铜及铜合金大量应用在船舶螺旋桨、高速舰艇、水轮机、阀门、水泵等过流部件,空蚀使服役的螺旋桨使用效率下降,这不仅造成了巨大的经济损失,甚至造成事故,威胁到生命安全造成重大损失[1,所以铜及铜合金的空蚀问题也是目前备受关注的问题之一。本文选取纯铜作为试验材料,对其进行一系列工艺参数的空化水喷丸处理,通过观察喷丸后试样的表面形貌、粗糙度,对空蚀孕育期内的损伤进行了探讨。

1试验材料和方法

试验材料选用5mm厚的纯铜（Cu)板材,在真空炉中500℃退火60min,以消除工业纯铜板材的的残余应力,得到均匀尺寸的晶粒。将纯铜板材切成φ30 mm的圆片,经过镶嵌、精磨和抛光处理,得到表面粗糙度(Sa)为0.13um金相试样。

采用自行研制的空化水喷丸设备对试样进行不同时间的喷丸处理。喷丸时试样和喷嘴均淹没在水中,选用直径为1mm的喷嘴,垂直于喷丸式样表面的中心处,喷嘴与试样的距离为80mm,水射流压力为20MPa。

采用ZEISS SUPRA55场发射扫描电子显微镜观察试样表面形貌变化,采用LEICA DCM3D型三维视频显微镜对水喷丸后的表面形貌进行显微组织观察,分析表面粗糙度,金相试样腐蚀剂采用5gFeCL,+25mlHCL+50mlH,O的混合溶液进行擦拭。

2试验结果与分析

2.1表面空蚀损伤

采用淹没式空化水射流对抛光态试样表面进行喷丸处理,观察试样表面的损伤程度,一次射流区由喷嘴喷出的空化水射流垂直打在试样表面,造成的接近喷嘴尺寸的损伤斑点,在该区外围的环形损伤区,由于一次射流区空泡爆破产生的冲击波对部分喷嘴喷出的水射流作用,可称为混合射流区,其示意图如图1所示。测得低倍损伤表面形貌见图2。观察试验后所得喷丸试样,损伤严重的一次水射流区的尺寸约为1mm左右,与喷嘴直径相近。

2.1.1一次射流区的损伤

通过观察不同工艺参数空化水喷丸处理试样表面的形貌变化,式样进行水喷丸前必须处于机械抛光状态。在20Mpa下喷丸不同时间后式样的表面形貌如图3所示。由图3可见,水喷丸10min时,试样表面已经出现少量塑性变形坑、大量空蚀针孔。塑性变形坑的尺寸大小不均匀,最大直径为304m,空蚀针孔尺寸基本相同,约2um,见图3 (b)。水喷丸25min时,损伤程度显著加大,塑性变形坑和空蚀针孔数量明显增多,但是尺寸变化很小,李晶形貌基本都显现出来,而且局部空蚀针孔出现了汇聚的状况,呈现局部少量剥落现象,见图3(c)、3(d) 。喷丸40min时,试样表面晶粒相貌完全显现,说明由于塑性变形程度增加,晶内位错移动和孪生的结果,使得晶粒发生了转动,不同晶粒转动方向和程度不同,晶粒高低起伏程度不同,从而显现晶粒形貌。高倍数下观察发现,空蚀针孔汇聚处开始有少量剥落,还出现开口大且深的空蚀孔洞,塑性变形产生的滑移带也开始变形,呈现弯曲状,见3 (e)、3(f)。喷丸60min时,试样表面出现大量空蚀孔洞和空蚀针孔,但还能观察到晶粒形貌,说明表面金属剥落量小,可以观察到空蚀孔洞内呈现网格状,说明空洞内部以这种形式缓慢剥落。随着时间继续增加,塑性变形和剥落急剧上升,表面粗糙度进一步增大。喷丸90min时,试样表面损伤严重,大量金属剥落,只存在深的空蚀孔洞,可以看到大块金属剥落后的形貌。由于纯钢的硬度低,受到空泡作用产生塑性变形坑,使坑周围的金属凸起,大量空蚀孔洞互相挤压,金属凸起程度越来越大,最后整块剥落,孔洞内部存在滑移带,如图3 (i)所示。

为了更清晰的观察一次射流区塑性变形坑空蚀针孔的出现和生长,进行20MPa下的一次射流损伤区的原位观察,在一次射流区固定位置随着时间的增加观察固定位置塑性变形坑及其周围区域内的变化,分析塑性变形坑的长大方式。

