CN112658998A - 一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置及使用方法，水射流装置包括机体、喷嘴系统、高压发生系统、压力变送器及计算机，所述机体包括底座、立柱及工作台，所述立柱竖直固定在底座一侧，所述工作台设置于底座上方，所述喷嘴系统通过喷嘴固定台设置在立柱一侧且位于工作台上方，所述喷嘴系统通过管路与高压发生系统连接，所述压力变送器与计算机连接；所述工作台上方设置有表面压力检测组件，所述喷嘴系统的进水端设置有喷嘴入口压力检测组件。该装置通过设置压力检测组件来检测并采集焊接构件所受到的实际水射流冲击压力、喷嘴入口位置的水射流轴心动压及高压发生系统的水射流压力，可根据检测数据及时调整水射流压力。

Description

一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置及使用方法

技术领域

本发明涉及高压水射流装置技术领域，具体涉及一种基于焊接残余应力调控的高压水射 流装置及使用方法。

背景技术

高压水射流是指通过高压水发生装置将水加压至数百个大气压以上，再通过具有细小孔 径的喷射装置转换为高速的微细水射流。高压水射流的速度一般都在一倍马赫数以上，具有 巨大的打击能量，可以完成不同种类的任务。

近年来，高压水射流技术逐渐被国内外研究学者应用到焊接结构上，用来降低焊接残余 应力，取得了一定的效果。但现有的高压水射流强化装置大多是在传统高压水射流清洗、切 割装置的基础上改进的，缺乏有效的压力测试装置，水射流作用在靶面的冲击压力分布不清 楚，并不能很好地适用于降低焊接残余应力；另外，现阶段的高压水射流装置大多采用高压 软管将高压水射流束输送到喷嘴位置处，喷嘴入口处的实际水射流压力大小同样缺乏有效的 压力测试装置进行测量，且由于流体流动过程中的损失，使得流到喷嘴部位的实际压力与高 压水发生装置产生的水射流压力相比有所降低，不能根据试验需求准确控制水射流压力。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置及使用方法，该装置 通过设置压力检测组件来检测并采集焊接构件所受到的实际水射流冲击压力、喷嘴入口位置 的水射流轴心动压及高压发生系统的水射流压力，可根据检测数据及时调整水射流压力，并 根据检测数据分析水射流在管线输送过程中的损耗情况。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置，包括机体、喷嘴系统、高压发生系统、 压力变送器及计算机，所述机体包括底座、立柱及工作台，所述立柱竖直固定在底座一侧， 所述工作台设置于底座上方，所述喷嘴系统通过喷嘴固定台设置在立柱一侧且位于工作台上 方，所述喷嘴系统通过管路与高压发生系统连接，所述压力变送器设置于底座一侧，所述压 力变送器与计算机连接；

所述工作台上方设置有表面压力检测组件，所述表面压力检测组件包括从上至下依次叠 放设置的薄膜式压力分布传感器、平衡板、绝缘块、金属电阻应变片，所述薄膜式压力分布 传感器及金属电阻应变片分别通过电线与压力变送器连接；

所述喷嘴系统的进水端设置有喷嘴入口压力检测组件，所述喷嘴入口压力检测组件包括 皮托管及压差计，所述皮托管的一端伸入喷嘴系统的进水端内部，所述皮托管的另一端连接 压差计，所述压差计固定在喷嘴固定台一侧，所述压差计通过电线与压力变送器连接。

优选的，所述工作台上表面固定设置有至少3个基座，所述基座呈凹槽形，所述绝缘块 及金属电阻应变片叠放设置于基座内，所述基座的两侧设置有绝缘外壳，所述绝缘块、金属 电阻应变片、绝缘外壳及基座沿工作台的长度方向设置。

优选的，所述薄膜式压力分布传感器的表面涂覆硬质金属涂层。

优选的，所述喷嘴系统包括喷嘴固定筒、喷嘴体、宝石喷嘴、喷管，所述喷嘴固定筒固 定设置于喷嘴固定台上，所述喷嘴固定筒内设置有水射流管，所述喷嘴体包括喷嘴体套筒及 扩流喷嘴，所述扩流喷嘴位于喷嘴体套筒的底端，所述喷嘴体套筒套在喷嘴固定筒内，所述 宝石喷嘴设置于喷嘴体套筒内且位于扩流喷嘴上方，所述喷管固定在扩流喷嘴下方，所述水 射流管、宝石喷嘴、扩流喷嘴及喷管从上至下依次连通。

