是压力容器制造过程中一种重要的连接工艺，然而焊接完成后，由于压力容器在焊接热过程中由于焊接温度场的连续加热和冷却产生拉伸和收缩变形，从而使压力容器焊缝受到约束而产生的残留在焊接接头中的残余应力。焊接残余应力的存在对压力容器的结构完整性有很大的影响，尤其是残余拉应力的存在能加速焊接接头的疲劳失效和应力腐蚀开裂失效。因此，采用合理的残余应力调控方法降低焊接接头处的残余拉应力对保障压力容器的安全运行具有重要意义。

高压水射流喷丸是一种新型的降低焊接残余应力的表面处理方法，它具有操作方便、节能、环保、能实现死角位置焊接接头残余应力消除操作的优点，目前越来越受到众多研究学者和技术人员的重视。已有研究表明，经高压水射流喷丸处理后的焊接接头表面残余拉应力能降低为残余压应力。但是，目前的高压水射流喷丸处理装置大多经清洗和切割用的高压水射流装置改进而来，其水射流喷嘴直径往往较小，导致在受喷丸构件上形成的水射流喷丸处理面积较小。而压力容器焊缝数量多，水射流喷丸处理的面积极大，若采用传统水射流喷嘴处理压力容器焊接残余应力则效率太低，不符合目前现代制造工业的高效率要求。若单纯增大水射流喷嘴直径，则导致水射流压力低，不能产生很好的残余应力消除效果。因此，有待于开发一种可实现全场焊接残余应力的高压水射流喷嘴结构，以此提高压力容器焊接残余应力消除工艺的工作效率。

技术实现要素：

基于上述背景技术，为了提高高压水射流喷丸降低压力容器焊接残余应力的工作效率，本发明的目的是提供一种用于降低全场焊接残余应力的高压水射流喷嘴；本发明的另一目的是提供一种用于降低全场焊接残余应力的高压水射流装置。

本发明采用以下的技术方案：

作为其中的一个方面，一种用于降低全场焊接残余应力的高压水射流喷嘴，包括进水段、空化段和出水段，所述进水段包括进水端口和上部空化腔，所述进水端口为上宽下窄的锥形筒状，其尾端为进水端收缩端口，进水端口通过进水端收缩端口与上部空化腔相通；

所述空化段包括下部空化腔、夹持端和最终引入端上部，最终引入端上部的上段为上宽下窄的锥形筒状，下段为最终引入端口；

空化段的上端与进水段的下端相连，将上部空化腔与下部空化腔相接形成完整的空化腔，空化腔直径为进水端收缩端口直径的3～5倍；

所述出水段包括位于其上段的最终引入端下部和位于其下段的出口，出水段与所述夹持端可拆卸相连，将最终引入端上部与最终引入端下部相接形成完整的最终引入端；所述出口为上窄下宽的椭圆形锥形筒状。

上述技术方案中，高压水进入水射流喷嘴进水端口，而后经进水端收缩端口进入上部空化腔，进而进入空化腔，使水射流产生自空化效应，以此增强水射流的打击压力。

高压水自下部空化腔进入最终引入端上部，进而进入最终引入端，到达水射流喷嘴出口。

不同水射流喷嘴所具有的出水段不一致，具体表现在出口端半长轴距离a和水射流喷嘴出口端半短轴距离b不一致，在实际应用中可根据需求进行调整。

优选地，所述进水端口的进水端收缩角θ2为15°～30°；所述最终引入端上部的上段的最终引入端收缩角θ3为90°～120°。

优选地，所述进水端收缩端口直径为1～2mm；所述最终引入端口直径为0.3～0.5mm。

该优选技术方案直接带来的技术效果是：可使水射流在空化腔内产生较好的空化现象，并可将产生的带有空化气泡的水射流顺利引出至水射流喷嘴出水段，从而使喷出的水射流含有一定的空化气泡，增大了水射流作用在受喷工件上的打击力，提高残余应力消除效果。

优选地，所述出口的出口端半长轴距离a为出口端半短轴距离b的3～5倍；出口端半短轴距离b为1～2mm。

优选地，进水段、空化段和出水段之间通过螺纹等方式连接；进水端口高度h1为10-15mm；空化腔高度h2为15-20mm；单最终引入端高度h3为5-10mm；出口端高度h4为20-40mm。

该优选技术方案直接带来的技术效果是：使经空化腔产生的空化射流经水射流喷嘴出水段后仍为空化射流，保证了水射流稳定的打击力；且喷射出的水射流成扇形分布，增大了水射流作用在受喷工件上的打击力面积，提高了残余应力消除效率；另一方面，进水段、空化段和出水段之间可拆卸连接，方便空化段维修和更换，并根据实际残余应力消除工况选用不同型号的喷嘴出水段，实现不同焊接接头尺寸下残余应力消除。

