CN107354289A - 一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，包括控制系统、高压水射流输送泵、机械臂系统及喷嘴系统；喷嘴系统包括喷嘴，喷嘴与高压水射流输送泵相连，高压水射流输送泵为喷嘴供给高压水射流；机械臂系统包括第一机械臂及带动第一机械臂完成旋转动作、俯仰动作、升降动作的驱动装置，喷嘴设置在第一机械臂的前方；控制系统包括控制器及图像采集器，图像采集器设置在第一机械臂的前方，图像采集器与控制器相连并将采集到的图像信息实时传输至控制器。本发明机动灵活，自动化程度高，可用于降低不同种类、不同宽度的焊缝的残余应力。

Description

一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备。

背景技术

焊接时一种运用加热或加压手段、添加或不添加填充材料将构件不可拆卸的连接在一起或在基材表面堆敷覆盖层的加工工艺，它是现代生产中一种不可缺少的加工工艺，但焊接时有高度集中的瞬时热输入，导致整个构件温度场分布不均匀，在焊后不可避免地产生残余应力，焊接残余应力的存在将会严重影响焊件的加工制造及其焊接结构的使用性能。焊后接头的工作应力分布状态对材料的力学性能有着重大的影响，如在焊接件的长期使用过程中出现的脆性破坏和疲劳破坏等问题，它是通过残余应力改变的。此外，大量事例表明，焊接残余应力对结构的应力腐蚀开裂、机械加工精度、结构刚度和受压杆件稳定性等都对结构的完整性产生很大的影响。

如何有效地控制焊接残余应力一直以来都是国内外焊接学者关注的热点问题，目前控制焊接残余应力的常规方法有：焊后热处理、力学形变法(过载拉伸、振动时效、锤击、喷丸、爆炸处理等)和温差形变法。随着科学技术的发展相继又出现了低应力无变形法、瞬态拉伸焊接法、脉冲磁法、随焊碾压法和随焊锤击法等现代控制新方法。以上方法各有缺点，例如，焊后热处理消除应力效果较好但是需要消耗大量的能源和时间，对于奥氏体不锈钢而言需要采用昂贵的固溶处理，目前很多容器都未经热处理直接使用；振动时效方法虽然耗能小、周期短，却不适用于处理厚板等高刚性部件；机械作用法虽然应用较为广泛，但这些方法难以消除死角部位(如接管根部)的残余应力，使得断裂时效往往产生于死角位置。

利用高压水射流技术来降低焊接残余应力是一种新兴的方法，相较于上述常规方法而言，具有强化效果好、成本低、无污染、便于实现自动化和容易对狭窄、深凹槽部位进行强化等诸多优点。

专利ZL201410070760.X公开了一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法，其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以实现应力消除的目的。然而，在实际工况中，焊缝并不仅仅是直线型焊缝，还有角焊缝等，上述垂直喷射水射流的方式仅适用于直线型焊缝，其无法根据实际工况调整水射流束与焊缝之间的角度，而且，上述方法在面对不同宽度的焊缝时无法进行适应性调整，局限性大。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

发明内容

本发明为解决上述现有技术存在的问题，提供了一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，该设备机动灵活，可用于降低不同种类、不同宽度的焊缝的残余应力。

本发明所采用的技术方案为：

一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，包括控制系统、高压水射流输送泵、机械臂系统及喷嘴系统；喷嘴系统包括喷嘴，喷嘴与高压水射流输送泵相连，高压水射流输送泵为喷嘴供给高压水射流；机械臂系统包括第一机械臂及带动第一机械臂完成旋转动作、俯仰动作、升降动作的驱动装置，喷嘴设置在第一机械臂的前方；控制系统包括控制器及图像采集器，图像采集器设置在第一机械臂的前方，图像采集器与控制器相连并将采集到的图像信息实时传输至控制器。

所述驱动装置包括连接臂、第二机械臂、第一电机、第二电机、转盘及第三电机，连接臂的一端与第一机械臂转动连接、另一端与第二机械臂的上部转动连接，第一机械臂绕连接臂的转动由第一电机驱动，连接臂绕第二机械臂的转动由第二电机驱动，第二机械臂安装在转盘顶端，转盘与第三电机相连，且转盘在第三电机的带动下实现旋转。

所述第一、第二、第三电机均为行星电机，第一、第二、第三电机均与上述控制器相连。

所述利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备还包括喷嘴更换装置，喷嘴更换装置包括喷嘴库，喷嘴库上设置有多个待更换喷嘴以及一个或多个喷嘴空位，各待更换喷嘴的口径不同或部分相同。