如图4 (a)所示,喷丸1min时就出现了塑性变形坑,尺寸大约为25um,内部呈鱼鳞纹且存在空蚀针孔。喷丸增加到10min后,空蚀坑周围出现少量机械损伤和剥落,依然存在空蚀针孔,空蚀坑的大小变化较小,但是空蚀坑边缘变圆滑且内部的鱼鳞纹也变浅,如图4 (b) 。当时间增加到15min时可以清晰观察到空蚀坑尺寸变大,形状开始趋于圆形,内部鱼鳞纹变得更浅,局部放大后可观察到空蚀坑边缘存在大量的针孔,随着空泡在内部的溃灭产生冲击波,这些针孔缓慢聚集,局部区域出现少量掉落的情况,因此由于针孔大量聚集造成边缘金属少量且缓慢的剥落,使得空蚀坑的尺寸缓慢变大,如图4 (b) (c)所示。

2.1.2混合射流损伤区形貌

随着时间的逐步递增,对试样表面的混合射流区进行细致的观察,没有观察到一次射流区的空蚀坑,短时间内在混合射流区形成大且浅的坑,同时坑内可观察到晶粒形貌以及空蚀针孔。

随着时间的增加,混合射流区的晶粒形貌逐渐清晰,晶粒转动程度逐渐递增,同时存在变形的滑移带,汇聚成网状结构。因为一次射流区空泡爆破产生射流影响部分喷嘴喷出的空化水射流,使得这部分空化水到达试样表面时能量降低,同时具有一定的方向性,所具有的能量不足以使试样表面产生塑性变形坑,只会形成小的空蚀针孔和滑移带,同时显现晶粒形貌,如图5所示。

2.2表面粗糙度分析

采用LEICA DCM3D型三维视频显微镜观察不同时间喷丸处理后式样的表面粗糙,随着时间的累加到90min,一次射流区和混合射流区的损伤程度逐步上升。如图5所示,不同时间两区的粗糙度曲线可知,随着时间增加两区的粗糙度都是逐渐上升的,但是混合射流区的粗糙度总是大于一次射流区,因为一次射流区受到垂直表面的空化水射流作用,表面纵向受到大部分冲击力,空蚀损伤最严重,形成密集空蚀坑,如图6(b)所示。由图6 (a) （c)可以看出,一次射流区的空蚀损伤最大,混合射流区次之。由图6 (d)可知,混合射流区室蚀坑开口大,空蚀坑内部和边缘圆滑,呈现孔状,空蚀坑稀疏,因为退火纯铜HV0.01硬度在60HV左右,塑性较好,不易形成脆性裂纹,所以在水射流和空泡作用下,形成大且圆滑的空蚀坑,说明该区空化水射流的空泡的数量减少,具有一定方向性。因此相比一次射流区所测粗糙度,混合射流区的空蚀坑起伏变化大,即混合射流区粗糙度大于一次射流区。

3结论

(1)一次射流区,随喷丸时间逐渐增加,塑性变形坑和空蚀针孔数量增多，李晶晶界开始显现，直到表面金属剥落程度显著增加,使得表面粗糙度也明显增大,同时出现大量的变形滑移带。
(2)通过原位观察可知，塑性变形坑是以边缘的空蚀针孔聚集形成少量剥落这种形式长大。
(3),短时间内混合射流区出现大且浅的空蚀坑,内部观察到晶粒相貌,随着时间增长整个区域的晶粒形貌都会显现。
(4)随喷丸时间增加,两区表面粗糙度逐渐上升，且混合射流区大于一次射流区。

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0 引言

焊接是现代生产不可缺少 的加工工艺 ，但焊 后不可避免产生残余 应力 ，对结构完整性产生很 大影响。如何降低残余应力一直是研究的热点 问 题 ，其 方 法 主 要 有 :焊 后 热 处 理 (Post—weldingheattreatment，简称 PWHT)、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 ? 。 PW HT 是 当 前 焊 后 消 除 残 余 应 力 的 最 主 要方法 ，但 目前很多容器都未经热处理直接使用 。 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 裂失效往往产生于死角位置。

高压水射流是一种新的表 面强化方法 ，与传 统喷丸相 比具有强化效果好 、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 j。 2O 世 纪 80 年 代 末 ，Zafred 首 先提 出利用高压水射流进行金属表面喷丸强化的 思想 ，从而开始了高压水射流喷丸强化 技术 的研 究 。国内，董星等 对高压水射流喷丸强化 技术进行 了研究 ，指 出高压水射流喷丸 能使材料 表层产生塑性变形 ，得到理想的组织结构 和残余 应 力 分布 。

文中提出采用高压水 射流降低 焊接残 余应 力，并利用有限元法进行数值模拟，获得经高压水 射流处理前后残余应力 的变化 ，并从机理上进行 解释 ，证明高压水射流是一种 降低焊接残余应力 的有效方法 。

1 有限元模型

1.1 高压水射流降低残余应力过程

高压水射流是 以水 作为工作介质 ，通过增压系统和特定形状 的喷嘴产生高速射流束 ，形成具 有极高能级密 度 的水射 流束。高压水 射流 降 低残余应力的具体过程如图 1所示。喷头垂直于试样表面 ，并沿着 P方 向平行移动 ，水道 中的水 由超高压泵输送到喷嘴处 ，形成高压 ，经喷嘴后冲击在试件焊缝表面上。

