銅及銅合金大量應用在船舶螺旋槳、高速艦艇、水輪機、閥門、水泵等過流部件,空蝕使服役的螺旋槳使用效率下降,這不僅造成了巨大的經濟損失,甚至造成事故,威脅到生命安全造成重大損失[1,所以銅及銅合金的空蝕問題也是目前備受關注的問題之一。本文選取純銅作為試驗材料,對其進行一系列工藝參數的空化水噴丸處理,通過觀察噴丸后試樣的表面形貌、粗糙度,對空蝕孕育期內的損傷進行了探討。

1試驗材料和方法

試驗材料選用5mm厚的純銅（Cu)板材,在真空爐中500℃退火60min,以消除工業純銅板材的的殘余應力,得到均勻尺寸的晶粒。將純銅板材切成φ30 mm的圓片,經過鑲嵌、精磨和拋光處理,得到表面粗糙度(Sa)為0.13um金相試樣。

采用自行研制的空化水噴丸設備對試樣進行不同時間的噴丸處理。噴丸時試樣和噴嘴均淹沒在水中,選用直徑為1mm的噴嘴,垂直于噴丸式樣表面的中心處,噴嘴與試樣的距離為80mm,水射流壓力為20MPa。

采用ZEISS SUPRA55場發射掃描電子顯微鏡觀察試樣表面形貌變化,采用LEICA DCM3D型三維視頻顯微鏡對水噴丸后的表面形貌進行顯微組織觀察,分析表面粗糙度,金相試樣腐蝕劑采用5gFeCL,+25mlHCL+50mlH,O的混合溶液進行擦拭。

2試驗結果與分析

2.1表面空蝕損傷

采用淹沒式空化水射流對拋光態試樣表面進行噴丸處理,觀察試樣表面的損傷程度,一次射流區由噴嘴噴出的空化水射流垂直打在試樣表面,造成的接近噴嘴尺寸的損傷斑點,在該區外圍的環形損傷區,由于一次射流區空泡爆破產生的沖擊波對部分噴嘴噴出的水射流作用,可稱為混合射流區,其示意圖如圖1所示。測得低倍損傷表面形貌見圖2。觀察試驗后所得噴丸試樣,損傷嚴重的一次水射流區的尺寸約為1mm左右,與噴嘴直徑相近。

2.1.1一次射流區的損傷

通過觀察不同工藝參數空化水噴丸處理試樣表面的形貌變化,式樣進行水噴丸前必須處于機械拋光狀態。在20Mpa下噴丸不同時間后式樣的表面形貌如圖3所示。由圖3可見,水噴丸10min時,試樣表面已經出現少量塑性變形坑、大量空蝕針孔。塑性變形坑的尺寸大小不均勻,最大直徑為304m,空蝕針孔尺寸基本相同,約2um,見圖3 (b)。水噴丸25min時,損傷程度顯著加大,塑性變形坑和空蝕針孔數量明顯增多,但是尺寸變化很小,李晶形貌基本都顯現出來,而且局部空蝕針孔出現了匯聚的狀況,呈現局部少量剝落現象,見圖3(c)、3(d) 。噴丸40min時,試樣表面晶粒相貌完全顯現,說明由于塑性變形程度增加,晶內位錯移動和孿生的結果,使得晶粒發生了轉動,不同晶粒轉動方向和程度不同,晶粒高低起伏程度不同,從而顯現晶粒形貌。高倍數下觀察發現,空蝕針孔匯聚處開始有少量剝落,還出現開口大且深的空蝕孔洞,塑性變形產生的滑移帶也開始變形,呈現彎曲狀,見3 (e)、3(f)。噴丸60min時,試樣表面出現大量空蝕孔洞和空蝕針孔,但還能觀察到晶粒形貌,說明表面金屬剝落量小,可以觀察到空蝕孔洞內呈現網格狀,說明空洞內部以這種形式緩慢剝落。隨著時間繼續增加,塑性變形和剝落急劇上升,表面粗糙度進一步增大。噴丸90min時,試樣表面損傷嚴重,大量金屬剝落,只存在深的空蝕孔洞,可以看到大塊金屬剝落后的形貌。由于純鋼的硬度低,受到空泡作用產生塑性變形坑,使坑周圍的金屬凸起,大量空蝕孔洞互相擠壓,金屬凸起程度越來越大,最后整塊剝落,孔洞內部存在滑移帶,如圖3 (i)所示。

為了更清晰的觀察一次射流區塑性變形坑空蝕針孔的出現和生長,進行20MPa下的一次射流損傷區的原位觀察,在一次射流區固定位置隨著時間的增加觀察固定位置塑性變形坑及其周圍區域內的變化,分析塑性變形坑的長大方式。

如圖4 (a)所示,噴丸1min時就出現了塑性變形坑,尺寸大約為25um,內部呈魚鱗紋且存在空蝕針孔。噴丸增加到10min后,空蝕坑周圍出現少量機械損傷和剝落,依然存在空蝕針孔,空蝕坑的大小變化較小,但是空蝕坑邊緣變圓滑且內部的魚鱗紋也變淺,如圖4 (b) 。當時間增加到15min時可以清晰觀察到空蝕坑尺寸變大,形狀開始趨于圓形,內部魚鱗紋變得更淺,局部放大后可觀察到空蝕坑邊緣存在大量的針孔,隨著空泡在內部的潰滅產生沖擊波,這些針孔緩慢聚集,局部區域出現少量掉落的情況,因此由于針孔大量聚集造成邊緣金屬少量且緩慢的剝落,使得空蝕坑的尺寸緩慢變大,如圖4 (b) (c)所示。