优选的，所述宝石喷嘴包括从上至下的锥形段Ⅰ及垂直缩颈段，所述扩流喷嘴包括从上 至下的锥形段Ⅱ、垂直扩流段及锥形段Ⅲ，所述锥形段Ⅰ的直径从上至下逐渐缩小，所述锥 形段Ⅱ及锥形段Ⅲ的直径从上至下逐渐增大，且所述垂直扩流段的直径大于垂直缩颈段的直 径，所述喷管直径与锥形段Ⅲ底端直径相同。

优选的，所述喷嘴系统还包括喷嘴支架及位置检测系统，所述喷嘴支架的顶端固定设置 于喷嘴固定筒一侧，所述位置检测系统固定设置于喷嘴支架的底端，所述位置校准系统包括 测距传感器及视觉图像检测装置，且测距传感器及视觉图像检测装置均与计算机连接，

优选的，所述高压发生系统包括通过管路依次连接的水箱、水泵、过滤器、高压泵、稳 压罐及压力表，所述稳压罐的出水端通过管路与喷嘴系统的进水端连接，所述稳压罐的出水 端连接压力表，所述压力表通过电线与压力变送器连接，所述水泵、高压泵均通过电线与驱 动电机连接，所述水泵及高压泵的驱动电机通过电线与计算机连接。

优选的，所述机体还包括X向滑台、Y向滑台、Z向滑台及分别控制X向滑台、Y向滑台、 Z向滑台滑动的传动电机、传动丝杠、调距块，所述Y向滑台滑动设置于底座上方，所述X向滑台滑动设置于Y向滑台上方，所述Z向滑台滑动设置于立柱一侧，所述工作台固定设置于X向滑台上方，所述喷嘴系统通过喷嘴固定台固定于Z向滑台上，所述传动电机通过电线与计算机连接。

本发明还提供一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置的使用方法，其特征在于， 包括以下步骤：

(1)安装高压水射流装置，并将相应检测部件与计算机连接；

(2)将焊接构件放置于工作台上；

(3)根据焊接构件尺寸及焊缝位置预先设定焊接构件在X向及Y向的运动路线，并计算 焊接构件残余应力消除时所需的理论水射流压力范围；

(4)启动水泵、高压泵的驱动电机及传动电机，计算机根据设定运动路线控制传动电机 带动焊接构件运动，依次对焊接构件的焊缝进行水射流强化，消除残余应力，同时计算机采 集表面压力检测组件检测到的实际水射流压力数据、喷嘴入口压力检测组件检测的压力数据 及高压发生系统的压力表数据，并将实际水射流压力数据与理论水射流压力范围进行对比， 根据对比结果调整实际水射流压力在理论水射流压力范围内；

(5)焊接构件的全部焊缝完成水射流强化作业后，依次关闭高压泵、水泵、稳压罐及传 动电机，当喷嘴系统无高压水射流喷射时取下焊接构件；

(6)分析计算机采集的表面压力检测组件检测到的实际水射流压力数据、喷嘴入口压力 检测组件检测的压力数据及高压发生系统的压力表数据，得到焊接构件表面受到的实际冲击 压力分布曲线及水射流输送过程中的损耗情况。

优选的，所述步骤(4)中根据对比结果调整实际水射流压力数据在理论水射流压力范围 内的方法包括：(a)调整高压泵产生的水射流压力使实际水射流压力在理论水射流压力范围 内；(b)调整喷嘴系统与焊接构件之间的距离，使实际水射流压力在理论水射流压力范围内。

本发明具有如下有益效果：

(1)该装置通过高压发生系统及喷嘴系统产生高压水射流对焊接构件进行残余应力消 除，而且可以实现同时测量高压发生系统出口的水射流压力、喷嘴入口位置处的水射流压力 和焊接构件上受到的实际水射流冲击压力，便于根据检测到的水射流压力大小及时调整，使 焊接构件受到的实际水射流冲击压力在焊接构件残余应力消除所需的理论水射流压力范围 内，保证焊接构件的强化效果，而且还可检测水射流在管路输送过程中的耗损情况，根据损 耗情况调整高压发生系统的水射流压力大小；

(2)该装置中工作台上表面设置的表面压力检测组件结构简单，可以便捷地测量焊接构 件上受到的实际高压水射流冲击压力值，同时薄膜式压力分布传感器还可测量出高压水射流 作用在焊接构件上的压力分布情况；