所述喷嘴更换装置还包括喷嘴定位机构，喷嘴定位机构包括高压接管和喷嘴套筒，喷嘴套筒包括相连上套筒和下套筒，高压接管的下部螺纹连接于上套筒内，喷嘴的上部螺纹连接于下套筒内，喷嘴与高压接管相连通。

所述喷嘴更换装置还包括喷嘴自动锁紧机构，喷嘴自动锁紧机构包括凸轮及用于控制凸轮旋转的舵机，舵机与上述控制器相连；所述凸轮有两个，两个凸轮分别设置在下套筒下方两侧，舵机设置在下套筒上，当凸轮的远心端旋转至与喷嘴相接触时，喷嘴被凸轮锁死，当凸轮的远心端旋转至与喷嘴不相接触时，喷嘴解锁。

所述上、下套筒一体固连，所述喷嘴更换装置还包括用于控制上、下套筒旋转的第四电机，第四电机设置在上套筒或下套筒上，第四电机与上述控制器相连。

各所述喷嘴及待更换喷嘴的顶端分别设置有与高压接管相适配的定位凸起，喷嘴接入下套筒后，定位凸起卡入高压接管内。

所述机械臂系统还包括行走装置，行走装置包括底座及带动底座实现进给运动的行走机构，所述上述驱动装置整体安装在底座上。

所述行走机构包括导轨及设置在底座下方且与导轨相适配的行走轮，行走机构还包括齿轮、连接轴、与齿轮相适配的齿条以及用于驱动齿轮旋转的第五电机，第五电机与上述控制器相连，齿条与导轨平行设置，齿轮通过连接轴与底座相连，齿轮沿齿条滚动带动底座沿导轨移动。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

1、本发明中的设备工作时，通过图像采集器能够及时获取喷嘴与工件的图像信息，并将该信息传输至控制器，控制器通过各电机对机械臂作出控制，以实现对喷嘴与工件焊缝的位置角度的调整，设备在行走机构的带动下往复移动，喷嘴对焊缝进行2-3次高压水射流喷射，以达到降低焊缝残余应力的目的。与传统焊缝残余应力消除的设备相比，本发明具有结构简单、成本低、无污染、操作简单、自动化程度高和容易对狭窄、深凹槽等死角部位进行降低的优点。

2、本发明能够实现闭环控制，运转机动灵活，可用于降低各种焊缝(如直线型焊缝、角焊缝等)的残余应力，且可针对不同宽度的焊缝进行喷嘴的自动更换调整以达到更好地降低应力的效果。

3、利用本发明中的设备喷射高压水射流处理工件，可使焊缝区表面等效塑性应变增大，高压水射流处理作用在内部存在残余拉应力的金属焊缝表面上，其携带的巨大冲击压应力在材料表层产生足够的塑性变形，使残余应力得到松弛。而且，经高压水射流处理后的工件，焊缝表面及热影响区的残余应力得到了很大程度上的降低，在焊缝区产生压缩应力，有效控制了疲劳源的萌生了裂纹的扩展。

4、针对工件不同宽度的焊缝，本发明中的喷嘴可进行自动更换，喷嘴库用以存放备用的喷嘴，通过控制机械臂实现喷嘴从工作位置到喷嘴库位置的移动，通过旋转套筒将喷嘴和高压接管用螺纹连接、拆卸和安装，通过舵机和凸轮结构进一步实现喷嘴的固定，凸轮的设定不仅分担了下套筒的受力，而且防止了喷嘴在高压水射流压力下的移动。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中机械臂系统、图像采集器及喷嘴的装配关系示意图。

图3为本发明中喷嘴、套筒、高压接管等的装配关系示意图。

图4为本发明中更换喷嘴时喷嘴未拆卸前的状态示意图。

图5为本发明中更换喷嘴时喷嘴被拆卸时的状态示意图。

图6为本发明中喷嘴库的轴测图。

其中，

1、控制器 2、高压水射流输送泵 3、高压软管 4、喷嘴库 41、喷嘴空位 42、待更换喷嘴 43、空腔 5、机械臂系统 51、第一机械臂 52、连接臂 53、第二机械臂 54、第一电机55、第二电机 56、转盘 57、第三电机 58、底座 59、齿轮 510、第五电机 511、行走轮 512、齿条 513、导轨 6、图像采集器 7、喷嘴 71、定位凸起 8、高压接管 9、喷嘴套筒 91、上套筒92、下套筒 10、第四电机 11、舵机 12、凸轮

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1至图6所示，一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，包括控制系统、高压水射流输送泵2、机械臂系统5及喷嘴系统。所述控制系统包括控制器1及图像采集器6，图像采集器6设置在下述第一机械臂51的前方，图像采集器6与控制器1相连并将采集到的图像信息实时传输至控制器1。