2.1.2混合射流損傷區形貌

隨著時間的逐步遞增,對試樣表面的混合射流區進行細致的觀察,沒有觀察到一次射流區的空蝕坑,短時間內在混合射流區形成大且淺的坑,同時坑內可觀察到晶粒形貌以及空蝕針孔。

隨著時間的增加,混合射流區的晶粒形貌逐漸清晰,晶粒轉動程度逐漸遞增,同時存在變形的滑移帶,匯聚成網狀結構。因為一次射流區空泡爆破產生射流影響部分噴嘴噴出的空化水射流,使得這部分空化水到達試樣表面時能量降低,同時具有一定的方向性,所具有的能量不足以使試樣表面產生塑性變形坑,只會形成小的空蝕針孔和滑移帶,同時顯現晶粒形貌,如圖5所示。

2.2表面粗糙度分析

采用LEICA DCM3D型三維視頻顯微鏡觀察不同時間噴丸處理后式樣的表面粗糙,隨著時間的累加到90min,一次射流區和混合射流區的損傷程度逐步上升。如圖5所示,不同時間兩區的粗糙度曲線可知,隨著時間增加兩區的粗糙度都是逐漸上升的,但是混合射流區的粗糙度總是大于一次射流區,因為一次射流區受到垂直表面的空化水射流作用,表面縱向受到大部分沖擊力,空蝕損傷最嚴重,形成密集空蝕坑,如圖6(b)所示。由圖6 (a) （c)可以看出,一次射流區的空蝕損傷最大,混合射流區次之。由圖6 (d)可知,混合射流區室蝕坑開口大,空蝕坑內部和邊緣圓滑,呈現孔狀,空蝕坑稀疏,因為退火純銅HV0.01硬度在60HV左右,塑性較好,不易形成脆性裂紋,所以在水射流和空泡作用下,形成大且圓滑的空蝕坑,說明該區空化水射流的空泡的數量減少,具有一定方向性。因此相比一次射流區所測粗糙度,混合射流區的空蝕坑起伏變化大,即混合射流區粗糙度大于一次射流區。

3結論

(1)一次射流區,隨噴丸時間逐漸增加,塑性變形坑和空蝕針孔數量增多，李晶晶界開始顯現，直到表面金屬剝落程度顯著增加,使得表面粗糙度也明顯增大,同時出現大量的變形滑移帶。
(2)通過原位觀察可知，塑性變形坑是以邊緣的空蝕針孔聚集形成少量剝落這種形式長大。
(3),短時間內混合射流區出現大且淺的空蝕坑,內部觀察到晶粒相貌,隨著時間增長整個區域的晶粒形貌都會顯現。
(4)隨噴丸時間增加,兩區表面粗糙度逐漸上升，且混合射流區大于一次射流區。

江蘇空化水射流噴丸設備廠家，噴丸代工服務和噴丸試驗代做服務公司，竭誠歡迎您的垂詢。

0 引言

焊接是現代生產不可缺少 的加工工藝 ，但焊 后不可避免產生殘余 應力 ，對結構完整性產生很 大影響。如何降低殘余應力一直是研究的熱點 問 題 ，其 方 法 主 要 有 :焊 后 熱 處 理 (Post—weldingheattreatment，簡稱 PWHT)、力學形變法(過載拉 伸 、振 動 時 效 、錘 擊 、噴 丸 、爆 炸 處 理 等 )和 溫 差 形 變 法 ? 。 PW HT 是 當 前 焊 后 消 除 殘 余 應 力 的 最 主 要方法 ，但 目前很多容器都未經熱處理直接使用 。 機械作用法雖然應用較為廣泛，但這些方法難 以 消除死角部位 (如接管根部 )的殘余應力 ，使得斷 裂失效往往產生于死角位置。

高壓水射流是一種新的表 面強化方法 ，與傳 統噴丸相 比具有強化效果好 、成本低 、無污染 、便 于實現 自動化和容易對狹窄 、深 凹槽部位進行強 化 等 諸 多 優 點 j。 2O 世 紀 80 年 代 末 ，Zafred 首 先提 出利用高壓水射流進行金屬表面噴丸強化的 思想 ，從而開始了高壓水射流噴丸強化 技術 的研 究 。國內，董星等 對高壓水射流噴丸強化 技術進行 了研究 ，指 出高壓水射流噴丸 能使材料 表層產生塑性變形 ，得到理想的組織結構 和殘余 應 力 分布 。

文中提出采用高壓水 射流降低 焊接殘 余應 力，并利用有限元法進行數值模擬，獲得經高壓水 射流處理前后殘余應力 的變化 ，并從機理上進行 解釋 ，證明高壓水射流是一種 降低焊接殘余應力 的有效方法 。

1 有限元模型

1.1 高壓水射流降低殘余應力過程

高壓水射流是 以水 作為工作介質 ，通過增壓系統和特定形狀 的噴嘴產生高速射流束 ，形成具 有極高能級密 度 的水射 流束。高壓水 射流 降 低殘余應力的具體過程如圖 1所示。噴頭垂直于試樣表面 ，并沿著 P方 向平行移動 ，水道 中的水 由超高壓泵輸送到噴嘴處 ，形成高壓 ，經噴嘴后沖擊在試件焊縫表面上。