(3)该装置中位置校准系统包括测距传感器及视觉图像检测装置，测距传感器用于检测 喷管最底端与焊接构件之间的距离，防止喷管底部触碰到焊接构件，视觉图像检测装置可采 集焊接构件图像信息，根据焊接构件图像信息确定焊缝位置，便于设定焊接构件的运动路径， 保证高压水射流强化作业的精准度；

(4)该装置中高压发生系统中设置有稳压罐，保证高压水射流产生过程中流量的均匀稳 定，避免产生的高压水射流发生波动。

附图说明

图1为本发明一个实施例的整体结构示意图；

图2为机体的结构示意图；

图3是传动电机、传动丝杠及调距块的结构示意图；

图4为喷嘴系统的结构示意图；

图5为宝石喷嘴、扩流喷嘴及喷管的结构示意图；

图6为图4中A处结构放大示意图；

图7为表面压力检测组件的结构示意图；

图8为高压发生系统的结构示意图；

图9为通过薄膜式压力分布传感器测得的实际冲击压力分布曲线。

其中，1.机体；11.底座；12.立柱；13.工作台；14.X向滑台；15.Y向滑台；16.Z向滑台；17.传动电机；18.传动丝杠；19.调距块；2.喷嘴系统；21.喷嘴固定台；22.喷嘴固定筒；23.宝石喷嘴；231.锥形段Ⅰ；232.垂直缩颈段；24.喷管；25.水射流管；26.喷嘴体套筒； 27.扩流喷嘴；271.锥形段Ⅱ；272.垂直扩流段；273.锥形段Ⅲ；28.喷嘴支架；29.位置检测 系统；210.皮托管；211.压差计；212.总压管；213.静压管；3.高压发生系统；31.水箱；32. 水泵；33.过滤器；34.高压泵；35.稳压罐；36.压力表；4.压力变送器；5.计算机；6.表面 压力检测组件；61.薄膜式压力分布传感器；62.平衡板；63.绝缘块；64.金属电阻应变片； 65.基座；66.绝缘外壳。

具体实施方式

本发明提供了一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置及使用方法，为使本发明的 目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所 描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明。

实施例1

参照图1，本实施例提供一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置，包括机体1、喷 嘴系统2、高压发生系统3、压力变送器4及计算机5，高压发生系统3设置于机体1的一侧， 机体1包括底座11、立柱12及工作台13，立柱12竖直固定在底座11一侧，工作台13设置于底座11上方，喷嘴系统2通过喷嘴固定台21设置在立柱12一侧且位于工作台13上方， 喷嘴系统2通过管路与高压发生系统3连接，压力变送器4设置于底座11一侧，压力变送器 4与计算机5连接。

参照图2及图3，上述机体1还包括X向滑台14、Y向滑台15、Z向滑台16及分别控制X向滑台14、Y向滑台15、Z向滑台16滑动的传动电机17、传动丝杠18、调距块19、滑动 轨道，在使用时，相应的传动电机17可带动传动丝杠18转动，从而传动丝杠18的转动带动 调距块19沿传动丝杠18直线移动，从而分别带动与调距块19连接的X向滑台14、Y向滑台 15、Z向滑台16沿滑动轨道运动，本实施例中，Y向滑台15滑动设置于底座11上方，X向 滑台14滑动设置于Y向滑台15上方，Z向滑台16滑动设置于立柱12一侧，工作台13固定 设置于X向滑台14上方，喷嘴系统2通过喷嘴固定台21固定于Z向滑台16上，并将传动电 机17通过电线与计算机5连接，可通过计算机5控制各滑台的运动。本实施例通过设置X向 滑台14、Y向滑台15，可实现焊接构件在X向、Y向自由移动，保证焊接构件上的所有焊缝 都能受到水射流冲击，通过设置Z向滑台16，可以调整喷嘴系统2与焊接构件之间的距离。

