本發(fā)明涉及一種用于汽輪機(jī)葉片的電磁復(fù)合場(chǎng)協(xié)同激光再制造裝置。

背景技術(shù)：

汽輪機(jī)葉片是火力發(fā)電廠中非常重要的一類構(gòu)件。當(dāng)汽輪機(jī)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片邊緣的線速度可達(dá)到超音速。高溫高壓的蒸汽以極大速率沖擊到葉片表面上，在汽蝕和疲勞等因素的共同作用下，葉片容易從進(jìn)汽邊開始損壞，當(dāng)損壞到一定程度后整個(gè)葉片報(bào)廢，需進(jìn)行及時(shí)更換。葉片的造價(jià)很高,對(duì)局部沖蝕損壞的葉片如能進(jìn)行修復(fù)后再重新應(yīng)用，無疑將大大節(jié)省生產(chǎn)成本。目前，國內(nèi)外不少研究學(xué)者都在這一領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索，提出了釬焊、氬弧焊、熱噴涂、電火花和激光熔覆等不同的葉片修復(fù)方法。其中，激光熔覆因具有自動(dòng)化程度高，容易編程控制以及修復(fù)層與葉片基體能實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合等特點(diǎn)，是目前葉片修復(fù)中最先進(jìn)的一種方法。

但激光再制造修復(fù)葉片的同時(shí)也存在一些問題：

(1)在激光熔覆的快速凝固條件下，熔覆層極易形成形態(tài)、大小和方向各異的不均勻凝固組織，且熔覆層內(nèi)的氣孔和夾雜等微觀缺陷往往難以及時(shí)排出而殘留在熔覆組織中，嚴(yán)重影響了熔覆層的質(zhì)量和性能；

(2)在激光修復(fù)過程中需不斷的優(yōu)化工藝參數(shù)，不僅效率較低，而且激光工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)只能改變?nèi)鄹矊尤鄢氐耐獠總鳠徇吔?，無法控制熔池內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)方向，難以對(duì)熔覆組織中晶粒的形態(tài)、尺寸、晶體取向進(jìn)行靈活控制，獲得性能更優(yōu)的熔覆涂層。

針對(duì)上述汽輪機(jī)葉片激光再制造過程中遇到的問題，國內(nèi)外學(xué)者多采用改變激光工藝參數(shù)或在熔覆粉末中添加稀土元素等方式來減少和消除裂紋和氣孔，改善熔覆層質(zhì)量。但此類方法需要大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，效率較低，不利于工程實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服背景技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種專門應(yīng)用于汽輪機(jī)葉片修復(fù)的電磁復(fù)合場(chǎng)協(xié)同激光再制造裝置。在利用激光再制造修復(fù)汽輪機(jī)葉片的過程中，將外加電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)作用于熔池中，產(chǎn)生方向、大小、頻率靈活可控的洛倫茲力，有效調(diào)控激光熔池流體運(yùn)動(dòng)、內(nèi)部顆粒分布以及熔覆缺陷，減少氣孔和裂紋，得到性能優(yōu)良的葉片強(qiáng)化層。

本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：

一種用于汽輪機(jī)葉片的電磁復(fù)合場(chǎng)協(xié)同激光再制造裝置，汽輪機(jī)葉片包括葉根、葉身和葉冠，包括激光熔覆部、用于固定葉片且可驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的支架部、提供電場(chǎng)的電場(chǎng)部和提供磁場(chǎng)的磁場(chǎng)部；

所述激光熔覆部包括激光器和送粉器，激光器連接有垂直向下的激光輸出頭，送粉器連接有垂直向下的送粉頭，且送粉頭設(shè)置在激光輸出頭上；

所述支架部設(shè)置在激光熔覆部的下方，支架部包括用于水平固定葉片的夾具和支撐夾具的架體，架體豎直設(shè)置，架體的底端固定在底板上，架體的頂端可轉(zhuǎn)動(dòng)地穿設(shè)有轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸水平設(shè)置，轉(zhuǎn)軸的內(nèi)端與用于固定葉根的夾具固定連接，轉(zhuǎn)軸的外端連接有驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置；

所述磁場(chǎng)部設(shè)置在支架部的一側(cè)，磁場(chǎng)部包括對(duì)稱設(shè)置在激光輸出頭水平兩側(cè)的兩個(gè)多匝線圈，所述多匝線圈與磁場(chǎng)電源相連通，以構(gòu)成磁場(chǎng)，多匝線圈與所述轉(zhuǎn)軸同軸設(shè)置；

所述電場(chǎng)部包括通過導(dǎo)線相連的電場(chǎng)電源、開關(guān)，導(dǎo)線的兩自由端均設(shè)有電極夾。

進(jìn)一步，所述電極夾包括夾持部和驅(qū)動(dòng)夾持部張開的夾板，所述夾持部的夾持面上鋪設(shè)有導(dǎo)電海綿，所述導(dǎo)電海綿通過銅片與電極夾上的叉形觸點(diǎn)相連接，所述叉形觸點(diǎn)與導(dǎo)線的自由端相連。