1.2 有限元分析思路

首先對焊接溫度場進行模擬，然后計算殘余應力，最后對高壓水射流沖擊焊縫表面進行模擬。由于焊接溫度場對殘余 應力影 響很大 ，而應力場 對溫度場的影響很小，利用 ABAQUS開發出一個 順次耦合 的計算程序來模擬焊接殘余應力 。 首先計算溫度場 ，將各節點溫度場計算結果輸出 到結果文件作為力分析 的預定義場 ，在力分析過 程中，從此預定義場 中讀取各節點的溫度 ，進行插 值計算得到焊接殘余應力場 ;然后 ，模擬移動高壓 水射流噴射壓力載荷 ，作用在焊縫表面 ，得到高壓 水射流處理后的殘余應力分布 ，并與高壓水射流 處理前 的殘余應力進行比較。

1.3 幾何模型及網格劃分 

以不銹鋼復合板補焊接頭為例，如圖2所示。復 層 材 料 304 不 銹 鋼 ，基 層 材 料 Q345R ，厚 度 分 別 為 3 和 17 mm ;復 合 板 尺 寸 為 300 mm ×30 0 mm × 20mm。在覆層材料中間位置進行補焊，補焊深 度 為 4 m m ，其 中 基 層 刨 深 1 m m ，坡 口 角 度 3 0。

利 用 有 限 元 軟 件 ABAQUS，根 據 圖 2 所 示 幾 何尺寸建立三維模型。利用單元鈍化與激活方法 來形成焊縫金屬。在焊縫及熱影響區 ，殘余應力 比 較 大 ，網 格 劃 分 較 為 密 集 ，在 遠 離 焊 縫 的 區 域 ， 網格較為稀疏 。圖 3示 出了網格劃分模式 ，共有 55575 個 節 點 和 49728 個 單 元 。 溫 度 場 采 用 D C 3 D 8 單 元 ，應 力 場 計 算 采 用 C 3 D 8 單 元 。 熱 分 析和力分析采用相同的單元和節點 。

1.4 材料參數

材料參數的選取需要考慮焊接過程隨溫度變化的效應，并且假定材料在高溫狀態下，物理性能不變。計算焊接溫度場和殘余應力場所需 物 理 性 能 和 力 學 性 能 參 數 ，焊 接 采 用 手 工 電 弧 焊 ，電 流 155 A ，電 壓 25 V ，焊 接 速 度 2.5 mm/s，焊 接 熱 效 率 取 0.85。

1.5 邊界條件和初始條件
在焊接溫度場 中，模 型外表面為對流和輻射邊界條件，對流系數取 10W/(m ·K)，輻射發射 率 取 0.85，初 始 溫 度 取 20 °C 。

在殘余應力分析和水射流分析 中，在不銹鋼 復 合 板 底 部 4 個 端 點 約 束 其 所 有 自 由 度 ，限 制 焊 件的剛性移動。

1.6 溫 度 場 模 擬

采 用 標 準 的 Goldak 雙 橢 球 熱 源 模 型 ，它 由 前 后 兩 個 1/4 的 橢 球 組 成 ，數 學 表 達 式 如 下 :

模型前半部分橢球的體熱流密度分布為 :

將電弧看成輻射狀對稱并成雙橢球分布作用 于焊縫表面，用 FORTRAN語言編寫熱源子程序DFLUX，在 ABAQUS中調用該子程序進行計算。 隨著時間t的變化，電弧中心沿焊縫表面做直線 移動，實現了熱源的移動，進行熱分析，得到焊接 溫 度 場 。

1.7 殘余應力計算
在殘余應力分析過程 中，將各節點溫度場計算結果輸 出到結果文件作為力分析 的預定義場 ， 再從預定義場 中讀取各節點的溫度 ，進行插值計 算 得 到 焊 接 殘 余 應 力 場 。

假定總應變可表示成 :

由胡克定律可計算 出彈性應變 ，塑性應變服 從 Mises屈 服 準 則 以 及 各 向 同 性 強 化 模 型 ，熱 應 變根據熱膨脹系數計算。

1.8 高壓水射流模擬

高壓水射流對試樣的作用力隨著沖擊半徑增 大 而 減 小 ，直 至 為 零 。 其 分 布 曲 線 如 圖 4 所。

將高壓水射流沖擊過程看成是一具有函數分布的分布力加載在焊縫表面。用 FORTRAN語 言，將式(4)編寫為一個三維的高壓水射流移動 載荷子程序 DLOAD，在 ABAQUS中調用該子程 序進行計算 ，得到經高壓水射 流處理的殘余應力 分布。

本次模擬計算取噴嘴直徑為 1mm，射流噴丸 壓 力 為 500 MPa，則 根 據 文 獻 計 算 得 射 流 作 用 于 復 合 板 上 的 沖 擊 半 徑 為 1.291 mm ，射 流 作 用 于復合板上的沖擊 中心處軸心動壓 P =500 MPa。取與實際噴丸條件吻合，取射流沖擊半徑 為 1 .3 m m ，本 次 模 型 中 焊 縫 寬 度 8 .6 m m ，為 使 水射流能夠加載完在整個焊縫區域,可將高壓水射流沿不重復路線沖擊7次。
為簡化計算,提出以下基本假設”:(1)忽略射流基本段橫向速度的影響;
(2)射流垂直沖擊試件表面,對試件施加的是非線性軸對稱面分布載荷;
(3)忽略射流沖擊持續時間的影響,以準靜態壓力分布代替瞬態沖擊壓力分布;
(4)受高壓水射流沖擊的覆材和基材為均質的各向同性體。