参照图4，上述喷嘴系统2包括喷嘴固定筒22、喷嘴体、宝石喷嘴23、喷管24，喷嘴固定筒22固定设置于喷嘴固定台21上，喷嘴固定筒22内设置有水射流管25，水射流管25可 采用金属管，喷嘴体包括喷嘴体套筒26及扩流喷嘴27，扩流喷嘴27位于喷嘴体套筒26的 底端，喷嘴体套筒26套在喷嘴固定筒22内，宝石喷嘴23设置于喷嘴体套筒26内且位于扩 流喷嘴27上方，喷管24固定在扩流喷嘴27下方，水射流管25、宝石喷嘴23、扩流喷嘴27 及喷管24从上至下依次连通，且宝石喷嘴23设置在喷嘴体套筒26内，使其固定更加牢固， 保护其结构不受损坏，在水射流管25与宝石喷嘴23之间还设置有垫圈，用于保护宝石喷嘴 23，防止其发生磨损。

另外，喷嘴系统2还包括喷嘴支架28及位置检测系统29，喷嘴支架28的顶端固定设置 于喷嘴固定筒29一侧，位置检测系统29固定设置于喷嘴支架28的底端，位置校准系统29包括测距传感器及视觉图像检测装置，且测距传感器及视觉图像检测装置均与计算机5连接， 其中测距传感器用于检测喷管24最底端与焊接构件之间的距离，防止喷管24底部触碰到焊 接构件，视觉图像检测装置可采集焊接构件图像信息，根据焊接构件图像信息确定焊缝位置， 便于设定焊接构件的运动路径。

参照图5，上述宝石喷嘴23包括从上至下的锥形段Ⅰ231及垂直缩颈段232，扩流喷嘴 27包括从上至下的锥形段Ⅱ271、垂直扩流段272及锥形段Ⅲ273，锥形段Ⅰ231的直径从上 至下逐渐缩小，锥形段Ⅱ271及锥形段Ⅲ273的直径从上至下逐渐增大，且垂直扩流段272的 直径大于垂直缩颈232段的直径，喷管24直径与锥形段Ⅲ273底端直径相同。且本实施例中， 宝石喷嘴23和扩流喷嘴27采用高硬度和高耐磨性能的硬质合金材料制成，其中宝石喷嘴23 锥形段Ⅰ231的入口直径为8mm，高度为22mm，且锥形段Ⅰ231的收缩角为16°，垂直缩颈 段232的直径为4mm，高度为8mm，该结构既能降低能量损耗，提高射流密集性，同时又能降 低高压水射流束对宝石喷嘴23本身的强烈冲击，增加其使用寿命；扩流喷嘴27设计为逐步 扩散结构，使高压水射流逐步扩散，增加其喷射面积；在扩流喷嘴27的最底端固定喷管24， 使喷管24直径与锥形段Ⅲ273底端直径相同，可提高高压水射流的集束性，防止水射流向两 侧迅速扩散而降低水射流的冲击压力，另外还可保护扩流喷嘴27及宝石喷嘴23。

参照图6，上述喷嘴系统2的进水端设置有喷嘴入口压力检测组件，喷嘴入口压力检测 组件包括皮托管210及压差计211，皮托管210的一端伸入喷嘴系统2的进水端内部，即将 皮托管210的探头一端伸入宝石喷嘴23上方的水射流管25内，皮托管210的另一端连接压 差计211，压差计211固定在喷嘴固定台21一侧，压差计211通过电线与压力变送器4连接。 具体的，皮托管210包括总压管212及静压管213，总压管212测得流体总压，静压管213测得流体静压，总压管212与静压管213均与压差计211连接，压差计211测得皮托管210 检测位置(即喷嘴系统进水端)的水射流压差，进一步根据伯努利方程即可得到喷嘴系统进水端的水射流压力大小。

参照图7，工作台13上表面设置有表面压力检测组件6，表面压力检测组件6包括从上 至下依次叠放设置的薄膜式压力分布传感器61、平衡板62、绝缘块63、金属电阻应变片64， 薄膜式压力分布传感器61及金属电阻应变片64分别通过电线与压力变送器4连接；且工作 台13上表面固定设置有至少3个基座65，基座65可通过粘贴方式固定在工作台13上表面 上，基座65呈凹槽形，绝缘块63及金属电阻应变片64叠放设置于基座65内，基座65的两侧设置有绝缘外壳66，绝缘块63、金属电阻应变片64、绝缘外壳66及基座65沿工作台13 的长度方向设置。当利用高压水射流冲击焊接构件时，高压水射流作用在焊接构件上的冲击压力通过薄膜式压力分布传感器61传递到平衡板62上，平衡板62再将力传递给绝缘块63，带动绝缘块63运动使金属电阻应变片64产生应变，从而测得总的高压水射流冲击压力。