1.2 有限元分析思路

首先对焊接温度场进行模拟，然后计算残余应力，最后对高压水射流冲击焊缝表面进行模拟。由于焊接温度场对残余 应力影 响很大 ，而应力场 对温度场的影响很小，利用 ABAQUS开发出一个 顺次耦合 的计算程序来模拟焊接残余应力 。 首先计算温度场 ，将各节点温度场计算结果输出 到结果文件作为力分析 的预定义场 ，在力分析过 程中，从此预定义场 中读取各节点的温度 ，进行插 值计算得到焊接残余应力场 ;然后 ，模拟移动高压 水射流喷射压力载荷 ，作用在焊缝表面 ，得到高压 水射流处理后的残余应力分布 ，并与高压水射流 处理前 的残余应力进行比较。

1.3 几何模型及网格划分 

以不锈钢复合板补焊接头为例，如图2所示。复 层 材 料 304 不 锈 钢 ，基 层 材 料 Q345R ，厚 度 分 别 为 3 和 17 mm ;复 合 板 尺 寸 为 300 mm ×30 0 mm × 20mm。在覆层材料中间位置进行补焊，补焊深 度 为 4 m m ，其 中 基 层 刨 深 1 m m ，坡 口 角 度 3 0。

利 用 有 限 元 软 件 ABAQUS，根 据 图 2 所 示 几 何尺寸建立三维模型。利用单元钝化与激活方法 来形成焊缝金属。在焊缝及热影响区 ，残余应力 比 较 大 ，网 格 划 分 较 为 密 集 ，在 远 离 焊 缝 的 区 域 ， 网格较为稀疏 。图 3示 出了网格划分模式 ，共有 55575 个 节 点 和 49728 个 单 元 。 温 度 场 采 用 D C 3 D 8 单 元 ，应 力 场 计 算 采 用 C 3 D 8 单 元 。 热 分 析和力分析采用相同的单元和节点 。

1.4 材料参数

材料参数的选取需要考虑焊接过程随温度变化的效应，并且假定材料在高温状态下，物理性能不变。计算焊接温度场和残余应力场所需 物 理 性 能 和 力 学 性 能 参 数 ，焊 接 采 用 手 工 电 弧 焊 ，电 流 155 A ，电 压 25 V ，焊 接 速 度 2.5 mm/s，焊 接 热 效 率 取 0.85。

1.5 边界条件和初始条件
在焊接温度场 中，模 型外表面为对流和辐射边界条件，对流系数取 10W/(m ·K)，辐射发射 率 取 0.85，初 始 温 度 取 20 °C 。

在残余应力分析和水射流分析 中，在不锈钢 复 合 板 底 部 4 个 端 点 约 束 其 所 有 自 由 度 ，限 制 焊 件的刚性移动。

1.6 温 度 场 模 拟

采 用 标 准 的 Goldak 双 椭 球 热 源 模 型 ，它 由 前 后 两 个 1/4 的 椭 球 组 成 ，数 学 表 达 式 如 下 :

模型前半部分椭球的体热流密度分布为 :

将电弧看成辐射状对称并成双椭球分布作用 于焊缝表面，用 FORTRAN语言编写热源子程序DFLUX，在 ABAQUS中调用该子程序进行计算。 随着时间t的变化，电弧中心沿焊缝表面做直线 移动，实现了热源的移动，进行热分析，得到焊接 温 度 场 。

1.7 残余应力计算
在残余应力分析过程 中，将各节点温度场计算结果输 出到结果文件作为力分析 的预定义场 ， 再从预定义场 中读取各节点的温度 ，进行插值计 算 得 到 焊 接 残 余 应 力 场 。

假定总应变可表示成 :

由胡克定律可计算 出弹性应变 ，塑性应变服 从 Mises屈 服 准 则 以 及 各 向 同 性 强 化 模 型 ，热 应 变根据热膨胀系数计算。

1.8 高压水射流模拟

高压水射流对试样的作用力随着冲击半径增 大 而 减 小 ，直 至 为 零 。 其 分 布 曲 线 如 图 4 所。

将高压水射流冲击过程看成是一具有函数分布的分布力加载在焊缝表面。用 FORTRAN语 言，将式(4)编写为一个三维的高压水射流移动 载荷子程序 DLOAD，在 ABAQUS中调用该子程 序进行计算 ，得到经高压水射 流处理的残余应力 分布。