2結果與分析

圖5示出了某時刻焊接溫度場分布云圖。焊縫中心最高溫度為2342 ℃,整個焊縫區域溫度均已超過熔點,這說明計算模擬與實際的熔池和熱影響區尺寸大致相符。遠離焊縫中心,溫度逐漸降低。

分別定義沿x,y和z方向的殘余應力分別為橫向應力o,厚度應力o,縱向應力0.。由于厚度方向應力。,很小,因此不對其進行分析。圖6,7分別示出了模型在高壓水射流加載前后o,和0,分布云圖。從圖中應力顏色變化很明顯可以看出,焊縫及熱影響周圍區域表面的殘余應力得到了大大降低,說明高壓水射流能夠降低焊接殘余應力。

圖8示出了高壓水射流加載前后焊縫表面殘余應力分布。在焊態下,焊縫及熱影響區產生了較高的殘余拉應力。在焊縫區域,最大橫向和縱向應力分別為198和288 MPa,在熱影響區,最大橫向和縱向應力分別為223和269 MPa。這是由于焊接熱輸入引起材料不均勻局部加熱,熔池高溫區材料的熱膨脹受到周圍材料的限制,產生不均勻壓縮塑性變形,在冷卻過程中,已發生塑性變形的這部分材料受到周圍材料的制約,而不能自由收縮,形成了拉應力。遠離焊縫和熱影響區,應力逐漸降低。

從圖8可以看出,經高壓水射流作用后,殘余應力得到降低。在焊縫區,橫向應力降低到-18.9 MPa以下,最大降低至-46. 7 MPa,最大1降低幅值達到216.8 MPa,平均降低了122.2%;縱向應力降低到68.9 MPa以下,最大降低至-66.1 MPa,最大降低幅值達到354.0 MPa,平均降低了103.4%。在熱影響區,橫向應力降低到66.1 MPa以下,最大降低至-7.2 MPa,最大降低幅值達到215.4 MPa,平均降低了88.7% ;縱向應力降低到104.3 MPa以下,最大降低至93. 5MPa,最大降低幅值達到175.8 MPa,平均降低了

60.9% 。

由以上分析可知 ，經高壓水射流處理后 ，焊縫 表面及熱影響區的殘余應力得到了很大程度的降 低 ，在焊縫區已經產生了壓縮應力 ，有效控制了疲 勞源 的萌生 和裂紋 的擴展 。

圖9示出了焊縫表面在高壓水射流處理前后 的等效塑性應變分布。可以看出，經高壓水射流 處理后的焊縫區表面等效塑性應變增大。高壓水射流處理作用在內部存在殘余拉應力的不銹鋼復 合板表面上 ，其攜帶 的巨大沖擊壓應力在材料表 層產生足夠的塑性變形 ，由此殘余應力得到松弛。

水射流高速撞擊材料表面，材料表面吸收這種能量后 ，在微觀上必然伴隨位錯結構的改變 ，位 錯在切應力的作用下運動，使 晶體 內的位錯發生 滑移 ，產生強烈的塑性變形 ，晶體內的位錯發生反 復的滑移和攀移 ，導致金屬晶格發生畸變和嚴重 的塑性變形。金屬晶體通過位錯運動產生的微觀 塑性變形又會使峰值殘余應力得 以釋放 ，從宏觀 的表現形式上來看 ，殘余應力就會得到重新分布 ， 故應力水平大大降低且均勻化 ，即構件 的殘余應 力得到釋放。

3 結語

通 過 有 限 元 軟 件 ABAQUS，建 立 了 不 銹 鋼 復 合板三維有限元模型 ，編寫了雙橢球熱源及高壓 水射流移動載荷子程序 ，得到了經高壓水射流處 理前后不銹鋼復合板表面橫 向和縱 向的殘余應力 分布規律。計算結果表明，經高壓水射流處理后 ，焊縫及熱影響區表面的殘余應力得到明顯降低， 在焊縫區已經產生了壓縮應力 ，證 明高壓水射流 是降低焊接殘余應力的有效方法 。

我們從事高壓水射流噴丸強化設備等研制與制造，可以根據客戶具體要求配置方案，為客戶提供高性價比的高壓水射流噴丸強化機。

1引言

噴丸強化是提高金屬零部件疲勞性能最有效的方法。后混合水射流噴丸強化是高壓水射流技術的一個重要分支,是1980年代末問世的一項濕法噴丸強化新技術”。
其強化原理是:由高壓泵產生的高壓水,通過噴頭的水噴嘴噴出形成高壓水射流,彈丸由供丸裝置送入混合室,與高壓水射流在混合室內發生劇烈摻混和動量交換,最后經彈丸噴嘴噴出,形成彈丸射流并噴射到金屬零部件表面,零部件表層材料在再,晶溫度下產生塑性形變(冷作硬化層),呈現理想的組織結構(組織強化)和殘余應力分布(應力強化),從而達到提高零部件周期疲勞強度和抗應力腐蝕能力的目的。它開辟了后混合水射流新的應用領域,并使傳統的噴丸強化技術增添了新的技術優勢,且噴丸強化效果顯著。然而經檢索目前并無專門用于實際工業生產的后混合水射流噴丸強化裝置,大大制約著科研工作者對后混合水射流噴丸強化技術的深人研究及工業推廣,因此研制適用于工業生產實際的成本低、噴丸效果好、安全可靠、使用方便、經濟環保的后混合水射流噴丸強化裝置具有較大的經濟意義和重要的應用價值。