具体的，上述薄膜式压力分布传感器61测量高压水射流作用在焊接构件上的实际压力分 布数据，并在计算机5上得到实际冲击压力分布曲线，在高压水射流对焊接构件进行喷射时， 高压水射流的压力沿射流中心向四周逐渐衰减，且射流中心与四周的压力差别较大，实际对 焊接构件残余应力消除有效的为射流中心位置，通过实际冲击压力分布曲线可得到射流中心 的实际有效水射流压力及实际有效水射流面积，参照图9，横坐标为靶面上测量点距离射流 中心位置的距离，纵坐标为水射流冲击压力，图中曲线的中间平稳部分对应的纵坐标即为实 际有效水射流压力，其对应的横坐标范围即为实际有效水射流直径(根据直径可计算面积)， 便于根据检测结果及时调整使射流中心的实际有效水射流压力达到焊接构件残余应力消除所 需的理论水射流压力，且使焊接构件的焊缝位于射流中心的实际有效水射流面积内。

上述平衡板62用于平衡焊接构件在各个位置受到的水射流冲击压力，进而通过金属电阻 应变片64的阻值变化来测量总高压水射流冲击压力，其基本原理是利用电阻的应变效应，当 金属电阻应变片在受到机械变形时，其电阻值会发生变化。在工作过程中，由于薄膜式压力 分布传感器61测量焊接构件靶面的水射流冲击压力分布情况，而高压水射流作用在靶面各个 位置的压力并不相同且沿射流中心向四周逐渐衰减，薄膜式压力分布传感器61难以精准地测 量出靶面上所有区域的压力差异情况，因此在表面压力检测组件6中设置有金属电阻应变片 64，利用金属电阻应变片64的阻值变化来测量焊接构件靶面上受到的总高压水射流冲击压力 值，便于工作人员分析靶面的实际冲击压力分布情况(射流中心实际有效水射流压力及有效 水射流面积)和总高压水射流冲击压力，并将射流中心的实际有效水射流压力与焊接构件残 余应力消除时所需的理论水射流压力范围进行比较以进行调整使实际有效水射流压力在理论 水射流压力范围内，通过金属电阻应变片64测得的总高压水射流冲击压力与喷嘴系统的进水 端的水射流压力相比，还可以得到水射流作业过程中从喷嘴系统入口至焊接构件表面的水射 流损耗情况。

另外，薄膜式压力分布传感器61的表面还涂覆硬质金属涂层，防止工作过程中高压水射 流直接喷射到薄膜式压力分布传感器61上造成传感器损坏，同时降低环境因素对水射流压力 分布测量精度的影响。

参照图8，本实施例中，高压发生系统3包括通过管路依次连接的水箱31、水泵32、过 滤器33、高压泵34、稳压罐35及压力表36，稳压罐35的出水端通过管路与喷嘴系统2的进水端连接，稳压罐35的出水端连接压力表36，压力表36通过电线与压力变送器4连接， 水泵32、高压泵34均通过电线分别与相应的驱动电机连接，并将水泵32及高压泵34的驱 动电机通过电线与计算机5连接。本实施例中采用高压泵34对水进行增压产生高压水射流束，产生的高压水射流通过稳压罐35稳定高压水射流束，然后通过管路向喷嘴系统2输送均匀稳 定的高压水射流束，避免高压泵34工作过程中由于吸入和排出液体过程不连续导致流量不均 匀；压力表36用于显示和记录高压发生系统中产生的高压水射流压力大小，并通过压力变送 器4将压力数据传输给计算机5。通过将高压发生系统的压力表数据与喷嘴入口压力检测组 件检测的压力数据进行对比，可以得到从高压发生系统水射流出口至喷嘴系统入口的水射流 损耗情况，或将通过将高压发生系统的压力表数据与金属电阻应变片测量的总高压水射流冲 击压力值进行对比，得到从高压发生系统水射流出口至焊接构件表面的水射流损耗情况，通 过分析损耗情况可以为后续通过调整高压发生系统产生的水射流压力大小使实际有效水射流 压力在理论水射流压力范围内提供最佳参数设置。

上述一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)将喷嘴系统2、高压发生系统3、压力变送器4、喷嘴入口压力检测组件、表面压力检测组件6等安装于机体1上，并将相应检测部件及传动电机17、驱动电机等与计算机5连接；