所述喷嘴系统包括喷嘴7，高压水射流输送泵2通过高压软管3和高压连接管8与喷嘴7相连，其中高压软管3的一端与高压水射流输送泵2相连、另一端连接高压连接管8的一端，高压连接管8的另一端与喷嘴7相连。所述喷嘴7设置在下述第一机械臂51的前方。

所述高压水射流输送泵2与控制器1相连，对不同焊接材料进行残余应力的降低时需要使用不同的水压。

所述机械臂系统包括第一机械臂51及带动第一机械臂51完成旋转动作、俯仰动作、升降动作的驱动装置。所述驱动装置包括连接臂52、第二机械臂53、第一电机54、第二电机55、转盘56及第三电机57。连接臂52的一端与第一机械臂51转动连接、另一端与第二机械臂53的上部转动连接，第一机械臂51绕连接臂52的转动由第一电机54驱动，连接臂52绕第二机械臂53的转动由第二电机55驱动，第二机械臂53安装在转盘56顶端。在第一机械臂51、连接臂52、第二机械臂53、第一电机54及第二电机55的配合作用下，能够实现喷嘴7与工件距离、角度的调节，以适应不同种类的焊缝需求。所述转盘56与第三电机57相连，且转盘56在第三电机57的带动下实现旋转，以完成不同方位的调节。所述第一、第二、第三电机均为行星电机，第一、第二、第三电机均与上述控制器1相连。第一机械臂51在第一电机54的带动下绕连接臂52转动，从而带动喷嘴7完成俯仰动作。连接臂52在第二电机55的带动下绕第二机械臂53转动，从而带动第一机械臂51及喷嘴7完成升降动作。转盘56在第三电机57的带动下转动，从而间接带动第一机械臂51及喷嘴7完成旋转动作。

为了充分达到降低焊缝残余应力的目的，需要通过喷嘴7对焊缝进行2-3次高压水射流喷射。因此为满足反复喷射的需求，设置了行走装置，行走装置包括底座58及带动底座58实现进给运动的行走机构，所述上述驱动装置整体安装在底座58上。所述行走机构包括导轨513及设置在底座58下方且与导轨513相适配的行走轮511，行走机构还包括齿轮59、连接轴、与齿轮59相适配的齿条512以及用于驱动齿轮59旋转的第五电机510，第五电机510与上述控制器1相连，齿条59与导轨513平行设置，齿轮59通过连接轴与底座58相连，齿轮59沿齿条512滚动带动底座58沿导轨513移动。

当然，行走装置的构成并不仅仅局限于上述例举的结构形式，还可以是其它类型的结构，只要能够实现带动底座58完成往复移动即可。

为了更好地降低工件焊缝的残余应力，对于不同宽度的焊缝需要使用不同口径的喷嘴以改变水射流冲击面积。为此，设置了喷嘴更换装置，喷嘴更换装置包括喷嘴库4，喷嘴库4的中央设置有空腔43，喷嘴库4上设置有多个待更换喷嘴42以及一个喷嘴空位41。各待更换喷嘴42的口径不同或部分相同。喷嘴库4上靠近各待更换喷嘴处均标注有对应的喷嘴口径尺寸。当然，喷嘴库4上也可以设置多个喷嘴空位41。喷嘴库4既可以设置在底座58上，以保证设备的整体性，也可以单独设置在机械臂系统5的一侧，只要位于喷嘴7在机械臂系统5的带动下能够涉及到的活动范围内即可。

所述喷嘴更换装置还包括喷嘴定位机构，喷嘴定位机构包括高压接管8和喷嘴套筒9，喷嘴套筒9包括相连上套筒91和下套筒92。所述上、下套筒一体固连。上、下套筒内均设置有内螺纹。高压接管8的下部螺纹连接于上套筒91内，喷嘴7的上部螺纹连接于下套筒92内，喷嘴7与高压接管8相连通。所述喷嘴更换装置还包括用于控制上、下套筒旋转的第四电机10，第四电机10设置在上套筒91或下套筒92上，第四电机10与上述控制器1相连。第四电机10驱动喷嘴套筒9旋转，从而实现对喷嘴7的夹持和放开。各所述喷嘴7及待更换喷嘴42的顶端分别设置有与高压接管8相适配的定位凸起71，喷嘴接入下套筒92后，定位凸起71卡入高压接管8内。