2系統設計

后混合水射流噴丸強化裝置主要由供水系統、供壓系統、供丸系統及控制系統組成。

(1)供水系統

對于后混合水射流噴丸強化裝置而言,水是動能傳遞的載體。供水系統對噴丸強化裝置用水進行水質軟化處理,使水的pH值達到6-8,并對水的pH值進行監測,必要時加人清洗劑、防銹劑等添加劑,并采用具有粗、精雙重過濾的過濾器進行過濾,確保濾去水中粒徑大于0.45um的塵埃、微粒、礦物質沉淀物等,以減輕對過流部件的腐蝕和磨損,延長各過流部件的使用壽命。

(2)供壓系統

供壓系統是整個噴丸強化裝置的動力源,是將原動機的能量轉換為水的壓力能輸出,為水射流噴丸強化裝置的正常工作提供動力的系統,因此其輸出壓力范圍、供壓穩定性及脈動量均影響著噴丸壓力和強化效果。供壓系統采用前置泵和增壓泵,前置泵將水箱中的水經過濾器輸送至增壓泵內,由增壓泵加壓至工作壓力。設計中裝置壓力為:0-380MPa,脈動量控制在5%之內,增壓裝置采用臥式雙作用柱塞增壓泵,不均勻系數為13%。并安裝壓力檢測裝置,將檢測到的壓力顯示在壓力表上,以便操作人員對工作壓力進行監控和調節,滿足噴丸所需的工作壓力。

（3）供丸系統

在進行后混合水射流噴丸強化時,需向噴頭的混合室流 內均勻、連續、統精確地給彈丸，因此要求其管工作可靠、不堵塞以及定量供丸、連續供丸。設計中采用以壓縮空氣為動力、可以實現大流量供給的干丸供給系統。該系統由空氣壓縮機、油水分離器、氣閥、貯丸罐、彈丸閥、供丸管等組成,如圖1所示。其中油水分離器是分離壓縮空氣中凝聚的油分和水分等雜質的裝置,使壓縮空氣得到凈化,減少空氣、彈丸混合流的含水量;貯丸罐為倒錐形,可以保證彈丸供給通暢、不易堵塞;氣閥控制空氣流量;彈丸閥控制彈丸流量。

(4)控制系統

控制系統是控制水射流噴丸強化裝置中各軸的運動以及供水系統、供壓系統、供丸系統的工作,并控制噴丸強化過程中各個參數,以實現對金屬零部件的精確噴丸,使其得到預期的強化效果。

設計中考慮對回轉工件的噴丸強化,機床具有X、rZ軸以及繞工件轉動的回轉軸,因此其控制系統應具備四軸三聯動的功能,并可實現對供水系統、供壓系統及供丸系統的精確控制。綜合考慮上述要求及性價比等,設計中采用國產華興WA-320W型數控系統作為后混合水射流噴丸強化裝置的控制系統。

3結構設計

(1)工作臺

工作臺是后混合水射流噴丸強化裝置的主體部分,設計中工作臺采用具有噴丸效率高、跨距大、剛度高的噴頭運動式龍門結構。整體結構主要由左右龍門架與橫梁、工作臺面與回轉機構、動力元件、傳動系統、防護罩及工件定位裝置等幾部分組成。整個工作臺具有X、Y、Z軸以及繞工件轉動的回轉軸B軸,可實現四軸三聯動,如圖2所示。

由于噴頭上的彈丸噴嘴為脆性材料制成,不能與受噴工件發生直接接觸,因此不易對正起噴位置,所以容易導致實際噴丸位置與理論噴丸位置存在誤差。為減小或消除這種誤差、實現噴丸效果,本文首次設計了能夠應用于工業生產的激光工件定位裝置,如圖3所示,主要由激光探頭、探頭座、導軌和鎖緊裝置等組成。其工作原理是當受噴工件安裝并固定在工作臺面后,沿導軌4分別移動X向和Y向上的探頭座2,使激光探頭1發出的扇面形激光束對準起噴位置,然后控制噴頭移到兩激光束所相交的位置,當兩個激光探頭發出的扇面形激光完全被噴頭遮住時便完成了工件的定位。

(2) 噴頭

噴頭是水射流噴丸強化裝置中重要的組成部分,其性能優劣和使用壽命的長短直接影響著噴丸強化的效果和經濟效益。后混合水射流噴丸噴頭主要由水噴嘴、混合室和彈丸噴嘴三部分組成。綜合考慮能量傳輸效率、射流密集性及加工難易性等因素,將噴頭設計成單射流側進式結構,如圖4所示。其基本工作原理是,高壓水通過中間管路經水噴嘴1噴出高壓水射流,彈丸由空氣壓縮機為動力源的供丸系統送至噴頭的混合室2內,并在混合室內與水射流摻混和能量交換,經彈丸噴嘴4噴出,形成彈丸射流。