(2)将焊接构件放置于工作台13上；

(3)利用视觉图像检测装置可采集焊接构件图像信息，根据焊接构件图像信息确定焊缝 位置，然后通过焊接构件尺寸及焊缝位置预先设定焊接构件在X向及Y向的运动路线，并计 算焊接构件残余应力消除时所需的理论水射流压力范围；

(4)启动水泵32、高压泵34的驱动电机及传动电机17，水泵32将水箱31中的水经过滤器33过滤后注入高压泵34进行加压，通过管路将高压泵34产生的高压水射流束经稳压罐35稳定后输送到喷嘴系统2，高压水射流束经宝石喷嘴23加速后喷射到焊接构件上，且计算机根据设定运动路线控制传动电机带动焊接构件运动，依次对焊接构件的焊缝进行水射流强 化，降低焊接构件的残余应力，同时计算机采集薄膜式压力分布传感器61检测到的实际冲击 压力分布数据及金属电阻应变片64检测的总高压水射流冲击压力值、喷嘴入口压力检测组件 检测的压力数据及高压发生系统3的压力表数据。工作人员分析靶面的实际冲击压力分布情 况并根据分布曲线分析射流中心的实际有效水射流压力及实际有效射流面积，将实际有效水 射流压力与理论水射流压力范围进行对比，根据对比结果进行调整使实际有效水射流压力值 在理论水射流压力范围内，并将实际有效射流面积与焊缝尺寸及位置进行对比，调整焊接构 件的运动路径，使焊缝位于射流中心的实际有效水射流面积内。当射流中心的实际有效水射 流压力值与所需要的理论水射流压力范围偏差较大时，操作人员可以通过计算机来调节高压 泵驱动电机从而调节高压发生系统中产生的水射流压力大小，直到焊接构件上受到的实际有 效水射流压力值达到理论水射流压力范围，例如，当焊接构件上受到的实际有效水射流压力 值过小时，通过计算机调节高压发生系统3来提升高压水射流的压力；

(5)焊接构件的全部焊缝完成水射流强化作业后，依次关闭高压泵34、水泵32、稳压 罐35及传动电机17，当喷嘴系统2无高压水射流喷射时取下焊接构件；

(6)分析计算机采集的薄膜式压力分布传感器61检测到的实际冲击压力分布数据及金 属电阻应变片64检测的总高压水射流冲击压力值、喷嘴入口压力检测组件检测的压力数据、 高压发生系统3的压力表数据，得到焊接构件表面受到的实际冲击压力分布曲线、总高压水 射流冲击压力曲线及水射流输送过程中的损耗情况，且该损耗情况包括从高压发生系统3水 射流出口至喷嘴系统2入口的水射流损耗、水射流作业过程中从喷嘴系统2入口至焊接构件 表面的水射流损耗以及从高压发生系统3水射流出口至焊接构件表面的水射流损耗情况，具 体的，从高压发生系统3水射流出口至喷嘴系统2入口的水射流损耗通过高压发生系统3的 压力表36数据与喷嘴入口压力检测组件检测的压力数据进行计算；水射流作业过程中从喷嘴 系统2入口至焊接构件表面的水射流损耗通过喷嘴入口压力检测组件检测的压力数据与金属 电阻应变片64检测的总高压水射流冲击压力值进行计算；高压发生系统3水射流出口至焊接 构件表面的水射流损耗通过将高压发生系统3的压力表36数据与金属电阻应变片64测量的 总高压水射流冲击压力值进行计算，通过分析损耗情况可以为后续通过调整高压发生系统3 产生的水射流压力大小使实际有效水射流压力在理论水射流压力范围内提供最佳参数设置参 考。

实施例2

本实施例2与实施例1的区别为，本实施例提供的一种基于焊接残余应力调控的高压水 射流装置的结构与实施例1相同，本实施例中在对焊接构件进行高压水射流作业时，当检测 到焊接构件受到的实际有效水射流压力值与所需要的理论水射流压力范围偏差较大时，操作 人员控制高压发生系统3中产生的水射流压力大小不变，通过计算机5控制喷嘴系统2与焊 接构件间的距离来调节焊接构件受到的实际有效水射流压力值，而且测距传感器同时记录喷 管24与焊接构件间的距离。例如，当焊接构件上受到的实际有效水射流压力值过小时，通过 减小喷嘴系统2和焊接构件间的距离来增大焊接构件上受到的水射流冲击压力。在这种调控 方式下，计算机同时采集喷管24最底端与焊接构件之间的距离以及在不同距离时焊接构件上 受到的实际有效水射流压力值、金属电阻应变片64检测的总高压水射流冲击压力值、喷嘴入 口压力检测组件检测的压力数据、高压发生系统3的压力表36数据，可以分析不同距离时的 水射流损耗情况，为后续通过调整喷管与焊接构件之间的距离来调整焊接构件受到的实际有 效水射流压力提供最佳参数设置参考。

