CN108330265B - 空化水射流冲击强化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空化水射流冲击强化装置，所述冲击强化装置包括水箱(13)、喷枪(1)、高压装置(5)和低压装置(6)，所述喷枪(1)被配置为能够浸入所述水箱(13)内的水中，对待处理样品(2)进行喷射，所述高压装置(5)和低压装置(6)为喷枪(1)供应压力水，其中所述低压装置(6)设置有空化增益设备。根据本发明的空化水射流冲击强化装置能够对材料进行表面处理，并且方便观察和控制处理过程。

Description

空化水射流冲击强化装置

技术领域

本发明涉及材料表面处理技术领域，具体地，涉及一种空化水射流冲击强化装置，尤其是一种基于高压空化水射流的表面冲击强化装置。

背景技术

目前，水射流的用途主要集中于矿山开采和石油领域，采用高压连续水射流进行切割与清洗，但是，在适用于材料表面改性的水射流冲击强化装置的设计与应用研究方面，背景比较薄弱，未见相关报道。随着国内对材料表面改性研究的重视，应当更关注水射流冲击强化技术，因此，需要设计和研发一系列相关的水射流冲击强化装置。

进一步地，针对已有的射流喷射装置，设计人发现存在诸多缺陷，例如样品水池与蓄水池分离，占用空间较大，不能关联调节样品水池与蓄水池的水位，造成水资源浪费；再例如，现有的射流喷射装置不便于观察试验现象。此外，已有的射流喷射装置还存在处理样品种类单一，对处理过程缺乏有效监控等问题。

综上，纵观材料表面处理的研究状况，基于高压空化水射流的表面冲击强化装置尚处于起步阶段。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种空化水射流冲击强化装置，能够对材料进行表面处理。

本发明的目的还在于提供一种可视化的空化水射流冲击强化装置，方便观察处理过程。

本发明的目的还在于提供一种能够灵活调节处理水池与蓄水池的水位的空化水射流冲击强化装置。

本发明的目的还在于提供一种适用材料范围更广泛的空化水射流冲击强化装置。

为达到上述目的或目的之一，本发明的技术解决方案如下：

根据本发明的实施例，提出了一种空化水射流冲击强化装置，所述冲击强化装置包括水箱、喷枪、高压装置和低压装置，所述喷枪被配置为能够浸入所述水箱内的水中，对待处理样品进行喷射，所述高压装置和低压装置为喷枪供应压力水，其中所述低压装置设置有空化增益设备。

根据本发明的一个优选实施例，所述水箱通过隔板被分隔为处理水池和蓄水池，所述处理水池通过外置的管路与蓄水池连通。

其中所述冲击强化装置还包括第一夹持装置和第二夹持装置，所述第一夹持装置为静态夹具，包括固定架和固定板，以夹持待处理样品，所述第二夹持装置为旋转夹具，包括夹头和夹持轴，所述夹头被配置为水平地夹持待处理样品，并且能够自转并以夹持轴为中心旋转。