水噴嘴是高壓水的壓能轉變為動能的唯一零件,考能量傳輸效率、耐磨性、水噴嘴是高壓水的壓能轉變為動能的唯一零件,考慮能量傳輸效率、耐磨性、加工難易性及使用成本等因素,將水噴嘴設計成圓E收斂形, 采用人造紅寶石制成,如圖5所示,其中收斂角a=13度 .d=0.33mm,l =0.8mm， L=2mm， d =2mm。

彈丸噴嘴的結構形式與水噴嘴結構相近,并適當加長了圓柱段的長度。彈丸噴嘴直徑過小,不僅磨損嚴重,而且還會影響混合室內的真空度,嚴重時甚至被彈丸堵塞;彈丸噴嘴直徑過大,射流擴散嚴重,而且還有可能造成空氣由彈丸噴嘴流入混合室,破壞混合室內的真空度,影響彈丸與水射流的混合效果,進一步加劇彈丸射流擴散。設計中采用碳化鎢硬質合金作為彈丸噴嘴材料,彈丸噴嘴長度為77.5mm,彈丸噴嘴直徑為0.8mm

4結語

本文在滿足安全可靠、使用方便、經濟環保等要求的基礎上,設計了可對板類、軸類及曲面類金屬零部件實現全覆蓋率噴丸強化的后混合水射流噴丸強化裝置。供水系統采用具有粗、精雙重過濾的過濾器對后混合水射流噴丸用水進行過濾并檢測其pH值;供壓系統采用臥式雙作用柱塞增壓泵為增壓裝置,并安裝壓力檢測裝置檢測工作壓力;供丸系統采用以壓縮空氣為動力的干丸供給系統,實現了工作可靠、供丸均勻、不堵塞、定量供丸和連續供應彈丸;控制系統采用可實現四軸三聯動的華興WA-320w型數控系統;工作臺設計為噴頭運動式的龍門結構,具有X、Y、Z軸和繞工件轉動的回轉軸4個基本坐標軸,并首次設計了可提高工件定位精度的激光工件定位裝置;噴頭為結構簡單、體積小、易于加工、射流穩定性較高的單射流側進式噴頭,水噴嘴采用由人造紅寶石加工成的圓錐收斂形結構,收斂角為130,彈丸噴嘴采用具有高硬度和耐磨性的碳化鎢硬質合金制成,長度為77.5mm,直徑為0.8mm。

0前言

空化水噴丸技術是一項新型表面強化處理技 術 ，它依靠 自身的技術特點和優勢，在金屬表面改 性技術領域中引起許多學者的廣泛關注 。其工作原理是合理利用淹沒式高速高壓水射流空化后形成的 大量微小空泡群，空泡群在固體邊界附近潰滅時可 產生高達上 GPa的沖擊波壓力，利用該壓力來強化 金屬材料。目前的研究結果已經證明了該技術和 其他噴丸技術一樣能在金屬零部件的近表形成壓縮 殘余應力層，同時改善微觀組織結構 ，進而提高零 部 件 的 疲 勞 壽 命 。 但 是 該 工 藝 中 的 空 化 行 為 涉 及 高速、高壓、多相、相變 、湍流、非定常特性等復 雜多變情況，因此對該工藝中的空化行為及沖擊壓力場分布規律的探索一直是該領域的研究熱點。易燦等19設計研制了圍壓下自振噴嘴,通過試驗研究表明該噴嘴的最大起始空化數可以達到1.67,而普通錐形噴嘴最大值僅為0.54,李疆等用數值模擬的方法計算出空泡在近固壁面附近潰滅時產生的微射流的速度可達到v=200 m/s,并利用水錘方程求解微射流在壁面所產生的壓力高達到300 MPa,鄧松圣等應用K-6湍流模型并采用SIMPLEC算法對角型噴嘴的空化流場進行了數值模擬,并驗證了模擬結果的正確性。盧義玉等用Standard K-e, RNGK-e和Standard K-c湍流模型對縮放型噴嘴內部流場進行了數值模擬,結果表明RNGK-w模型最適合對縮放型噴嘴內部流場的數值模擬。SAHAYA等通過對鋁合金沖蝕試驗,發現了在油空化射流沖擊區域中,由于空泡潰滅產生的微射流,作用在材料表面產生沖擊壓力,超過了材料的屈服強度,可在材料表面產生沖蝕影響。QIN等基于RayleighPlesset氣泡動力學方程建立縮放型噴嘴的內流場的動力學模型,并采用變時間步長求解高非線性二階差分方程,獲得精確的空化泡生長、潰滅和回彈等結果。董星等模擬了不同壓力作用下水射流在2A11鋁合金材料表層產生的殘余應力場,選取射流的噴丸壓力為60~120 MPa,到目前為止,關于空化水噴丸工藝中空化行為的相關研究結果還鮮有報道。本文擬采用FLUNET6.3流體計算軟件,利用RNG Ke模型和SIMPLEC算法對空化水噴丸工藝中的空化行為進行數值模擬,同時利用富士壓敏紙對空化水噴丸工藝中沖擊波壓力大小和分布進行試驗驗證。