進(jìn)一步，所述夾具包括卡盤，所述卡盤具有容納葉根的凹槽，凹槽的開口面向磁場(chǎng)部，凹槽內(nèi)沿豎直方向設(shè)有一對(duì)夾緊件，所述夾緊件包括位于凹槽內(nèi)的夾持塊，兩夾持塊的內(nèi)端上下對(duì)準(zhǔn)，兩夾持塊的外端與螺栓的一端相連，螺栓的另一端穿過卡盤，并通過螺母固定在卡盤上，且螺母設(shè)置在卡盤的外表面上。

進(jìn)一步，所述多匝線圈和鐵芯固定在底座上。

進(jìn)一步，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括固定在轉(zhuǎn)軸外端的從動(dòng)齒輪和與從動(dòng)齒輪相嚙合的主動(dòng)齒輪，且主動(dòng)齒輪與電機(jī)的輸出軸固定連接。

進(jìn)一步，距離葉根較遠(yuǎn)的一個(gè)所述多匝線圈內(nèi)設(shè)有鐵芯，以加強(qiáng)磁場(chǎng)。

進(jìn)一步，所述轉(zhuǎn)軸位于卡盤的中心。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

本發(fā)明采用磁場(chǎng)、電場(chǎng)同時(shí)輔助激光再制造來調(diào)控熔池，有效調(diào)控激光再制造過程中熔池流體運(yùn)動(dòng)、內(nèi)部顆粒分布以及熔覆缺陷，得到性能優(yōu)良的葉片的熔覆涂層。將外加電場(chǎng)和外加磁場(chǎng)同時(shí)耦合在需要加工的葉片修復(fù)區(qū)域中，使熔池區(qū)域的導(dǎo)電流體受到電磁復(fù)合場(chǎng)的協(xié)同作用，產(chǎn)生可控洛侖茲力，以調(diào)控激光再制造過程中的傳熱傳質(zhì)行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光再制造區(qū)域中凝固組織和缺陷的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)激光再制造過程中的控形和控性效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是夾具的側(cè)視圖。

圖3是電極夾的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是經(jīng)COMSOL Multiphysics模擬軟件得到的在加工區(qū)域上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布情況示意圖。

具體實(shí)施方式

參照附圖，一種用于汽輪機(jī)葉片的電磁復(fù)合場(chǎng)協(xié)同激光再制造裝置，汽輪機(jī)葉片8包括葉根81、葉身和葉冠，本發(fā)明包括激光熔覆部、用于固定葉片8且可驅(qū)動(dòng)葉片8轉(zhuǎn)動(dòng)的支架部、提供電場(chǎng)的電場(chǎng)部和提供磁場(chǎng)的磁場(chǎng)部；

所述激光熔覆部9包括激光器和送粉器，激光器連接有垂直向下的激光輸出頭，送粉器連接有垂直向下的送粉頭92，且送粉頭92設(shè)置在激光輸出頭91上；

所述支架部設(shè)置在激光熔覆部9的下方，支架部包括用于水平固定葉片的夾具和支撐夾具的架體2，架體2豎直設(shè)置，架體2的底端固定在底板1上；架體2的頂端可轉(zhuǎn)動(dòng)地穿設(shè)有轉(zhuǎn)軸4，所述轉(zhuǎn)軸4水平設(shè)置，轉(zhuǎn)軸4的內(nèi)端與用于固定葉根81的夾具固定連接，轉(zhuǎn)軸4的外端連接有驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置；

所述磁場(chǎng)部設(shè)置在支架部的一側(cè)，磁場(chǎng)部包括對(duì)稱設(shè)置在激光輸出頭91水平兩側(cè)的兩個(gè)多匝線圈10，所述多匝線圈10與磁場(chǎng)電源相連通，以構(gòu)成磁場(chǎng)；多匝線圈10與轉(zhuǎn)軸4同軸設(shè)置；

所述電場(chǎng)部包括通過導(dǎo)線13相連的電場(chǎng)電源15、開關(guān)14，導(dǎo)線13的兩自由端均設(shè)有電極夾16。定義導(dǎo)線串聯(lián)電源15、開關(guān)14后的兩端為自由端。

所述電極夾16包括夾持部和驅(qū)動(dòng)夾持部張開的夾板161，所述夾持部的夾持面上鋪設(shè)有導(dǎo)電海綿164，所述導(dǎo)電海綿164通過銅片163與電極夾16上的叉形觸點(diǎn)162相連接，所述叉形觸點(diǎn)162與導(dǎo)線13的自由端相連。

所述夾具包括卡盤5，所述卡盤5具有容納葉根81的凹槽，凹槽的開口面向磁場(chǎng)部，凹槽內(nèi)沿豎直方向設(shè)有一對(duì)夾緊件，所述夾緊件包括位于凹槽內(nèi)的夾持塊71，兩夾持塊71的內(nèi)端上下對(duì)準(zhǔn)，兩夾持塊71的外端與螺栓72的一端相連，螺栓72的另一端穿過卡盤5，并通過螺母6固定在卡盤5上，且螺母6設(shè)置在卡盤6的外表面上，便于調(diào)節(jié)兩夾持塊71之間的間隙，以夾緊葉根81。

