高压水射流消除材料内部残余应力喷嘴系统及方法
【技术领域】
[0001]高压水射流消除材料内部残余应力喷嘴系统及方法，属于焊接技术领域。
【背景技术】
[0002]金属材料在冷、热加工过程中不可避免的在材料内部产生残余应力。残余应力对结构的疲劳强度、应力腐蚀、屈服强度、使用寿命等方面均有较大的影响。焊接接头处往往出现残余应力集中的现象。针对这一现象国内外专家提出多种控制焊接残余应力的方法。其中对焊缝区域施加交变循环载荷可以更加有效地降低焊接残余应力。以往利用高压水射流技术消除焊接残余应力使用的方法为水射流垂直作用在工件表面，并使用极高的工作压力对工件的焊接残余应力进行消除，这在实际应用中极为困难，同时仅对焊缝区域施加向下的冲击载荷对残余应力的消除效果不够明显。
[0003]目前应用于高压水射流强化技术对金属材料进行强化的水射流设备中喷嘴设计的喷射角度均为单一方向，想要实现喷射角度的改变需要借助数控机械臂或者大范围对工作台进行改动。而以上方法不仅结构复杂、制造成本高，同时操作复杂不利于实际的加工过程。目前市面上应用广泛的角度可变水射流喷嘴为球形喷嘴，但是这种喷嘴只能用于清洗、喷淋、灭尘等相关行业中的低压应用。因此结构上无法满足消除残余应力所需的高压水射流环境。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种结构简单、工作效率高，对材料施加交变拉压循环载荷，可以更好地对工件内部焊接残余应力进行松弛的高压水射流消除材料内部残余应力喷嘴系统及方法。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:该高压水射流消除材料内部残余应力喷嘴系统，其特征在于:包括两个平行设置的喷射臂，每个喷射臂的下侧间隔设有多个喷嘴，两个喷射臂上的喷嘴交错设置，一个喷射臂上的喷嘴向另一喷射臂一侧倾斜设置，喷射臂的一端还连接有用于连接供水管路的芯轴，芯轴与喷射臂转动连接。喷射臂工件行走后，两个喷射臂上交错的喷嘴喷出的水射流对材料施加交变拉压循环载荷，可以更好地对工件内部焊接残余应力进行松弛，不需要交替变换水射流的压力，而且多个喷嘴能够施加连续的交变拉压循环载荷，不需要往复行走，显著提高了工作效率。
[0006]优选的，两个喷射臂通过角度调整机构连接。
[0007]优选的，所述角度调整机构包括连接杆、定位螺栓和定位螺母，两个连接杆的一端分别与喷射臂固定连接，连接杆的另一端开设有条形长孔，定位螺栓穿过两个连接杆的条形长孔与定位螺栓连接。
[0008]优选的，所述芯轴的一端套在喷射臂内侧，芯轴与喷射臂之间设有多层O型密封圈，0型密封圈的两侧设有液压密封挡圈。
[0009]优选的，所述喷射臂通过旋转套筒转动套在芯轴的外侧，O型密封圈和液压密封挡圈均套在芯轴与旋转套筒之间，旋转套筒与芯轴之间设有弹性密封装置，弹性密封装置推动旋转套筒轴向伸缩。
[0010]优选的，所述弹性密封装置包括压盖和密封弹簧，旋转套筒后端与喷射臂固定连接，芯轴从旋转套筒前端开口处伸入旋转套筒内，压盖固定在旋转套筒的前端开口处，旋转套筒外侧的芯轴直径小于旋转套筒内侧的芯轴直径并形成肩部，密封弹簧轴向设置在压盖与肩部之间。利用压盖固定密封弹簧，结构简单，安装方便，密封弹簧能够有效的吸收压力变化所产生的冲击，保证系统稳定运行。
[0011]优选的，在所述密封弹簧与肩部之间设有一推力轴承，旋转套筒上开设有给推力轴承加注润滑油的注油孔;推力轴承与O型密封圈之间的芯轴上还套设有抗灰尘挡圈。
[0012]优选的，所述喷嘴的入口处的内径大于出口处的内径，过渡段为流线型的喇叭状。
[0013]—种消除材料内部残余应力的方法，其特征在于:包括以下步骤:
将上述的喷嘴系统设置在工件表面上方，两个喷射臂设置在焊缝的两侧；
喷嘴与工件的垂直距离为50-100mm，喷嘴所喷出的水射流与工件表面呈30-60°角；
沿焊缝长度方向，喷嘴系统以0.1-0.3m/s的速度移动，两个喷射臂上交错的喷嘴喷出的水射流在焊缝区域形成交变循环载荷。