1數學模型

1.1 物理模型和網格劃分

在空化水噴丸工藝中常溫水通過高壓柱塞泵加壓后,再通過放縮型噴嘴射入充滿水的容器中形成淹沒式高壓水射流,在射流方向上產生劇烈的空化現象,靠微空泡群在金屬材料表面潰滅時產生的沖擊波壓力來強化材料的表面,其簡化后的物理模型如圖1所示,主要包括高壓水入口、縮放型噴嘴、常壓出口和充滿水的空化工作四部分構成。
為縮短計算時間,縮小了模擬空化容器的體積,其尺寸為中60 mmx60 mm。設定空化射流的工作區域和噴嘴的形狀成軸對稱,因此只需要取1/2的物理模型體積進行離散化。如圖2所示,在噴嘴的收縮段、擴散段以及噴嘴出口段進行網格局部細化。
經初步計算分析,物理模型劃分為25 804個四邊形網格，采用二階迎風格式對控制方程進行離散。

1.2邊界條件

參照空化水噴丸工藝中常用的工藝參數和實際工況環境,對模型進行了相應簡化,并施加如下邊界條件。
(1)入口邊界條件為壓h入口, p1=32 MPa,入口直徑d=6mm。
(2)出口邊界條件設為壓力出口, p2=1.013×10五次方 Pa,出口直徑d2=2 mm
(3)軸線上邊界條件取徑向速度v=0;固體壁面條件,壁面上滿足無滑移條件,采用壁面函數法對近壁區處理。
(4)水流溫度恒定,室溫取300 K.

2 模擬結果

數值模擬中采用湍流模型k-e中的RNG模型處理粘度項, SIMPLEC算法對壓力速度進行耦合,選擇合適的松弛因子后,進行數值模擬。
模擬后的流場中沿x軸線方向上的靜壓分布如圖3所示,在噴嘴的喉部(x-0.020~-0.012 m區間內)有明顯的壓降,最大壓降約-20 MPa,隨后壓力又恢復到噴嘴出口處的壓值1.013×10五次方 Pa。如果存在微小空泡核沿著噴嘴流動,它必然會經歷噴嘴處的壓力變化,導致空化泡的產生和潰滅。

圖4是非空化射流(未考慮空化現象)和空化射流的速度場的對照圖。從圖4可以看出,二者的速度場分布規律基本相同,后者在數值上略大于前者,在分布上略廣與前者。兩種模擬結果的流場速度分布在噴嘴縮放段速度梯度較大,并且速度變化明顯;
在離開噴嘴出口之后,流體出現一個等速流核區,并且在垂直于軸向方向存在明顯的速度梯度變化;在等速流核區末尾,流體速度迅速降低。

由圖5中可以明顯看出,在淹沒式非空化條件下,水射流的速度衰減得很快。這就意味著如果在水噴丸工藝中使用傳統的水射流噴丸工藝,周圍的水環境不僅會造成水射流的速度嚴重衰減,還會影響射流的有效距離范圍,進而降低水噴丸能力和水射流的效率。但在空化條件下,空化射流的速度相心區比水射流長;另外,由圖5中還可以觀察到,在坐標0點以后沿x軸線方向,在相同坐標位置空化射流所對應的速度值都明顯大于非空化射流的速度值。

由圖6中可以看出,在噴嘴擴張段處明顯發生了空化現象,這與空化通常發生在穩定空泡的下游相吻合,因為水流從入口的收縮段到噴嘴中間位置,流速逐漸加大,導致壓力驟減,進入噴嘴擴張段后,流速突然降低,在擴張段壁面附近由于突然擴張而產生一個低壓區,空泡得以滯留。但由于突然產生的漩渦,導致流體流動的連續性被破壞,空泡的體積濃度急劇增大,在擴張段壁面附近的最高汽含率達到0.99。

3試驗研究

3.1試驗裝置

試驗研究中使用的空化水噴丸裝置主體結構如圖7所示,主要包括蓄水罐、高壓泵、氣泵、豌量計、噴嘴、工作水槽、夾具等部分。蓄水罐中的水通過高壓泵(最高壓力為32 MPa,常用流量為16 L/min)進行加壓后通過噴嘴射入工作水槽(水槽內水為常溫常壓狀態)中,形成垂直淹沒式空化射流。該工藝的主要工藝參數包括工作壓力、通氣量、噴嘴直徑、噴射距離、噴丸時間等。

3.2 沖擊壓測定試驗方法

為了測定空化水噴丸工藝中沿空化射流方向上由于空泡潰滅產生的沖擊波壓力分布規律,本研究使用Fuijfilm超高壓壓敏紙(量程: 130~300 MPa),并選用與數值模擬時相同的工藝條件和試驗環境進行試驗測定。壓敏紙由聚酯纖維材料基底層、成色層和含顯色材料的微膠囊層復合而成。
當沖擊壓力p作用在壓敏紙上時,造色層中微膠囊發生破裂,成色層吸收微膠囊中的顯色物質并發生反應而形成濃度不均的紅色斑點,利用FPD-30SE顏色指示器(專用濃度計)和FPS-307E軟件(專用壓力換算軟件)可以將壓敏紙的變色濃度轉化為相應的壓力值。測定方法如圖8所示,將感壓紙密封粘結在專用夾具上,然后豎直置于空化射流工作區域中心做t=5s的感壓處理。