本次模拟计算取喷嘴直径为 1mm，射流喷丸 压 力 为 500 MPa，则 根 据 文 献 计 算 得 射 流 作 用 于 复 合 板 上 的 冲 击 半 径 为 1.291 mm ，射 流 作 用 于复合板上的冲击 中心处轴心动压 P =500 MPa。取与实际喷丸条件吻合，取射流冲击半径 为 1 .3 m m ，本 次 模 型 中 焊 缝 宽 度 8 .6 m m ，为 使 水射流能够加载完在整个焊缝区域,可将高压水射流沿不重复路线冲击7次。
为简化计算,提出以下基本假设”:(1)忽略射流基本段横向速度的影响;
(2)射流垂直冲击试件表面,对试件施加的是非线性轴对称面分布载荷;
(3)忽略射流冲击持续时间的影响,以准静态压力分布代替瞬态冲击压力分布;
(4)受高压水射流冲击的覆材和基材为均质的各向同性体。

2结果与分析

图5示出了某时刻焊接温度场分布云图。焊缝中心最高温度为2342 ℃,整个焊缝区域温度均已超过熔点,这说明计算模拟与实际的熔池和热影响区尺寸大致相符。远离焊缝中心,温度逐渐降低。

分别定义沿x,y和z方向的残余应力分别为横向应力o,厚度应力o,纵向应力0.。由于厚度方向应力。,很小,因此不对其进行分析。图6,7分别示出了模型在高压水射流加载前后o,和0,分布云图。从图中应力颜色变化很明显可以看出,焊缝及热影响周围区域表面的残余应力得到了大大降低,说明高压水射流能够降低焊接残余应力。

图8示出了高压水射流加载前后焊缝表面残余应力分布。在焊态下,焊缝及热影响区产生了较高的残余拉应力。在焊缝区域,最大横向和纵向应力分别为198和288 MPa,在热影响区,最大横向和纵向应力分别为223和269 MPa。这是由于焊接热输入引起材料不均匀局部加热,熔池高温区材料的热膨胀受到周围材料的限制,产生不均匀压缩塑性变形,在冷却过程中,已发生塑性变形的这部分材料受到周围材料的制约,而不能自由收缩,形成了拉应力。远离焊缝和热影响区,应力逐渐降低。

从图8可以看出,经高压水射流作用后,残余应力得到降低。在焊缝区,横向应力降低到-18.9 MPa以下,最大降低至-46. 7 MPa,最大1降低幅值达到216.8 MPa,平均降低了122.2%;纵向应力降低到68.9 MPa以下,最大降低至-66.1 MPa,最大降低幅值达到354.0 MPa,平均降低了103.4%。在热影响区,横向应力降低到66.1 MPa以下,最大降低至-7.2 MPa,最大降低幅值达到215.4 MPa,平均降低了88.7% ;纵向应力降低到104.3 MPa以下,最大降低至93. 5MPa,最大降低幅值达到175.8 MPa,平均降低了

60.9% 。

由以上分析可知 ，经高压水射流处理后 ，焊缝 表面及热影响区的残余应力得到了很大程度的降 低 ，在焊缝区已经产生了压缩应力 ，有效控制了疲 劳源 的萌生 和裂纹 的扩展 。

图9示出了焊缝表面在高压水射流处理前后 的等效塑性应变分布。可以看出，经高压水射流 处理后的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不锈钢复 合板表面上 ，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 ，由此残余应力得到松弛。

水射流高速撞击材料表面，材料表面吸收这种能量后 ，在微观上必然伴随位错结构的改变 ，位 错在切应力的作用下运动，使 晶体 内的位错发生 滑移 ，产生强烈的塑性变形 ，晶体内的位错发生反 复的滑移和攀移 ，导致金属晶格发生畸变和严重 的塑性变形。金属晶体通过位错运动产生的微观 塑性变形又会使峰值残余应力得 以释放 ，从宏观 的表现形式上来看 ，残余应力就会得到重新分布 ， 故应力水平大大降低且均匀化 ，即构件 的残余应 力得到释放。

3 结语

通 过 有 限 元 软 件 ABAQUS，建 立 了 不 锈 钢 复 合板三维有限元模型 ，编写了双椭球热源及高压 水射流移动载荷子程序 ，得到了经高压水射流处 理前后不锈钢复合板表面横 向和纵 向的残余应力 分布规律。计算结果表明，经高压水射流处理后 ，焊缝及热影响区表面的残余应力得到明显降低， 在焊缝区已经产生了压缩应力 ，证 明高压水射流 是降低焊接残余应力的有效方法 。

