一种用于汽轮机转子轴的电磁复合场协同激光再制造装置的制作方法

本发明涉及一种用于汽轮机转子轴的电磁复合场协同激光再制造装置。

背景技术：

现如今，激光再制造技术已越来越多的应用于工业生产中。在工业应用中，汽轮机在高温、高压下长期运行，转子轴极易磨损，影响了其使用的寿命。对于转子轴的再制造技术通常有车削法、热喷涂、电刷镀、焊接等。近些年来，激光再制造技术也已逐渐用于修复受损汽轮机转子轴中，取得显著的经济效益，但激光再制造修复转子轴同时也存在一些问题：

在激光熔覆的快速凝固条件下，熔覆层极易形成形态、大小和方向各异的不均匀凝固组织，且熔覆层内的气孔和夹杂等微观缺陷往往难以及时排出而残留在熔覆组织中，严重影响了熔覆层的质量和性能；

在激光修复过程中需不断优化工艺参数，不仅效率较低，而且激光工艺参数的调节只能改变熔覆层熔池的外部传热边界，无法控制熔池内部流体的运动方向，难以对熔覆组织中晶粒的形态、尺寸、晶体取向进行灵活控制，获得性能更优的熔覆涂层。

针对上述转子轴激光再制造过程中遇到的问题，国内外学者多采用改变激光工艺参数或在熔覆粉末中添加稀土元素等方式来减少和消除裂纹和气孔，改善熔覆层质量。但此类方法需要大量的实验进行对比验证，效率较低，不利于工程实际应用。本发明采用磁场和电场同时辅助激光再制造过程，可有效调控激光再制造过程中熔池流体运动、内部颗粒分布以及熔覆缺陷，起到显著的控形控性效果，获得性能优良的转子轴修复层。

技术实现要素：

为克服背景技术中存在的缺陷，基于转子轴激光再制造过程中遇到的问题，本发明提供一种用于汽轮机转子轴的电磁复合场协同激光再制造装置，在利用激光再制造修复转子轴的过程中，将外加电场和磁场同时作用于熔池中，产生方向、大小、频率灵活可控的洛伦兹力，有效调控激光熔池流体运动、内部颗粒分布以及减少修复层内的气孔和裂纹，获得性能优良的转子轴修复层。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种用于汽轮机转子轴的电磁复合场协同激光再制造装置，包括激光熔覆部、用于固定转子轴且可驱动转子轴转动的支架部、提供电场的电场部和提供磁场的磁场部；

所述激光熔覆部包括激光器和送粉器，激光器连接有垂直向下的激光输出头，送粉器连接有垂直向下的送粉头，且送粉头设置在激光输出头上；

所述支架部设置在激光熔覆部的下方，支架部包括用于水平固定转子轴的夹具和支撑夹具的架体，架体竖直设置，架体的底端固定在底板上，架体的顶端可转动地穿设有夹具转轴，所述夹具转轴水平设置，夹具转轴的内端与夹具固定连接，夹具转轴的外端连接有驱动夹具转轴转动的驱动装置；

所述磁场部包括开口向下的U形铁芯，U形铁芯沿竖直方向固定在激光输出头上，U形铁芯与激光输出头相平行，所述多匝线圈与磁场电源相连通，以构成磁场；

所述电场部包括通过导线相串连的电场电源、开关；2个绝缘的旋转摇臂对称设置在激光输出头的两侧，且旋转摇臂与激光输出头相平行；旋转摇臂的顶端可转动地设置在激光输出头上，旋转摇臂的底端设有用于沿转子轴表面转动的导电滑环，且导电滑环与导线的两自由端连接。

进一步，所述夹具为三爪卡盘。

进一步，所述三爪卡盘包括圆柱形卡盘，卡盘的中心处开有供转子轴穿过的轴向通孔；卡盘的端面上设有三条径向通槽，径向通槽的内端与轴向通孔连通，径向通槽的外端延伸至卡盘的外边缘；还包括与径向通槽过盈配合的夹爪，夹爪的两侧设有外凸插边，径向通槽的侧壁设有插槽，外凸插边与所述插槽相配合。