根据本发明的一个优选实施例，所述水箱的至少一个侧面由透明材料制成。

根据本发明的一个优选实施例，所述透明材料包括钢化玻璃。

根据本发明的一个优选实施例，所述冲击强化装置还包括运动系统，所述运动系统被配置为能够执行多自由度移动，其中所述喷枪固定在运动系统上。

根据本发明的一个优选实施例，所述冲击强化装置还包括测量装置，所述测量装置包括压力传感器、温度传感器和水听器变送器。

根据本发明的一个优选实施例，所述冲击强化装置还包括数控系统，用于调节水射流冲击参数，并控制测量装置、运动系统、第一夹持装置和第二夹持装置。

根据本发明的一个优选实施例，在所述水箱中设置有电子液位计和潜水泵，所述数控系统根据电子液位计的测量结果控制潜水泵的开启和关闭。

根据本发明的一个优选实施例，所述高压装置包括自动变量油泵，和/或所述低压装置包括柱塞泵。

根据本发明的一个优选实施例，所述高压装置提供380-420MPa的压力，和/或所述低压装置提供1-100MPa的压力。

本发明的空化水射流冲击强化装置，通过设置喷枪、高压装置和低压装置，并将喷枪浸入水箱内的水中，辅以空化增益设备，对待处理样品进行喷射，从而能够对材料进行表面处理。

进一步地，根据本发明的实施例的空化水射流冲击强化装置，水箱被设计为隔断式的可视化水箱，例如，水箱前面板采用钢化玻璃，可视化水箱被分为处理(试验)水池和蓄水池，两者体积不同，这种设计不仅便于观察试验现象，还能够灵活调节处理水池与蓄水池的不同水量。在可视化水箱里，设计了两种试样夹持装置，一种为圆轴型试样夹持装置，保证试件平稳可控地转动，该类夹持装置适应于管类材料；另一种为长方型试样夹持装置，可固定板类材料。

此外，本发明的空化水射流冲击强化装置配置有压力传感器、温度传感器、水听器变送器，能够对试验进行同步多元化监控。通过优化设计，将高、低压枪配置在同一个运动系统，形成一个喷枪，本发明的空化水射流冲击强化装置可在高压380-420MPa和低压1-100MPa之间精确控制产生稳定的空化水射流。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的空化水射流冲击强化装置的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的示例性的实施例。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

在本发明中，空化水射流冲击强化是将携带巨大能量的高压水射流以某种特定的方式喷射到金属材料表面上，使材料的表层在再结晶温度下产生塑性形变，呈现理想的组织结构(即组织强化)和残余应力分布(即应力强化)，从而达到提高材料或零构件服役性能的目的。

根据本发明的总体发明构思，试图提供一种空化水射流冲击强化装置，所述冲击强化装置包括水箱、喷枪、高压装置和低压装置，所述喷枪被配置为能够浸入所述水箱内的水中，对待处理样品进行喷射，所述高压装置和低压装置为喷枪供应压力水，其中所述低压装置设置有空化增益设备。喷枪将高压空化水喷射到待处理样品的材料表面，使表层材料在再结晶温度下产生塑性形变，产生应力强化，通过调节装置的压力的方式调控水射流的冲击强度，以此完成对材料进行高压水射流冲击强化，达到提高材料抗疲劳强度的目的。通过这种方式对材料进行强化后，材料的疲劳强度能力明显提高。

图1示出了根据本发明的实施例的空化水射流冲击强化装置，如图1所示，冲击强化装置包括水箱13、喷枪1、高压装置5和低压装置6，所述喷枪1被配置为能够浸入所述水箱13内的水中，对待处理样品2进行喷射，所述高压装置5和低压装置6为喷枪1供应压力水，其中所述低压装置6设置有空化增益设备。本发明的空化水射流冲击强化装置通过设置喷枪1、高压装置5和低压装置6，并将喷枪浸入水箱13内的水中，辅以空化增益设备，对待处理样品2进行喷射，从而能够对材料进行表面处理。

进一步地，所述水箱13通过隔板11被分隔为处理水池14和蓄水池15，所述处理水池14通过外置的管路与蓄水池12连通；其中所述冲击强化装置还包括第一夹持装置9和第二夹持装置，所述第一夹持装置9为静态夹具，以夹持待处理样品2，所述第二夹持装置为旋转夹具，包括夹头3和夹持轴10，所述夹头3被配置为水平地夹持待处理样品2，并且能够自转并以夹持轴10为中心旋转。所述水箱13的至少一个侧面由透明材料制成。优选地，所述透明材料包括钢化玻璃。