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1引言

喷丸强化是提高金属零部件疲劳性能最有效的方法。后混合水射流喷丸强化是高压水射流技术的一个重要分支,是1980年代末问世的一项湿法喷丸强化新技术”。
其强化原理是:由高压泵产生的高压水,通过喷头的水喷嘴喷出形成高压水射流,弹丸由供丸装置送入混合室,与高压水射流在混合室内发生剧烈掺混和动量交换,最后经弹丸喷嘴喷出,形成弹丸射流并喷射到金属零部件表面,零部件表层材料在再,晶温度下产生塑性形变(冷作硬化层),呈现理想的组织结构(组织强化)和残余应力分布(应力强化),从而达到提高零部件周期疲劳强度和抗应力腐蚀能力的目的。它开辟了后混合水射流新的应用领域,并使传统的喷丸强化技术增添了新的技术优势,且喷丸强化效果显著。然而经检索目前并无专门用于实际工业生产的后混合水射流喷丸强化装置,大大制约着科研工作者对后混合水射流喷丸强化技术的深人研究及工业推广,因此研制适用于工业生产实际的成本低、喷丸效果好、安全可靠、使用方便、经济环保的后混合水射流喷丸强化装置具有较大的经济意义和重要的应用价值。

2系统设计

后混合水射流喷丸强化装置主要由供水系统、供压系统、供丸系统及控制系统组成。

(1)供水系统

对于后混合水射流喷丸强化装置而言,水是动能传递的载体。供水系统对喷丸强化装置用水进行水质软化处理,使水的pH值达到6-8,并对水的pH值进行监测,必要时加人清洗剂、防锈剂等添加剂,并采用具有粗、精双重过滤的过滤器进行过滤,确保滤去水中粒径大于0.45um的尘埃、微粒、矿物质沉淀物等,以减轻对过流部件的腐蚀和磨损,延长各过流部件的使用寿命。

(2)供压系统

供压系统是整个喷丸强化装置的动力源,是将原动机的能量转换为水的压力能输出,为水射流喷丸强化装置的正常工作提供动力的系统,因此其输出压力范围、供压稳定性及脉动量均影响着喷丸压力和强化效果。供压系统采用前置泵和增压泵,前置泵将水箱中的水经过滤器输送至增压泵内,由增压泵加压至工作压力。设计中装置压力为:0-380MPa,脉动量控制在5%之内,增压装置采用卧式双作用柱塞增压泵,不均匀系数为13%。并安装压力检测装置,将检测到的压力显示在压力表上,以便操作人员对工作压力进行监控和调节,满足喷丸所需的工作压力。

（3）供丸系统

在进行后混合水射流喷丸强化时,需向喷头的混合室流 内均匀、连续、统精确地给弹丸，因此要求其管工作可靠、不堵塞以及定量供丸、连续供丸。设计中采用以压缩空气为动力、可以实现大流量供给的干丸供给系统。该系统由空气压缩机、油水分离器、气阀、贮丸罐、弹丸阀、供丸管等组成,如图1所示。其中油水分离器是分离压缩空气中凝聚的油分和水分等杂质的装置,使压缩空气得到净化,减少空气、弹丸混合流的含水量;贮丸罐为倒锥形,可以保证弹丸供给通畅、不易堵塞;气阀控制空气流量;弹丸阀控制弹丸流量。

(4)控制系统

控制系统是控制水射流喷丸强化装置中各轴的运动以及供水系统、供压系统、供丸系统的工作,并控制喷丸强化过程中各个参数,以实现对金属零部件的精确喷丸,使其得到预期的强化效果。

设计中考虑对回转工件的喷丸强化,机床具有X、rZ轴以及绕工件转动的回转轴,因此其控制系统应具备四轴三联动的功能,并可实现对供水系统、供压系统及供丸系统的精确控制。综合考虑上述要求及性价比等,设计中采用国产华兴WA-320W型数控系统作为后混合水射流喷丸强化装置的控制系统。

3结构设计

(1)工作台

工作台是后混合水射流喷丸强化装置的主体部分,设计中工作台采用具有喷丸效率高、跨距大、刚度高的喷头运动式龙门结构。整体结构主要由左右龙门架与横梁、工作台面与回转机构、动力元件、传动系统、防护罩及工件定位装置等几部分组成。整个工作台具有X、Y、Z轴以及绕工件转动的回转轴B轴,可实现四轴三联动,如图2所示。

由于喷头上的弹丸喷嘴为脆性材料制成,不能与受喷工件发生直接接触,因此不易对正起喷位置,所以容易导致实际喷丸位置与理论喷丸位置存在误差。为减小或消除这种误差、实现喷丸效果,本文首次设计了能够应用于工业生产的激光工件定位装置,如图3所示,主要由激光探头、探头座、导轨和锁紧装置等组成。其工作原理是当受喷工件安装并固定在工作台面后,沿导轨4分别移动X向和Y向上的探头座2,使激光探头1发出的扇面形激光束对准起喷位置,然后控制喷头移到两激光束所相交的位置,当两个激光探头发出的扇面形激光完全被喷头遮住时便完成了工件的定位。

(2) 喷头

喷头是水射流喷丸强化装置中重要的组成部分,其性能优劣和使用寿命的长短直接影响着喷丸强化的效果和经济效益。后混合水射流喷丸喷头主要由水喷嘴、混合室和弹丸喷嘴三部分组成。综合考虑能量传输效率、射流密集性及加工难易性等因素,将喷头设计成单射流侧进式结构,如图4所示。其基本工作原理是,高压水通过中间管路经水喷嘴1喷出高压水射流,弹丸由空气压缩机为动力源的供丸系统送至喷头的混合室2内,并在混合室内与水射流掺混和能量交换,经弹丸喷嘴4喷出,形成弹丸射流。