作为其中的另一个方面，一种用于降低全场焊接残余应力的高压水射流装置，包括上述用于降低全场焊接残余应力的高压水射流喷嘴，还包括水射流喷嘴支撑系统、脉冲射流发生系统和水射流喷嘴主通道；

所述水射流喷嘴支撑系统包括水射流喷丸移动小车和设置在水射流喷丸移动小车上的水射流喷嘴移动支撑架；

所述水射流喷嘴主通道安装在所述水射流喷嘴移动支撑架上，其一端连接至高压水射流进水管道，另一端与高压水射流喷嘴相连，通过水射流喷丸移动小车的移动带动水射流喷嘴移动支撑架、水射流喷嘴主通道进而带动高压水射流喷嘴移动。

上述技术方案中，高压水自主通道进入高压水射流喷嘴的进水端口，而后经收缩端进入上部空化腔，使水射流产生自空化效应，以此增强水射流的打击压力。

进一步地，所述高压水射流喷嘴为多个，每个高压水射流喷嘴上均设有水射流喷嘴流量控制阀。

进一步地，所述水射流喷嘴主通道包括主通道进水段、主通道脉冲发生段和若干个主通道出水段，水射流喷嘴主通道通过每个主通道出水段分别与每个高压水射流喷嘴一一相通，主通道进水段为前宽后窄的圆锥形，高压水射流自主通道进水段进入，而后经主通道脉冲发生段，产生脉冲射流，最后经主通道出水段流至各单个高压水射流喷嘴。

进一步地，所述水射流喷嘴主通道上还设有控制各自单个高压水射流喷嘴的流量调节阀，用以控制每个高压水射流喷嘴的开启与关闭。

进一步地，所述主通道进水段的主通道进水段收缩角θ1为5°～10°。

进一步地，相邻主通道出水段间的中心距l为5-10mm。

上述技术方案中，高压水射流自主通道进水段进入，而后经主通道脉冲发生段，产生脉冲射流，最后经主通道出水段流至各单个高压水射流喷嘴。在水射流喷嘴主通道上安装了控制各自单个高压水射流喷嘴的流量调节阀，控制每个高压水射流喷嘴的开启与关闭。主通道进水段为圆锥形，主通道进水段收缩角θ1为5°～10°，相邻主通道出水段间的距离l为5-10mm。

进一步地，还包括脉冲射流发生系统，所述脉冲射流发生系统包括脉冲发生器和与脉冲发生器控制相连的超声发生装置，所述脉冲发生器与主通道脉冲发生段相连。

本发明具有的有益效果是：

可以一次性实现全场焊接残余应力的调控，大大提高了高压水射流喷丸降低压力容器焊接残余应力的工作效率；且残余应力消除效果好。

附图说明

图1为高压水射流喷嘴装配结构示意图；

图2为进水段结构示意图；

图3为空化段结构示意图；

图4为出水段结构示意图；

图5为出口的出口端俯视结构示意图；

图6为具有高压水射流喷嘴结构的高压水射流装置处理焊接接头示意图；

图7为水射流喷嘴主通道结构示意图。

其中，1为焊缝；2为热影响区；3为残余拉应力区；4为焊接接头试样；5为高压水射流进水管道；6为水射流喷嘴移动支撑架；7为脉冲发生器；8为超声发生装置；9为流量调节阀；10为水射流喷嘴主通道；11为进水段；12为空化段；13为出水段；14为主通道进水段；15为主通道脉冲发生段；16为主通道出水段；17为进水端口；18为上部空化腔；19为下部空化腔；20为夹持端；21为最终引入端下部；22为出口；23为水射流喷丸移动小车；24为水射流喷嘴流量控制阀；25为最终引入端上部；

h1为进水端口高度；h2为空化腔高度；h3为最终引入端高度；h4为出口端高度；

θ1为主通道进水段收缩角；θ2为进水端收缩角；θ3为最终引入端收缩角；

为进水端收缩端口直径；为最终引入端口直径；为空化腔直径；

a为出口端半长轴距离；b为出口端半短轴距离；l为相邻主通道出水段间的距离。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明：

请参见图1至图4，一种用于降低全场焊接残余应力的高压水射流喷嘴，包括进水段11、空化段12和出水段13，所述进水段11包括进水端口17和上部空化腔18，所述进水端口17为上宽下窄的锥形筒状，其尾端为进水端收缩端口，进水端口17通过进水端收缩端口与上部空化腔18相通；

所述空化段12包括下部空化腔19、夹持端20和最终引入端上部25，最终引入端上部25的上段为上宽下窄的锥形筒状，下段为最终引入端口；

空化段12的上端与进水段11的下端相连，将上部空化腔18与下部空化腔19相接形成完整的空化腔，空化腔直径为进水端收缩端口直径的3～5倍；

所述出水段13包括位于其上段的最终引入端下部21和位于其下段的出口22，出水段13与所述夹持端20可拆卸相连，将最终引入端上部25与最终引入端下部21相接形成完整的最终引入端；所述出口22为上窄下宽的椭圆形锥形筒状。