实施例3

本实施例3与实施例1、实施例2的区别在于，本实施例中工作台上未放置焊接构件， 采用薄膜式压力分布传感器61测量高压水射流直接作用在薄膜式压力分布传感器61靶面上 的实际冲击压力数据及金属电阻应变片64检测的总高压水射流冲击压力数据，得到实际冲击 压力分布曲线，以分析高压水射流作用在靶面上的实际压力分布情况以及高压水射流沿射流 中心向四周逐渐衰减情况，通过实际压力分布曲线可得到射流中心的实际有效水射流压力及 实际有效水射流面积，如图9所示，横坐标为靶面上测量点距离射流中心位置的距离，纵坐 标为水射流冲击压力，图中曲线的中间平稳部分对应的纵坐标即为实际有效水射流压力，其 对应的横坐标范围即为实际有效水射流直径(根据直径可计算面积)。另外，还可根据射流中 心的有效水射流面积来设置焊接构件的运动路线，保证焊接构件的焊缝位于射流中心的有效 水射流面积内。同时计算机5还采集高压发生系统3的压力表36数据与喷嘴入口压力检测组 件检测的压力数据，计算损耗情况，总结焊接构件靶面上的实际压力分布情况及水射流输送 过程中的损耗情况，为通过调整高压发生系统3产生的水射流压力大小使实际有效水射流压 力在理论水射流压力范围内提供最佳参数设置。

另外，喷嘴系统2中的测距传感器还可检测喷管24最底端与焊接构件之间的距离，还可 通过调整喷管24最底端与焊接构件之间的距离来检测不同距离时的焊接构件上受到的实际 有效水射流压力值、金属电阻应变片64检测的总高压水射流冲击压力值、喷嘴入口压力检测 组件检测的压力数据及高压发生系统3的压力表36数据，来分析不同距离时的水射流损耗情 况，为通过调整喷嘴系统2与焊接构件之间的距离来调整焊接构件受到的实际有效水射流压 力提供最佳参数设置，进而探究在利用高压水射流处理不同材料和不同焊接类型的焊接构件 时的最佳高压水射流工艺。

需要说明的是，X向滑台、Y向滑台、Z向滑台与传动电机、传动丝杠、调距块、滑动轨道之间的连接关系及传动电机通过传动丝杠带动X向滑台、Y向滑台、Z向滑台的工作原理等是本领域技术人员所知晓的，本发明中不再赘述，且本发明中未述及的部分采用或借鉴已有 技术即可实现。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方 位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而 不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

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。

Claims (10)

1.一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置，其特征在于，包括机体、喷嘴系统、高压发生系统、压力变送器及计算机，所述机体包括底座、立柱及工作台，所述立柱竖直固定在底座一侧，所述工作台设置于底座上方，所述喷嘴系统通过喷嘴固定台设置在立柱一侧且位于工作台上方，所述喷嘴系统通过管路与高压发生系统连接，所述压力变送器设置于底座一侧，所述压力变送器与计算机连接；

所述工作台上方设置有表面压力检测组件，所述表面压力检测组件包括从上至下依次叠放设置的薄膜式压力分布传感器、平衡板、绝缘块、金属电阻应变片，所述薄膜式压力分布传感器及金属电阻应变片分别通过电线与压力变送器连接；

所述喷嘴系统的进水端设置有喷嘴入口压力检测组件，所述喷嘴入口压力检测组件包括皮托管及压差计，所述皮托管的一端伸入喷嘴系统的进水端内部，所述皮托管的另一端连接压差计，所述压差计固定在喷嘴固定台一侧，所述压差计通过电线与压力变送器连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置，其特征在于，所述工作台上表面固定设置有至少3个基座，所述基座呈凹槽形，所述绝缘块及金属电阻应变片叠放设置于基座内，所述基座的两侧设置有绝缘外壳，所述绝缘块、金属电阻应变片、绝缘外壳及基座沿工作台的长度方向设置。