在空化水噴丸工藝中工作壓力、噴嘴直徑、流量等工藝參數通常保持恒定,通氣量、噴丸時間、噴射距離是可調的工藝參數,而通氣量是影響空化射流方向上沖擊波壓力大小的關鍵參數,因此試驗中對不同通氣量(0 L/min,0.2 L/min,0.4 L/min0.6L/min, 0.8 Lmin, 1.0 L/min)條件下的沖擊壓力分布進行測定。

3.3試驗結果分析

感壓后的壓敏紙如圖9a所示,當受到沖擊壓力的作用后,壓敏紙上形成了一個火焰狀濃度不均的紅色區域,利用FPD-30SE專用濃度計對壓敏紙的變色濃度進行讀取、量化和記錄,直接利用FPS-307E專用壓力轉換軟件將對應的濃度值轉化成相應的沖擊壓力值。圖9b中顯示了一個變色濃度的標準比色卡,最低濃度0.1對應130 MPa,最高濃度1.3對應300 MPa,從圖9c也可以看出用高速攝像機拍攝的空化射流方向上的空泡云照片和感壓后壓敏紙的變色分布規律有著很好的一致性沿空化射流方向上,不同通氣量條件下由于空泡潰滅產生的沖擊波壓力分布的測量結果如圖10所示。當通氣量由0L/min增加到0.4 L/min時,沖擊壓力的值也逐漸變大,工藝能力得到提高。當通氣量繼續增加到1.0 L/min時,沖擊壓力值逐漸變小,工藝能力下降。當通氣量達到1.0L/min時的沖擊壓力值比0L/min時的值還要小,表明過多地通入空氣會抑制空化現象的產生,反而降低該工藝的強化能力。當通氣量為0.4 L/min時沖擊壓力的最大值達到了300 MPa,射流方向上距離噴嘴上方60-120 mm范圍內的沖擊波壓力值較高,在250-300 MPа范圍內。

圖11是不同通氣量條件下的沖擊壓力極值,從圖11可以看出通氣量在0.2~0.6 L/min范圍內,測得沖擊壓力極值都在270 MPa以上,說明該工藝范圍具有較強的工藝能力。當通入空氣量達到1.0L/min后沖擊壓力的極大值下降到145 MPa,比通氣量0L/min時還低35 MPa。

4 結論

(1) 采 用 湍 流 模 型K-e中的RNG模型適合空化水噴丸工藝 中縮放型噴嘴 內外流場的數值模擬 ，可 獲得流場的速度和汽含率分布等。

(2) 在 噴 嘴 的 喉 部 處 產 生 約 -20 M Pa 的 壓 降 ， 可促進空化現象的發生 ，同時在噴嘴擴張段處 由于 壓 力的降低和噴嘴形狀 的改變也加劇 了空化現象的 產生。

(3)利用壓敏紙測定沖擊波壓力分布的試驗結 果表 明空化水噴丸工藝中沿空化射流方 向上 由于空 泡潰滅產生的沖擊波壓力值最高達到 300MPa。

(4) 通 入 適 量 的 空 氣 可 以 促 進 空 化 現 象 的 發 生，提高空化水噴丸的工藝能力。試驗結果表明最 佳 通 氣 量 在 0 .4 L /m in 左 右 ， 當 通 氣 量 超 過 1 .0 L /m in 后對空化現象產生抑制作用 。

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空化射流噴丸強化機原理：

空化射流噴丸機，是利用高壓水泵將高壓水射流噴射到工件上完成噴丸強化的設備，但是整個射流噴丸強化過程中，包括工件，射流系統，完全浸沒在水中，而水射流是經過空化噴嘴，空化后噴射到水介質中，并沖向工件，而真正起到噴丸強化最用的，是空泡沖擊工件，發生潰滅，產生的巨大沖擊，打擊在金屬表面，造成塑性形變，完成噴丸強化。

空化射流噴丸強強度優勢：

可以以較低的壓力獲得超高的噴丸打擊力度（GPa），達到強力噴丸效果；還有射流穩定性優勢等。

為什么實驗室需要專用的數控空化射流噴丸機：

實驗室不同于工業生產，實驗室是為了試驗材料性能以及噴丸工藝效果，為科研和工業生產提供技術理論支持，也需要發布相關科研突破論文和期刊，需要進行學術交流，這些都需要精準可靠的噴丸參數和設備以及工藝支持。

1.能夠精確的做系統性工藝試驗，比如可以控制射流以0.00001MPa的精度，不斷疊加或者下降，來尋找一定射流壓力范圍內的工藝差別，在某個壓力下發現技術突破，比如發現15.00675MPa的射流下，噴丸強化發生技術突破型成果，而普通射流噴丸強化機的精度可能只有0.05Mpa，而手持式高壓射流清洗機以及普通射流清洗強化機，精度、角度、時間間隔等更差，無法發現這個技術突破；

2.自動化更高，系統更穩定，高精度和自動化設備，可以避免大部分試驗中的人為誤差，排除不少偶然性誤差因子，可以避免很多干擾，保證試驗參數的準確，工藝的穩定；

3.在論文期刊發布過程中，高效穩定、精確的射流噴丸機系統，可以提高重復試驗、平行試驗、再現試驗、驗證試驗的準確性和穩定性，避免不必要的爭論和質疑，為技術突破和學術交流提供支持。

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