水喷嘴是高压水的压能转变为动能的唯一零件,考能量传输效率、耐磨性、水喷嘴是高压水的压能转变为动能的唯一零件,考虑能量传输效率、耐磨性、加工难易性及使用成本等因素,将水喷嘴设计成圆E收敛形, 采用人造红宝石制成,如图5所示,其中收敛角a=13度 .d=0.33mm,l =0.8mm， L=2mm， d =2mm。

弹丸喷嘴的结构形式与水喷嘴结构相近,并适当加长了圆柱段的长度。弹丸喷嘴直径过小,不仅磨损严重,而且还会影响混合室内的真空度,严重时甚至被弹丸堵塞;弹丸喷嘴直径过大,射流扩散严重,而且还有可能造成空气由弹丸喷嘴流入混合室,破坏混合室内的真空度,影响弹丸与水射流的混合效果,进一步加剧弹丸射流扩散。设计中采用碳化钨硬质合金作为弹丸喷嘴材料,弹丸喷嘴长度为77.5mm,弹丸喷嘴直径为0.8mm

4结语

本文在满足安全可靠、使用方便、经济环保等要求的基础上,设计了可对板类、轴类及曲面类金属零部件实现全覆盖率喷丸强化的后混合水射流喷丸强化装置。供水系统采用具有粗、精双重过滤的过滤器对后混合水射流喷丸用水进行过滤并检测其pH值;供压系统采用卧式双作用柱塞增压泵为增压装置,并安装压力检测装置检测工作压力;供丸系统采用以压缩空气为动力的干丸供给系统,实现了工作可靠、供丸均匀、不堵塞、定量供丸和连续供应弹丸;控制系统采用可实现四轴三联动的华兴WA-320w型数控系统;工作台设计为喷头运动式的龙门结构,具有X、Y、Z轴和绕工件转动的回转轴4个基本坐标轴,并首次设计了可提高工件定位精度的激光工件定位装置;喷头为结构简单、体积小、易于加工、射流稳定性较高的单射流侧进式喷头,水喷嘴采用由人造红宝石加工成的圆锥收敛形结构,收敛角为130,弹丸喷嘴采用具有高硬度和耐磨性的碳化钨硬质合金制成,长度为77.5mm,直径为0.8mm。

0前言

空化水喷丸技术是一项新型表面强化处理技 术 ，它依靠 自身的技术特点和优势，在金属表面改 性技术领域中引起许多学者的广泛关注 。其工作原理是合理利用淹没式高速高压水射流空化后形成的 大量微小空泡群，空泡群在固体边界附近溃灭时可 产生高达上 GPa的冲击波压力，利用该压力来强化 金属材料。目前的研究结果已经证明了该技术和 其他喷丸技术一样能在金属零部件的近表形成压缩 残余应力层，同时改善微观组织结构 ，进而提高零 部 件 的 疲 劳 寿 命 。 但 是 该 工 艺 中 的 空 化 行 为 涉 及 高速、高压、多相、相变 、湍流、非定常特性等复 杂多变情况，因此对该工艺中的空化行为及冲击压力场分布规律的探索一直是该领域的研究热点。易灿等19设计研制了围压下自振喷嘴,通过试验研究表明该喷嘴的最大起始空化数可以达到1.67,而普通锥形喷嘴最大值仅为0.54,李疆等用数值模拟的方法计算出空泡在近固壁面附近溃灭时产生的微射流的速度可达到v=200 m/s,并利用水锤方程求解微射流在壁面所产生的压力高达到300 MPa,邓松圣等应用K-6湍流模型并采用SIMPLEC算法对角型喷嘴的空化流场进行了数值模拟,并验证了模拟结果的正确性。卢义玉等用Standard K-e, RNGK-e和Standard K-c湍流模型对缩放型喷嘴内部流场进行了数值模拟,结果表明RNGK-w模型最适合对缩放型喷嘴内部流场的数值模拟。SAHAYA等通过对铝合金冲蚀试验,发现了在油空化射流冲击区域中,由于空泡溃灭产生的微射流,作用在材料表面产生冲击压力,超过了材料的屈服强度,可在材料表面产生冲蚀影响。QIN等基于RayleighPlesset气泡动力学方程建立缩放型喷嘴的内流场的动力学模型,并采用变时间步长求解高非线性二阶差分方程,获得精确的空化泡生长、溃灭和回弹等结果。董星等模拟了不同压力作用下水射流在2A11铝合金材料表层产生的残余应力场,选取射流的喷丸压力为60~120 MPa,到目前为止,关于空化水喷丸工艺中空化行为的相关研究结果还鲜有报道。本文拟采用FLUNET6.3流体计算软件,利用RNG Ke模型和SIMPLEC算法对空化水喷丸工艺中的空化行为进行数值模拟,同时利用富士压敏纸对空化水喷丸工艺中冲击波压力大小和分布进行试验验证。

