一种用于汽轮机叶片的电磁复合场协同激光再制造装置的制作方法

文档序号:11147212阅读:645来源:国知局
一种用于汽轮机叶片的电磁复合场协同激光再制造装置的制造方法

本发明涉及一种用于汽轮机叶片的电磁复合场协同激光再制造装置。



背景技术:

汽轮机叶片是火力发电厂中非常重要的一类构件。当汽轮机主轴高速旋转时,叶片边缘的线速度可达到超音速。高温高压的蒸汽以极大速率冲击到叶片表面上,在汽蚀和疲劳等因素的共同作用下,叶片容易从进汽边开始损坏,当损坏到一定程度后整个叶片报废,需进行及时更换。叶片的造价很高,对局部冲蚀损坏的叶片如能进行修复后再重新应用,无疑将大大节省生产成本。目前,国内外不少研究学者都在这一领域进行了实验探索,提出了钎焊、氩弧焊、热喷涂、电火花和激光熔覆等不同的叶片修复方法。其中,激光熔覆因具有自动化程度高,容易编程控制以及修复层与叶片基体能实现冶金结合等特点,是目前叶片修复中最先进的一种方法。

但激光再制造修复叶片的同时也存在一些问题:

(1)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;

(2)在激光修复过程中需不断的优化工艺参数,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。

针对上述汽轮机叶片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。



技术实现要素:

为克服背景技术中存在的缺陷,本发明提供一种专门应用于汽轮机叶片修复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汽轮机叶片的过程中,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、内部颗粒分布以及熔覆缺陷,减少气孔和裂纹,得到性能优良的叶片强化层。

本发明解决上述问题的技术方案是:

一种用于汽轮机叶片的电磁复合场协同激光再制造装置,汽轮机叶片包括叶根、叶身和叶冠,包括激光熔覆部、用于固定叶片且可驱动叶片转动的支架部、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叶片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转轴,所述转轴水平设置,转轴的内端与用于固定叶根的夹具固定连接,转轴的外端连接有驱动转轴转动的驱动装置;

所述磁场部设置在支架部的一侧,磁场部包括对称设置在激光输出头水平两侧的两个多匝线圈,所述多匝线圈与磁场电源相连通,以构成磁场,多匝线圈与所述转轴同轴设置;

所述电场部包括通过导线相连的电场电源、开关,导线的两自由端均设有电极夹。

进一步,所述电极夹包括夹持部和驱动夹持部张开的夹板,所述夹持部的夹持面上铺设有导电海绵,所述导电海绵通过铜片与电极夹上的叉形触点相连接,所述叉形触点与导线的自由端相连。

进一步,所述夹具包括卡盘,所述卡盘具有容纳叶根的凹槽,凹槽的开口面向磁场部,凹槽内沿竖直方向设有一对夹紧件,所述夹紧件包括位于凹槽内的夹持块,两夹持块的内端上下对准,两夹持块的外端与螺栓的一端相连,螺栓的另一端穿过卡盘,并通过螺母固定在卡盘上,且螺母设置在卡盘的外表面上。

进一步,所述多匝线圈和铁芯固定在底座上。

进一步,所述驱动装置包括固定在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。

进一步,距离叶根较远的一个所述多匝线圈内设有铁芯,以加强磁场。

进一步,所述转轴位于卡盘的中心。

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,得到性能优良的叶片的熔覆涂层。将外加电场和外加磁场同时耦合在需要加工的叶片修复区域中,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是夹具的侧视图。

图3是电极夹的结构示意图。

图4是经COMSOL Multiphysics模拟软件得到的在加工区域上的电场和磁场的分布情况示意图。

具体实施方式

参照附图,一种用于汽轮机叶片的电磁复合场协同激光再制造装置,汽轮机叶片8包括叶根81、叶身和叶冠,本发明包括激光熔覆部、用于固定叶片8且可驱动叶片8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9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92,且送粉头92设置在激光输出头91上;

所述支架部设置在激光熔覆部9的下方,支架部包括用于水平固定叶片的夹具和支撑夹具的架体2,架体2竖直设置,架体2的底端固定在底板1上;架体2的顶端可转动地穿设有转轴4,所述转轴4水平设置,转轴4的内端与用于固定叶根81的夹具固定连接,转轴4的外端连接有驱动转轴转动的驱动装置;

所述磁场部设置在支架部的一侧,磁场部包括对称设置在激光输出头91水平两侧的两个多匝线圈10,所述多匝线圈10与磁场电源相连通,以构成磁场;多匝线圈10与转轴4同轴设置;