根据本发明的实施例的空化水射流冲击强化装置，水箱被设计为隔断式的可视化水箱，例如，水箱前面板采用钢化玻璃，可视化水箱被分为处理(试验)水池和蓄水池，两者体积不同，这种设计不仅便于观察试验现象，还能够灵活调节处理水池与蓄水池的不同水量。在可视化水箱里，设计了两种试样夹持装置，一种为圆轴型试样夹持装置，保证试件平稳可控地转动，该类夹持装置适应于管类材料；另一种为长方型试样夹持装置，可固定板类材料。

在本发明的实施例中，所述冲击强化装置还包括运动系统7，所述运动系统7被配置为能够执行多自由度移动，其中所述喷枪1固定在运动系统7上。有利地，所述冲击强化装置还包括测量装置8，所述测量装置8包括压力传感器、温度传感器和水听器变送器。所述冲击强化装置还包括数控系统4，用于调节水射流冲击参数，并控制测量装置8、运动系统7、第一夹持装置9和第二夹持装置。根据本发明的一个优选实施例，在所述水箱13中设置有电子液位计和潜水泵，所述数控系统4根据电子液位计的测量结果控制潜水泵的开启和关闭。

本发明的空化水射流冲击强化装置通过设置压力传感器、温度传感器、水听器变送器，能够对试验进行同步多元化监控。通过优化设计，将高、低压枪配置在同一个运动系统，形成一个喷枪。优选地，所述高压装置5包括自动变量油泵，和/或所述低压装置6包括柱塞泵。本发明的空化水射流冲击强化装置可在高压380-420MPa和低压1-100MPa之间精确控制产生稳定的空化水射流。

下面结合附图1描述本发明的空化水射流冲击强化装置的操作实例，在进行材料表面的冲击强化时，首先将待处理样品2放置处理水池14中的夹持装置上，根据待处理样品2的形状选择第一夹持装置9或第二夹持装置，固定待处理样品2；开启冲击强化装置，蓄水池12内的水被抽取，并经过高压装置5或低压装置6加压，进行空化增益，然后压力水经喷枪1喷射到材料表面上，第一夹持装置9或第二夹持装置可在数控系统4的控制下移动，例如，第二夹持装置9可承载着平板型的待处理样品2线性移动，第二夹持装置可承载圆管，圆管呈水平放置，夹持在夹头3上，在操作过程中，圆管能够利用夹持轴10绕夹持轴10匀速转动，并且能够利用夹头3使圆管自身旋转，从而使得喷枪1可以喷射圆管的全部外表面；替代地，喷枪1也可以在运动系统7的带动下在三维空间内移动，例如沿水平面线性移动，以调整喷枪1相对于待处理样品2的位置；在水箱13内的电子液位计监测到处理水池14的水位过高时，数控系统4可以控制潜水泵开启，使处理水池14内的水流入蓄水池13。

在一个具体示例中，水箱13的尺寸被设置为1500mm×450mm²，水箱13的前面板采用钢化玻璃，在水箱13的中间位置设置隔板，水射流冲击强化装置有两种试样夹持装置，使得可观察试验现象，可节约水资源和水箱空间，可适用于更广泛的材料类型。然而，本发明的隔断式水箱不局限于将水箱分为两个部分(处理水池和蓄水池)，可将水箱分割为更多部分，或不分割水箱通过额外配置蓄水箱皆为替代方案；可视化水箱也可以两面或三面(三面：正面、左右两侧)采用钢化玻璃，不局限于水箱采用几面、哪一面为可视化玻璃，也可以采用非可视化玻璃但达到可视化效果的材质作为水箱挡板；夹持装置也不局限这两种夹持装置的尺寸、材质，可以只设计其中一种夹持装置，或设计更多个夹持装置。

本实施例的空化水射流冲击强化装置配置压力传感器和温度传感器对试验进行同步压力、温度等多元化监控，对试验可进行同步监控，有利于优化工艺的研究。但本发明不局限于压力传感器、温度传感器和水听器变送器，也不局限于它们的具体形式。