所述喷嘴更换装置还包括喷嘴自动锁紧机构，喷嘴自动锁紧机构包括凸轮12及用于控制凸轮12旋转的舵机11，舵机11与上述控制器1相连。所述凸轮12有两个，两个凸轮12分别设置在下套筒92下方两侧，舵机11设置在下套筒92上，当凸轮12的远心端旋转至与喷嘴7相接触时，喷嘴7被凸轮12锁死，当凸轮12的远心端旋转至与喷嘴7不相接触时，喷嘴7解锁。

需更换喷嘴7时，通过机械臂系统5将工作喷嘴移动到喷嘴库4的喷嘴空位41的正上方，运转舵机11将凸轮12转动解锁，第四电机10将喷嘴套筒9从工作喷嘴上旋转下来，工作喷嘴落入喷嘴空位41内，之后通过机械臂系统5将喷嘴套筒9连同高压接管8一起移动至需要更换的口径的待更换喷嘴42上方，第四电机10反转，使喷嘴套筒9拧在待更换喷嘴上，将待更换喷嘴42从喷嘴库4内取出，运转舵机11使凸轮12转动将取出的喷嘴锁死，完成喷嘴的自动更换。

本发明中的控制器1连接各动力部件，接收图像采集器6的反馈信息并通过程序来实现对各部件的控制。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”及“第五”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，其特征在于，包括控制系统、高压水射流输送泵、机械臂系统及喷嘴系统；喷嘴系统包括喷嘴，喷嘴与高压水射流输送泵相连，高压水射流输送泵为喷嘴供给高压水射流；机械臂系统包括第一机械臂及带动第一机械臂完成旋转动作、俯仰动作、升降动作的驱动装置，喷嘴设置在第一机械臂的前方；控制系统包括控制器及图像采集器，图像采集器设置在第一机械臂的前方，图像采集器与控制器相连并将采集到的图像信息实时传输至控制器。

2.根据权利要求1所述的一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述驱动装置包括连接臂、第二机械臂、第一电机、第二电机、转盘及第三电机，连接臂的一端与第一机械臂转动连接、另一端与第二机械臂的上部转动连接，第一机械臂绕连接臂的转动由第一电机驱动，连接臂绕第二机械臂的转动由第二电机驱动，第二机械臂安装在转盘顶端，转盘与第三电机相连，且转盘在第三电机的带动下实现旋转。

3.根据权利要求2所述的一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述第一、第二、第三电机均为行星电机，第一、第二、第三电机均与上述控制器相连。

4.根据权利要求1所述的一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备还包括喷嘴更换装置，喷嘴更换装置包括喷嘴库，喷嘴库上设置有多个待更换喷嘴以及一个或多个喷嘴空位，各待更换喷嘴的口径不同或部分相同。

5.根据权利要求4所述的一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述喷嘴更换装置还包括喷嘴定位机构，喷嘴定位机构包括高压接管和喷嘴套筒，喷嘴套筒包括相连上套筒和下套筒，高压接管的下部螺纹连接于上套筒内，喷嘴的上部螺纹连接于下套筒内，喷嘴与高压接管相连通。

6.根据权利要求5所述的一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述喷嘴更换装置还包括喷嘴自动锁紧机构，喷嘴自动锁紧机构包括凸轮及用于控制凸轮旋转的舵机，舵机与上述控制器相连；所述凸轮有两个，两个凸轮分别设置在下套筒下方两侧，舵机设置在下套筒上，当凸轮的远心端旋转至与喷嘴相接触时，喷嘴被凸轮锁死，当凸轮的远心端旋转至与喷嘴不相接触时，喷嘴解锁。

7.根据权利要求5所述的一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述上、下套筒一体固连，所述喷嘴更换装置还包括用于控制上、下套筒旋转的第四电机，第四电机设置在上套筒或下套筒上，第四电机与上述控制器相连。

8.根据权利要求5所述的一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，其特征在于，各所述喷嘴及待更换喷嘴的顶端分别设置有与高压接管相适配的定位凸起，喷嘴接入下套筒后，定位凸起卡入高压接管内。

9.根据权利要求1所述的一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述机械臂系统还包括行走装置，行走装置包括底座及带动底座实现进给运动的行走机构，所述上述驱动装置整体安装在底座上。

10.根据权利要求9所述的一种利用高压水射流降低焊缝残余应力的设备，其特征在于，所述行走机构包括导轨及设置在底座下方且与导轨相适配的行走轮，行走机构还包括齿轮、连接轴、与齿轮相适配的齿条以及用于驱动齿轮旋转的第五电机，第五电机与上述控制器相连，齿条与导轨平行设置，齿轮通过连接轴与底座相连，齿轮沿齿条滚动带动底座沿导轨移动。