请参见图2，高压水进入水射流喷嘴进水端口17，而后经进水端收缩端口进入上部空化腔18，进而进入空化腔，使水射流产生自空化效应，以此增强水射流的打击压力。

请参见图3和图4，高压水自下部空化腔19进入最终引入端上部25，进而进入最终引入端，到达水射流喷嘴出口22。

请参见图5，不同水射流喷嘴所具有的出水段13不一致，具体表现在出口端半长轴距离a和水射流喷嘴出口端半短轴距离b不一致，在实际应用中可根据需求进行调整。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述进水端口17的进水端收缩角θ2为15°～30°；所述最终引入端上部25的上段的最终引入端收缩角θ3为90°～120°。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述进水端收缩端口直径为1～2mm；所述最终引入端口直径为0.3～0.5mm。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述出口22的出口端半长轴距离a为出口端半短轴距离b的3～5倍。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述出口22的出口端半短轴距离b为1～2mm。

请参见图1，作为其中的一个实施例，进一步地，进水段11、空化段12和出水段13之间通过螺纹等方式连接；进水端口高度h1为10-15mm；空化腔高度h2为15-20mm；单最终引入端高度h3为5-10mm；出口端高度h4为20-40mm。

请参见图6，一种用于降低全场焊接残余应力的高压水射流装置，包括上述任一所述用于降低全场焊接残余应力的高压水射流喷嘴，还包括水射流喷嘴支撑系统、脉冲射流发生系统和水射流喷嘴主通道10；

所述水射流喷嘴支撑系统包括水射流喷丸移动小车23和设置在水射流喷丸移动小车23上的水射流喷嘴移动支撑架6；

所述水射流喷嘴主通道10安装在所述水射流喷嘴移动支撑架6上，其一端连接至高压水射流进水管道5，另一端与高压水射流喷嘴相连，通过水射流喷丸移动小车23的移动带动水射流喷嘴移动支撑架6、水射流喷嘴主通道10进而带动高压水射流喷嘴移动。

高压水自主通道进入高压水射流喷嘴的进水端口17，而后经收缩端进入上部空化腔18，使水射流产生自空化效应，以此增强水射流的打击压力。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述高压水射流喷嘴为多个，每个高压水射流喷嘴上均设有水射流喷嘴流量控制阀24。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述水射流喷嘴主通道10包括主通道进水段14、主通道脉冲发生段15和若干个主通道出水段16，水射流喷嘴主通道10通过每个主通道出水段16分别与每个高压水射流喷嘴一一相通，主通道进水段14为前宽后窄的圆锥形，高压水射流自主通道进水段14进入，而后经主通道脉冲发生段15，产生脉冲射流，最后经主通道出水段16流至各单个高压水射流喷嘴。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述水射流喷嘴主通道10上还设有控制各自单个高压水射流喷嘴的流量调节阀9，用以控制每个高压水射流喷嘴的开启与关闭。

作为其中的一个实施例，进一步地，所述主通道进水段14的主通道进水段收缩角θ1为5°～10°。

作为其中的一个实施例，进一步地，相邻主通道出水段16间的中心距l为5-10mm。

请参见图7，高压水射流自主通道进水段14进入，而后经主通道脉冲发生段15，产生脉冲射流，最后经主通道出水段16流至各单个高压水射流喷嘴。在水射流喷嘴主通道10上安装了控制各自单个高压水射流喷嘴的流量调节阀9，控制每个高压水射流喷嘴的开启与关闭。主通道进水段14为圆锥形，主通道进水段收缩角θ1为5°～10°，相邻主通道出水段间的距离l为5-10mm。

作为其中的一个实施例，进一步地，还包括脉冲射流发生系统，所述脉冲射流发生系统包括脉冲发生器7和与脉冲发生器7控制相连的超声发生装置8，所述脉冲发生器7与主通道脉冲发生段15相连。

含高压水射流喷嘴的高压水射流装置处理焊接接头操作过程如下：

首先对焊接接头4进行区域划分，分为焊缝区1、热影响区2和拉应力区3，根据各区域宽度，合理选择选用的喷嘴数量及单个喷嘴流量大小，喷嘴数量根据拉应力区3的宽度选择，单个喷嘴流量大小根据拉应力值大小选择，通过单个水射流喷嘴流量控制阀24控制。

选择好水射流喷嘴个数和流量大小后，关闭其他不使用的水射流流量调节阀9，通过水射流喷嘴移动支撑架6调节高压水射流喷嘴距离待喷构件的高度，开启水射流喷丸移动小车23，使高压水射流喷嘴沿焊缝1平行方向移动，当整个焊缝喷丸处理完成后，即完成了整个焊接接头残余应力消除的处理。

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。