本发明的空化水射流冲击强化装置应用范围涉及机械、化工、航天、建筑、纺织、冶金等领域，这套水射流表面冲击强化装置，通过高压空化水射流的方法解决了材料表面强化处理的问题，实现“预防性维修”；另一方面，单独的高压枪的低压系统控制不够精确，低压枪又不能实现高压，目前的装置不能同时实现高低压。本发明的这套高压空化水射流强化装置将高、低压枪配置在同一个系统上，解决了上述问题，并搭建了相关的试验平台，能够推动我国水射流冲击强化装置的发展。

下面对本发明的高压部分、低压部分、运动系统、喷枪、夹持装置、水箱、数控系统等的设计和具体参数进行详细描述。

根据本发明的实施例，设计了一套基于高压空化水射流的表面冲击强化装置，该装置可以由高压部分(高压装置)、低压部分(低压装置)、机架及运动系统、数据采集系统、控制系统、测量系统、可视化水箱为主要部件组成。其中高压装置压力大，但流量小，低压装置压力小，但流量大，通过优化设计，将高低压枪配置在同一个运动系统上。可视化水箱能对本发明的高压空化水射流冲击强化工作进行实时监控。控制系统与测量系统的功能是调节各种水射流冲击参数，实现对材料进行不同程度的表面强化处理。同时通过数据采集系统与测量系统对整个试验进行数据采集。综上，本发明的基于高压空化水射流冲击强化装置可实现对材料进行表面强化。

高压水冲击强化系统主要技术参数：①压力范围380-420MPa；②水流速范围3-3.8lpm；③配备自动变量油泵。

低压水冲击强化系统主要技术参数：①采用电机驱动柱塞泵；②可选地，泵站装有蓄水箱，蓄水箱与可视化水箱相连接，使用电子液位计加控制开关实现水箱自动循环蓄水，保证水位正常；③泵系统包扩强制润滑、缺水警报、超压停机等功能；④泵系统加装空化增益设备，通过该设备对水温、压力、流量及射流含气量进行调整，将整套泵组系统与空化执行机构结合，使喷嘴处稳定持续地产生空化泡；⑤蓄水箱内的水经过滤、空化增益、滤气处理、加压等环节，最终进入高压泵。

运动机构主要技术参数：①采用龙门结构；②承重平台采用不锈钢材质；③采用交流电机；④配置超行程自动限位和软限位双重保护功能；⑤高压枪与低压枪配置在同一个运动系统上。

喷枪的主要技术参数：①喷枪的执行机构主要包括夹具、出水基座以及空化喷嘴组成；②出水基座即装载喷嘴的机构，便于各式喷嘴的更换安装；③空化喷嘴可实现多角度调节。空化喷嘴的可更换和可实现多角度的调节以及高低压枪作为一个喷枪配置在同一个运动系统上，有利于工艺优化，对表面强化工艺具有重要意义，为企业带来较为可观的经济效应。

试件固定机构(夹持装置)及可视化水箱的主要性能参数：①试件夹持机构采用密封防水设计，并设置漏水警报装置，漏水警报装置用于在夹持装置出现漏水情况时发出警报并停止冲击强化装置的工作，以保护夹持装置的电气部件；②水箱大小：约1500mm×450mm²，中间设置隔板，分为处理水池和蓄水池，蓄水池体积稍大；水箱前面板采用钢化玻璃，方便观察；③水循环由潜水泵、电子液位计、控制器、阀门、管路等组成。

测量系统主要性能参数：测量系统包括压力传感器、温度传感器、水听器变送器、数据采集卡及计算机终端。①压力变送器主要性能参数：测量范围：0-60MPa；②温度变送器主要性能参数：环境温度：-20-85℃；③水听器变送器主要性能参数：频率响应：0.1-100kHz；④数据采集卡主要性能参数：控制器采用第三代双核处理器，LabVIEW系统软件平台。