进一步，所述U形铁芯通过第一固定架固定在激光输出头上。

进一步，旋转摇臂的顶端可转动地套设在第二固定架上，第二固定架固定在激光输出头上；旋转摇臂的底端设有直角铜片，直角铜片从上到下分别设有第一螺栓和第二螺栓，第一螺栓和第二螺栓相垂直，且第二螺栓与夹具转轴相平行，第二螺栓上可转动地设有导电滑环；导线的自由端设有叉形触点，叉形触点与第一螺栓相连接。

进一步，所述驱动装置包括固定在夹具转轴外端的从动齿轮和与从动齿轮相啮合的主动齿轮，且主动齿轮与电机的输出轴固定连接，以驱动夹具转轴转动，从而带动转子轴转动。

本发明的有益效果主要表现在：

本发明采用磁场、电场同时辅助激光再制造来调控熔池，有效调控激光再制造过程中熔池流体运动、内部颗粒分布以及熔覆缺陷，得到性能优良的转子轴的熔覆涂层。将外加电场和外加磁场同时耦合在需要加工的转子轴修复区域中，使熔池区域的导电流体受到电磁复合场的协同作用，产生可控洛仑兹力，以调控激光再制造过程中的传热传质行为，实现对激光再制造区域中凝固组织和缺陷的调控，实现激光再制造过程中的控形和控性效果。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是图1中A部分的放大示意图。

图3是夹具的结构示意图。

具体实施方式

参照附图，一种用于汽轮机转子轴的电磁复合场协同激光再制造装置，包括激光熔覆部、用于固定转子轴7且可驱动转子轴7转动的支架部、提供电场的电场部和提供磁场的磁场部；

所述激光熔覆部包括激光器和送粉器，激光器连接有垂直向下的激光输出头9，送粉器连接有垂直向下的送粉头，且送粉头设置在激光输出头9上；

所述支架部设置在激光熔覆部的下方，支架部包括用于水平固定转子轴的夹具6和支撑夹具6的架体3，架体3竖直设置，架体3的底端固定在底板上2，架体3的顶端可转动地穿设有夹具转轴5，所述夹具转轴5水平设置，夹具转轴5的内端与夹具6固定连接，夹具转轴5的外端连接有驱动夹具转轴5转动的驱动装置；

所述磁场部包括开口向下的U形铁芯8，U形铁芯8沿竖直方向固定在激光输出头9上，U形铁芯8与激光输出头9相平行，且U形铁芯8的两端缠绕有多匝线圈11，所述多匝线圈11与磁场电源相连通，以构成磁场；

所述电场部包括通过导线15相串连的电场电源16、开关17；2个绝缘的旋转摇臂12对称设置在激光输出头9的两侧，旋转摇臂12的顶端可转动地设置在激光输出头9上，旋转摇臂12的底端设有用于沿转子轴7表面转动的导电滑环13，且导电滑环13与导线15的两自由端电连接，以构成电场。

定义导线15串联电场电源16、开关17后两个导线头为导线15的两自由端。

所述夹具6为三爪卡盘。

所述三爪卡盘包括圆柱形卡盘63，卡盘63的中心处开有供转子轴7穿过的轴向通孔61；卡盘63的端面上设有三条径向通槽64，径向通槽64的内端与轴向通61孔连通，径向通槽64的外端延伸至卡盘63的外边缘；还包括与径向通槽64过盈配合的夹爪62，夹爪的62两侧设有外凸插边，径向通槽64的侧壁设有插槽，外凸插边与所述插槽相配合。