[0014]优选的，一个喷射臂接入压力为250_300MPa的高压水，另一个喷射臂接入压力为300-350MPa的高压水。
[0015]与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是:
1、喷射臂工件行走后，两个喷射臂上交错的喷嘴喷出的水射流对材料施加交变拉压循环载荷，可以更好地对工件内部焊接残余应力进行松弛，不需要交替变换水射流的压力，而且多个喷嘴能够施加连续的交变拉压循环载荷，不需要往复行走，显著提高了工作效率。
[0016]2、通过角度调整机构可以调整两个喷射臂的角度，根据不同材料的循环应变特性，选择合适的角度，能够适应各种材料，使用范围广。
[0017]3、在该高压水射流消除材料内部残余应力喷嘴系统工作和非工作两种状态下，O型密封圈所承受的压力相差非常大，而且芯轴中的水射流根据不同的材料选择不同的压力，一定时间后O型密封圈就会产生疲劳，而且压力变化后旋转套筒和喷射臂要承受较大的冲击，弹性密封装置可以轴向伸缩，适应压力变化对O型密封圈以及旋转套筒和喷射臂的冲击，有效的提高了使用寿命。
[0018]4、喷嘴的过渡段为流线型的喇叭状，这种喷嘴与其他传统形式的喷嘴相比可以有效地降低射流能量在喷嘴过渡段的能量损耗，使得射流具有更大的压力值与速度，提高加工效果。
[0019]5、两个喷射臂上的喷嘴喷出的水射流存在压力差，形成压力差更大的交变循环载荷，效果更好。
【附图说明】
[0020]图1为该高压水射流消除材料内部残余应力喷嘴系统的结构示意图。
[0021]图2为图1中A处的局部放大图。
[0022]图3为旋转套筒与芯轴的轴向剖视图。
[0023]图4为图3中B处的局部放大图。
[0024]图5为消除材料内部残余应力的方法的示意图。
[0025]其中:1、芯轴2、旋转套筒3、喷射臂4、喷嘴401、过渡段5、连接杆6、条形长孔7、定位螺栓8、定位螺母9、压盖10、密封弹簧11、推力轴承12、注油孔13、挡块14、向心轴承15、抗灰尘挡圈16、0型密封圈17、液压密封挡圈。
【具体实施方式】
[0026]图1?5是该高压水射流消除材料内部残余应力喷嘴系统的最佳实施例，下面结合附图1?5对本发明做进一步说明。
[0027]参照图1，该高压水射流消除材料内部残余应力喷嘴系统，包括两个平行设置的喷射臂3，每个喷射臂3的下侧间隔设有多个喷嘴4，两个喷射臂3上的喷嘴4交错设置，一个喷射臂3上的喷嘴4向另一喷射臂3—侧倾斜设置，喷射臂3的一端还连接有用于连接供水管路的芯轴I，芯轴I与喷射臂3转动连接。喷射臂3工件行走后，两个喷射臂3上交错的喷嘴4喷出的水射流对材料施加交变拉压循环载荷，可以更好地对工件内部焊接残余应力进行松弛，不需要交替变换水射流的压力，而且多个喷嘴4能够施加连续的交变拉压循环载荷，不需要往复行走，显著提高了工作效率。喷射臂3上的喷嘴4内径沿喷射臂3入水口一端至另一端逐渐缩小，可以保证各个喷嘴4所喷出的水射流的压力是相同的。
[0028]下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，然而熟悉本领域的人们应当了解，在这里结合附图给出的详细说明是为了更好的解释，本发明的结构必然超出了有限的这些实施例，而对于一些等同替换方案或常见手段，本文不再做详细叙述，但仍属于本申请的保护范围。
[0029]参照图2，两个喷射臂3通过角度调整机构连接，通过角度调整机构可以调整两个喷射臂3的角度，根据不同材料的循环应变特性，选择合适的角度，能够适应各种材料，使用范围广。具体的，本实施例中的角度调整机构包括连接杆5、定位螺栓7和定位螺母8，两个连接杆5的一端分别与喷射臂3固定连接，连接杆5的另一端开设有条形长孔6，定位螺栓7穿过两个连接杆5的条形长孔6与定位螺栓7连接。变换喷射角度时，先松开紧固定位螺母8使得定位螺栓7可以自由的在条形开口中滑动，转动两侧喷射臂3使喷射角度改变至理想位置。控制定