所述电场部包括通过导线13相连的电场电源15、开关14,导线13的两自由端均设有电极夹16。定义导线串联电源15、开关14后的两端为自由端。

所述电极夹16包括夹持部和驱动夹持部张开的夹板161,所述夹持部的夹持面上铺设有导电海绵164,所述导电海绵164通过铜片163与电极夹16上的叉形触点162相连接,所述叉形触点162与导线13的自由端相连。

所述夹具包括卡盘5,所述卡盘5具有容纳叶根81的凹槽,凹槽的开口面向磁场部,凹槽内沿竖直方向设有一对夹紧件,所述夹紧件包括位于凹槽内的夹持块71,两夹持块71的内端上下对准,两夹持块71的外端与螺栓72的一端相连,螺栓72的另一端穿过卡盘5,并通过螺母6固定在卡盘5上,且螺母6设置在卡盘6的外表面上,便于调节两夹持块71之间的间隙,以夹紧叶根81。

所述多匝线圈和铁芯11固定在底座12上。

所述驱动装置包括固定在转轴4外端的从动齿轮3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,以驱动转轴转动,从而带动叶片8转动。

距离叶根81较远的一个所述多匝线圈10内设有铁芯11,以加强磁场。

所述转轴4位于卡盘5的中心。

所述激光输出头91输出的激光在预设参数下沿叶片8进气边方向扫描运行,同时叶片8随卡盘5缓慢转动,使得激光方向与叶片的表面始终垂直。

选定叶片8上待修复的区域作为加工区域A,激光输出头91正对加工区域A,两个电极夹16的其中一个装夹在叶片的进气边紧靠待加工区域A的左端,另一个装夹在叶片的出气边叶冠最下端处,

两个电极夹16一左一右,一上一下,这样能使加工区域A的电场尽可能上下分布,保证加工区域的电场与磁场的夹角尽可能最大。

由于叶片8的表面是弧形,导电海绵164可以很好的与叶片8表面贴合,叉形触点162连接导线13,通过铜片163将电流导入导电海绵164,从而实现对叶片上下施加电场。

加有铁芯11的线圈位于叶冠一端,铁芯11可加强磁场,可实现从叶冠到叶根左右分布的磁场。

基于汽轮机叶片激光再制造过程中遇到的问题,本发明提供一种专门应用于汽轮机叶片修复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汽轮机叶片的过程中,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、内部颗粒分布以及熔覆缺陷,减少气孔和裂纹,得到性能优良的叶片强化层。

图4所示,经COMSOL Multiphysics模拟软件得到的在叶片8上的加工区域A上的电场B和磁场E的分布情况,加工区域A右部电场B近乎上下分布,加工区域A左部电场B近乎左右分布。根据左手定则,对熔池作用的定向洛伦兹力的方向在加工区域A右部近乎在竖直方向上,加工区域A左部近乎左右方向。因而电磁场对加工区域A右部对叶片再制造调控相比左部更优。这也符合叶片进气边靠近叶冠部位速度高,损坏更为严重,再制造得到的修复层需更优的实际情况。

激光再制造前,先对汽轮机叶片8进气边的外表面进行预处理:在室温下对叶片进气边待修复的表面进行除锈、除油,并用酒精清洗干净。将叶片8叶根81装夹在卡盘5上,旋紧卡盘5上的螺栓6以夹紧叶片8。两个电极夹16分别装夹在叶片8上下的进气边、出气边远离叶片修复区域的部位,这样可以使电极夹16远离高温的激光熔池。采用同轴送粉激光熔覆进行叶片修复,叶片修复区在进汽边附近,修复区域长为100mm,宽为30mm。熔覆时以激光头固定、叶片8微转的方式加工,照射位置可始终保持为叶片8的顶端前方。

外接从动齿轮3连接驱动装置控制卡盘5转动,并带动叶片8在一定小转速下微转,调整激光焦距,使激光焦点位于叶片待修复区域的表面。熔覆材料采用与叶片基体一致的2Cr13不锈钢粉末,粉末形状接椭圆形,粒径在200目左右。叶片修复后用WC粉末进行了表面激光合金化强化。开起外接提供线圈电流的磁场电源,为加工区域A提供磁场。按下开关14,开启大电流的电场电源15,调节电压使电流约为300A,为加工区域A提供电场。开启激光器、气体保护装置和送粉器,其中扫描速度为500~600mm/min,激光熔覆功率1200W,保护气氩气流量为10L/h,送粉速率为10g/min。通电、通磁直至扫描结束。关闭开关14,关闭外接提供线圈电流的磁场电源的开关,修复后的叶片8经过车削、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。

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