3.根据权利要求1所述的一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置，其特征在于，所述薄膜式压力分布传感器的表面涂覆硬质金属涂层。

4.根据权利要求1所述的一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置，其特征在于，所述喷嘴系统包括喷嘴固定筒、喷嘴体、宝石喷嘴、喷管，所述喷嘴固定筒固定设置于喷嘴固定台上，所述喷嘴固定筒内设置有水射流管，所述喷嘴体包括喷嘴体套筒及扩流喷嘴，所述扩流喷嘴位于喷嘴体套筒的底端，所述喷嘴体套筒套在喷嘴固定筒内，所述宝石喷嘴设置于喷嘴体套筒内且位于扩流喷嘴上方，所述喷管固定在扩流喷嘴下方，所述水射流管、宝石喷嘴、扩流喷嘴及喷管从上至下依次连通。

5.根据权利要求4所述的一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置，其特征在于，所述宝石喷嘴包括从上至下的锥形段Ⅰ及垂直缩颈段，所述扩流喷嘴包括从上至下的锥形段Ⅱ、垂直扩流段及锥形段Ⅲ，所述锥形段Ⅰ的直径从上至下逐渐缩小，所述锥形段Ⅱ及锥形段Ⅲ的直径从上至下逐渐增大，且所述垂直扩流段的直径大于垂直缩颈段的直径，所述喷管直径与锥形段Ⅲ底端直径相同。

6.根据权利要求4所述的一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置，其特征在于，所述喷嘴系统还包括喷嘴支架及位置检测系统，所述喷嘴支架的顶端固定设置于喷嘴固定筒一侧，所述位置检测系统固定设置于喷嘴支架的底端。

7.根据权利要求1所述的一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置，其特征在于，所述高压发生系统包括通过管路依次连接的水箱、水泵、过滤器、高压泵、稳压罐及压力表，所述稳压罐的出水端通过管路与喷嘴系统的进水端连接，所述稳压罐的出水端连接压力表，所述压力表通过电线与压力变送器连接，所述水泵、高压泵均通过电线与驱动电机连接，所述水泵及高压泵的驱动电机通过电线与计算机连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置，其特征在于，所述机体还包括X向滑台、Y向滑台、Z向滑台及分别控制X向滑台、Y向滑台、Z向滑台滑动的传动电机、传动丝杠、调距块，所述Y向滑台滑动设置于底座上方，所述X向滑台滑动设置于Y向滑台上方，所述Z向滑台滑动设置于立柱一侧，所述工作台固定设置于X向滑台上方，所述喷嘴系统通过喷嘴固定台固定于Z向滑台上，所述传动电机通过电线与计算机连接。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)安装高压水射流装置，并将相应检测部件与计算机连接；

(2)将焊接构件放置于工作台上；

(3)根据焊接构件尺寸及焊缝位置预先设定焊接构件在X向及Y向的运动路线，并计算焊接构件残余应力消除时所需的理论水射流压力范围；

(4)启动水泵、高压泵的驱动电机及传动电机，计算机根据设定运动路线控制传动电机带动焊接构件运动，依次对焊接构件的焊缝进行水射流强化，降低残余应力，同时计算机采集表面压力检测组件检测到的实际水射流压力数据、喷嘴入口压力检测组件检测的压力数据及高压发生系统的压力表数据，并将实际水射流压力数据与理论水射流压力范围进行对比，根据对比结果调整实际水射流压力在理论水射流压力范围内；

(5)焊接构件的全部焊缝完成水射流强化作业后，依次关闭高压泵、水泵、稳压罐及传动电机，当喷嘴系统无高压水射流喷射时取下焊接构件；

(6)分析计算机采集的表面压力检测组件检测到的实际水射流压力数据、喷嘴入口压力检测组件检测的压力数据及高压发生系统的压力表数据，得到焊接构件表面受到的实际冲击压力分布曲线及水射流输送过程中的损耗情况。

10.根据权利要求9所述的一种基于焊接残余应力调控的高压水射流装置的使用方法，其特征在于，所述步骤(4)中根据对比结果调整实际水射流压力数据在理论水射流压力范围内的方法包括：(a)调整高压泵产生的水射流压力使实际水射流压力在理论水射流压力范围内；(b)调整喷嘴系统与焊接构件之间的距离，使实际水射流压力在理论水射流压力范围内。

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