所述U形铁芯8通过第一固定架18固定在激光输出头9上。

旋转摇臂12的顶端可转动地套设在第二固定架10上，第二固定架10固定在激光输出头9上；旋转摇臂12的底端设有直角铜片20，直角铜片20从上到下分别设有第一螺栓19和第二螺栓21，第一螺栓19和第二螺栓21相垂直，且第二螺栓21与夹具转轴5相平行，第二螺栓21上可转动地设有导电滑环13；导线15的自由端设有叉形触点14，叉形触点14与第一螺栓19相连接。旋转摇臂12绝缘，电场电源16、叉形触点14、第一螺栓19、转子轴7连通。

所述驱动装置包括固定在夹具转轴5外端的从动齿轮4和与从动齿轮4相啮合的主动齿轮，且主动齿轮与电机的输出轴固定连接，以驱动夹具转轴5转动，从而带动转子轴7转动。

底板上2通过螺栓1固定在水平工作台面上，架体3可设置成能上下升降的，方便调节竖直方向上的高度，以适应不同直径的转子轴7的需要；所以可根据转子轴7直径的大小来移动夹爪62，使夹爪62向卡盘63中间移动，以夹紧转子轴7；旋转摇臂12可根据转子轴7直径的大小绕第二固定架10转动，以确保导电滑环13始终贴合在转子轴7上；同时可预先设定电机的转速，以预设转子轴7的转速。

调节磁场电源提供的电流的大小和方向，以控制磁场强度的大小和方向，可根据激光焦距来调节U型铁芯8的位置，使U型铁芯8的U型磁极与激光输出头9在同一铅垂面上，磁极的运动方向与激光扫描方向一致，磁场可随激光输出头9运动形成移动磁场，磁场可始终保存作用于熔池，同时也可通过调节第一固定架18的位置来改变磁场方向。

导电滑环13套在第二螺栓21上，导电滑环13的滚动面始终与转子轴7的外表面接触，可随转子轴7转动而滚动。第一螺栓19与叉形触点14相连，叉形触点14再与导线15相连通电。旋转摇臂12装套在第二固定架10上，可根据转子轴7直径的大小绕第二固定架10转动，以确保导电滑环13始终贴合在转子轴7上。按下开关17，通电，生成电场作用于转子轴7受损表面形成的熔池。可通过控制电场电流的大小和方向来改变作用电场的大小和方向。

对转子轴7进行熔覆前，先将转子轴7受损部位进行磨削，加工成一定深度和宽度的凹槽，成为待加工凹槽。将激光熔覆专用的合金粉末置于干燥箱内120℃烘干2小时备用。再开始激光熔覆再制造之前，现将汽轮机转子轴7的凹槽表面用乙醇清理干净。

将转子轴7装夹在夹具6上，激光照射位置为转子轴7的待加工凹槽，将激光输出头9对准待加工凹槽，并调整激光焦距，使激光焦点位于转子轴7待加工凹槽的表面；调整第一固定架18，使U型铁芯8尽可能靠近转子轴7的待加工凹槽的正上方；调整第二固定架10和旋转摇臂12，使导电滑环13贴合在转子轴7待加工凹槽两侧。

熔覆时以激光输出头9固定、转子轴7旋转的方式加工。先开启驱动装置，驱动装置驱动夹具6带动转子轴7在一定转速下旋转；然后开启磁场电源，为转子轴7待加工凹槽提供磁场强度约0.4T的磁场；最后按下开关17开启电场电源16，调节电场电源的电压使电流约为300A，为待加工凹槽提供电场。开启激光器(功率为1600W)、气体保护装置(氩气流量为10L/h)和送粉器(送粉量为10g/min)，其中搭接率为40～50％，激光输出头以360mm/min的扫描速度按所设定的轨迹在转子轴7待加工凹槽表面熔覆，通电、通磁直至扫描结束。关闭开关17，关闭磁场电源的开关，最后将修复后的转子轴7经车削、抛光使其达到目标尺寸。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。