1数学模型

1.1 物理模型和网格划分

在空化水喷丸工艺中常温水通过高压柱塞泵加压后,再通过放缩型喷嘴射入充满水的容器中形成淹没式高压水射流,在射流方向上产生剧烈的空化现象,靠微空泡群在金属材料表面溃灭时产生的冲击波压力来强化材料的表面,其简化后的物理模型如图1所示,主要包括高压水入口、缩放型喷嘴、常压出口和充满水的空化工作四部分构成。
为缩短计算时间,缩小了模拟空化容器的体积,其尺寸为中60 mmx60 mm。设定空化射流的工作区域和喷嘴的形状成轴对称,因此只需要取1/2的物理模型体积进行离散化。如图2所示,在喷嘴的收缩段、扩散段以及喷嘴出口段进行网格局部细化。
经初步计算分析,物理模型划分为25 804个四边形网格，采用二阶迎风格式对控制方程进行离散。

1.2边界条件

参照空化水喷丸工艺中常用的工艺参数和实际工况环境,对模型进行了相应简化,并施加如下边界条件。
(1)入口边界条件为压h入口, p1=32 MPa,入口直径d=6mm。
(2)出口边界条件设为压力出口, p2=1.013×10五次方 Pa,出口直径d2=2 mm
(3)轴线上边界条件取径向速度v=0;固体壁面条件,壁面上满足无滑移条件,采用壁面函数法对近壁区处理。
(4)水流温度恒定,室温取300 K.

2 模拟结果

数值模拟中采用湍流模型k-e中的RNG模型处理粘度项, SIMPLEC算法对压力速度进行耦合,选择合适的松弛因子后,进行数值模拟。
模拟后的流场中沿x轴线方向上的静压分布如图3所示,在喷嘴的喉部(x-0.020~-0.012 m区间内)有明显的压降,最大压降约-20 MPa,随后压力又恢复到喷嘴出口处的压值1.013×10五次方 Pa。如果存在微小空泡核沿着喷嘴流动,它必然会经历喷嘴处的压力变化,导致空化泡的产生和溃灭。

图4是非空化射流(未考虑空化现象)和空化射流的速度场的对照图。从图4可以看出,二者的速度场分布规律基本相同,后者在数值上略大于前者,在分布上略广与前者。两种模拟结果的流场速度分布在喷嘴缩放段速度梯度较大,并且速度变化明显;
在离开喷嘴出口之后,流体出现一个等速流核区,并且在垂直于轴向方向存在明显的速度梯度变化;在等速流核区末尾,流体速度迅速降低。

由图5中可以明显看出,在淹没式非空化条件下,水射流的速度衰减得很快。这就意味着如果在水喷丸工艺中使用传统的水射流喷丸工艺,周围的水环境不仅会造成水射流的速度严重衰减,还会影响射流的有效距离范围,进而降低水喷丸能力和水射流的效率。但在空化条件下,空化射流的速度相心区比水射流长;另外,由图5中还可以观察到,在坐标0点以后沿x轴线方向,在相同坐标位置空化射流所对应的速度值都明显大于非空化射流的速度值。

由图6中可以看出,在喷嘴扩张段处明显发生了空化现象,这与空化通常发生在稳定空泡的下游相吻合,因为水流从入口的收缩段到喷嘴中间位置,流速逐渐加大,导致压力骤减,进入喷嘴扩张段后,流速突然降低,在扩张段壁面附近由于突然扩张而产生一个低压区,空泡得以滞留。但由于突然产生的漩涡,导致流体流动的连续性被破坏,空泡的体积浓度急剧增大,在扩张段壁面附近的最高汽含率达到0.99。

3试验研究

3.1试验装置

试验研究中使用的空化水喷丸装置主体结构如图7所示,主要包括蓄水罐、高压泵、气泵、豌量计、喷嘴、工作水槽、夹具等部分。蓄水罐中的水通过高压泵(最高压力为32 MPa,常用流量为16 L/min)进行加压后通过喷嘴射入工作水槽(水槽内水为常温常压状态)中,形成垂直淹没式空化射流。该工艺的主要工艺参数包括工作压力、通气量、喷嘴直径、喷射距离、喷丸时间等。