研究表明经过本发明的空化水射流冲击强化装置处理过的材料疲劳强度大幅度提高，进一步地，本发明的冲击强化装置可以为可变速水射流冲击强化装置，这样，不是直接向水中注入高速水射流，而是安装涡流泵变频电机调节旋转速度，进而控制低速水射流的注入压力，另外高速水射流则是通过高压柱塞泵增压，进而提高冲击强度。同时装置还可安装一个同心套管先引入低速水射流，在低速水射流中注入高速水射流，高速水射流的注入压力是通过调节高压柱塞泵变频电机的旋转速度进行控制。

本发明的基于高压空化水射流的表面冲击强化装置可应用于材料表面改性领域，能够有效地对材料进行表面强化，进一步提高了我国材料表面强化技术，未来有望应用于在航空航天领域中处理各类合金材料的表面强化，以此提高服役寿命。在核能领域，有望大规模应用在核电站中压力容器焊接部件的表面强化处理和“预防性维修”，例如常见的不锈钢、合金等焊接部件和各类散热管的表面强化，从而对核电站中被辐照组件发生应力开裂腐蚀和疲劳断裂起到很好的预防作用，延长核电站组件使用寿命。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

附图标记列表：

1 喷枪

2 待处理样品

3 夹头

4 数控系统

5 高压装置

6 低压装置

7 运动系统

8 数据采集装置

9 第一夹持装置

10 夹持轴

11 隔板

12 蓄水池

13 水箱

14 处理水池

Claims (7)

1.一种空化水射流冲击强化装置，其特征在于，所述冲击强化装置包括水箱(13)、喷枪(1)、高压装置(5)和低压装置(6)，所述喷枪(1)被配置为能够浸入所述水箱(13)内的水中，对待处理样品(2)进行喷射，所述高压装置(5)和所述低压装置(6)独立设置于所述喷枪外部，所述高压装置(5)和低压装置(6)为喷枪(1)供应压力水，其中所述低压装置(6)设置有空化增益设备；

其中所述水箱(13)通过隔板(11)被分隔为处理水池(14)和蓄水池(12)，所述处理水池(14)通过外置的管路与蓄水池(12)连通；

其中所述冲击强化装置还包括第一夹持装置(9)和第二夹持装置，所述第一夹持装置(9)为静态夹具，包括固定架和固定板，以夹持待处理样品(2)，所述第二夹持装置为旋转夹具，包括夹头(3)和夹持轴(10)，所述夹头(3)被配置为水平地夹持待处理样品(2)，并且能够自转并以夹持轴(10)为中心旋转；

其中所述高压装置(5)提供380-420MPa的压力，并且所述低压装置(6)提供1-100MPa的压力；

所述冲击强化装置还包括数控系统(4)，在所述水箱(13)中设置有电子液位计和潜水泵，所述数控系统(4)根据电子液位计的测量结果控制所述潜水泵的开启和关闭。

2.根据权利要求1所述的空化水射流冲击强化装置，其特征在于，所述水箱(13)的至少一个侧面由透明材料制成。

3.根据权利要求2所述的空化水射流冲击强化装置，其特征在于，所述透明材料包括钢化玻璃。

4.根据权利要求1所述的空化水射流冲击强化装置，其特征在于，所述冲击强化装置还包括运动系统(7)，所述运动系统(7)被配置为能够执行多自由度移动，其中所述喷枪(1)固定在运动系统(7)上。

5.根据权利要求4所述的空化水射流冲击强化装置，其特征在于，所述冲击强化装置还包括测量装置(8)，所述测量装置(8)包括压力传感器、温度传感器和水听器变送器。

6.根据权利要求5所述的空化水射流冲击强化装置，其特征在于，所述数控系统(4)还用于调节水射流冲击参数，并控制测量装置(8)、运动系统(7)、第一夹持装置(9)和第二夹持装置。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的空化水射流冲击强化装置，其特征在于，所述高压装置(5)包括自动变量油泵，和/或所述低压装置(6)包括柱塞泵。

Images