3.2 冲击压测定试验方法

为了测定空化水喷丸工艺中沿空化射流方向上由于空泡溃灭产生的冲击波压力分布规律,本研究使用Fuijfilm超高压压敏纸(量程: 130~300 MPa),并选用与数值模拟时相同的工艺条件和试验环境进行试验测定。压敏纸由聚酯纤维材料基底层、成色层和含显色材料的微胶囊层复合而成。
当冲击压力p作用在压敏纸上时,造色层中微胶囊发生破裂,成色层吸收微胶囊中的显色物质并发生反应而形成浓度不均的红色斑点,利用FPD-30SE颜色指示器(专用浓度计)和FPS-307E软件(专用压力换算软件)可以将压敏纸的变色浓度转化为相应的压力值。测定方法如图8所示,将感压纸密封粘结在专用夹具上,然后竖直置于空化射流工作区域中心做t=5s的感压处理。

在空化水喷丸工艺中工作压力、喷嘴直径、流量等工艺参数通常保持恒定,通气量、喷丸时间、喷射距离是可调的工艺参数,而通气量是影响空化射流方向上冲击波压力大小的关键参数,因此试验中对不同通气量(0 L/min,0.2 L/min,0.4 L/min0.6L/min, 0.8 Lmin, 1.0 L/min)条件下的冲击压力分布进行测定。

3.3试验结果分析

感压后的压敏纸如图9a所示,当受到冲击压力的作用后,压敏纸上形成了一个火焰状浓度不均的红色区域,利用FPD-30SE专用浓度计对压敏纸的变色浓度进行读取、量化和记录,直接利用FPS-307E专用压力转换软件将对应的浓度值转化成相应的冲击压力值。图9b中显示了一个变色浓度的标准比色卡,最低浓度0.1对应130 MPa,最高浓度1.3对应300 MPa,从图9c也可以看出用高速摄像机拍摄的空化射流方向上的空泡云照片和感压后压敏纸的变色分布规律有着很好的一致性沿空化射流方向上,不同通气量条件下由于空泡溃灭产生的冲击波压力分布的测量结果如图10所示。当通气量由0L/min增加到0.4 L/min时,冲击压力的值也逐渐变大,工艺能力得到提高。当通气量继续增加到1.0 L/min时,冲击压力值逐渐变小,工艺能力下降。当通气量达到1.0L/min时的冲击压力值比0L/min时的值还要小,表明过多地通入空气会抑制空化现象的产生,反而降低该工艺的强化能力。当通气量为0.4 L/min时冲击压力的最大值达到了300 MPa,射流方向上距离喷嘴上方60-120 mm范围内的冲击波压力值较高,在250-300 MPа范围内。

图11是不同通气量条件下的冲击压力极值,从图11可以看出通气量在0.2~0.6 L/min范围内,测得冲击压力极值都在270 MPa以上,说明该工艺范围具有较强的工艺能力。当通入空气量达到1.0L/min后冲击压力的极大值下降到145 MPa,比通气量0L/min时还低35 MPa。

4 结论

(1) 采 用 湍 流 模 型K-e中的RNG模型适合空化水喷丸工艺 中缩放型喷嘴 内外流场的数值模拟 ，可 获得流场的速度和汽含率分布等。

(2) 在 喷 嘴 的 喉 部 处 产 生 约 -20 M Pa 的 压 降 ， 可促进空化现象的发生 ，同时在喷嘴扩张段处 由于 压 力的降低和喷嘴形状 的改变也加剧 了空化现象的 产生。

(3)利用压敏纸测定冲击波压力分布的试验结 果表 明空化水喷丸工艺中沿空化射流方 向上 由于空 泡溃灭产生的冲击波压力值最高达到 300MPa。

(4) 通 入 适 量 的 空 气 可 以 促 进 空 化 现 象 的 发 生，提高空化水喷丸的工艺能力。试验结果表明最 佳 通 气 量 在 0 .4 L /m in 左 右 ， 当 通 气 量 超 过 1 .0 L /m in 后对空化现象产生抑制作用 。

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空化射流喷丸强化机原理：

空化射流喷丸机，是利用高压水泵将高压水射流喷射到工件上完成喷丸强化的设备，但是整个射流喷丸强化过程中，包括工件，射流系统，完全浸没在水中，而水射流是经过空化喷嘴，空化后喷射到水介质中，并冲向工件，而真正起到喷丸强化最用的，是空泡冲击工件，发生溃灭，产生的巨大冲击，打击在金属表面，造成塑性形变，完成喷丸强化。

空化射流喷丸强强度优势：

可以以较低的压力获得超高的喷丸打击力度（GPa），达到强力喷丸效果；还有射流稳定性优势等。

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1.能够精确的做系统性工艺试验，比如可以控制射流以0.00001MPa的精度，不断叠加或者下降，来寻找一定射流压力范围内的工艺差别，在某个压力下发现技术突破，比如发现15.00675MPa的射流下，喷丸强化发生技术突破型成果，而普通射流喷丸强化机的精度可能只有0.05Mpa，而手持式高压射流清洗机以及普通射流清洗强化机，精度、角度、时间间隔等更差，无法发现这个技术突破；

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