所述多匝線圈和鐵芯11固定在底座12上。

所述驅(qū)動(dòng)裝置包括固定在轉(zhuǎn)軸4外端的從動(dòng)齒輪3和與從動(dòng)齒輪相嚙合的主動(dòng)齒輪，且主動(dòng)齒輪與電機(jī)的輸出軸固定連接，以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)葉片8轉(zhuǎn)動(dòng)。

距離葉根81較遠(yuǎn)的一個(gè)所述多匝線圈10內(nèi)設(shè)有鐵芯11，以加強(qiáng)磁場(chǎng)。

所述轉(zhuǎn)軸4位于卡盤5的中心。

所述激光輸出頭91輸出的激光在預(yù)設(shè)參數(shù)下沿葉片8進(jìn)氣邊方向掃描運(yùn)行，同時(shí)葉片8隨卡盤5緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，使得激光方向與葉片的表面始終垂直。

選定葉片8上待修復(fù)的區(qū)域作為加工區(qū)域A，激光輸出頭91正對(duì)加工區(qū)域A，兩個(gè)電極夾16的其中一個(gè)裝夾在葉片的進(jìn)氣邊緊靠待加工區(qū)域A的左端，另一個(gè)裝夾在葉片的出氣邊葉冠最下端處，

兩個(gè)電極夾16一左一右，一上一下，這樣能使加工區(qū)域A的電場(chǎng)盡可能上下分布，保證加工區(qū)域的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的夾角盡可能最大。

由于葉片8的表面是弧形，導(dǎo)電海綿164可以很好的與葉片8表面貼合，叉形觸點(diǎn)162連接導(dǎo)線13，通過銅片163將電流導(dǎo)入導(dǎo)電海綿164，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片上下施加電場(chǎng)。

加有鐵芯11的線圈位于葉冠一端，鐵芯11可加強(qiáng)磁場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)從葉冠到葉根左右分布的磁場(chǎng)。

基于汽輪機(jī)葉片激光再制造過程中遇到的問題，本發(fā)明提供一種專門應(yīng)用于汽輪機(jī)葉片修復(fù)的電磁復(fù)合場(chǎng)協(xié)同激光再制造裝置。在利用激光再制造修復(fù)汽輪機(jī)葉片的過程中，將外加電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)作用于熔池中，產(chǎn)生方向、大小、頻率靈活可控的洛倫茲力，有效調(diào)控激光熔池流體運(yùn)動(dòng)、內(nèi)部顆粒分布以及熔覆缺陷，減少氣孔和裂紋，得到性能優(yōu)良的葉片強(qiáng)化層。

圖4所示，經(jīng)COMSOL Multiphysics模擬軟件得到的在葉片8上的加工區(qū)域A上的電場(chǎng)B和磁場(chǎng)E的分布情況，加工區(qū)域A右部電場(chǎng)B近乎上下分布，加工區(qū)域A左部電場(chǎng)B近乎左右分布。根據(jù)左手定則，對(duì)熔池作用的定向洛倫茲力的方向在加工區(qū)域A右部近乎在豎直方向上，加工區(qū)域A左部近乎左右方向。因而電磁場(chǎng)對(duì)加工區(qū)域A右部對(duì)葉片再制造調(diào)控相比左部更優(yōu)。這也符合葉片進(jìn)氣邊靠近葉冠部位速度高，損壞更為嚴(yán)重，再制造得到的修復(fù)層需更優(yōu)的實(shí)際情況。

激光再制造前，先對(duì)汽輪機(jī)葉片8進(jìn)氣邊的外表面進(jìn)行預(yù)處理：在室溫下對(duì)葉片進(jìn)氣邊待修復(fù)的表面進(jìn)行除銹、除油，并用酒精清洗干凈。將葉片8葉根81裝夾在卡盤5上，旋緊卡盤5上的螺栓6以夾緊葉片8。兩個(gè)電極夾16分別裝夾在葉片8上下的進(jìn)氣邊、出氣邊遠(yuǎn)離葉片修復(fù)區(qū)域的部位，這樣可以使電極夾16遠(yuǎn)離高溫的激光熔池。采用同軸送粉激光熔覆進(jìn)行葉片修復(fù)，葉片修復(fù)區(qū)在進(jìn)汽邊附近，修復(fù)區(qū)域長(zhǎng)為100mm，寬為30mm。熔覆時(shí)以激光頭固定、葉片8微轉(zhuǎn)的方式加工，照射位置可始終保持為葉片8的頂端前方。

外接從動(dòng)齒輪3連接驅(qū)動(dòng)裝置控制卡盤5轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)葉片8在一定小轉(zhuǎn)速下微轉(zhuǎn)，調(diào)整激光焦距，使激光焦點(diǎn)位于葉片待修復(fù)區(qū)域的表面。熔覆材料采用與葉片基體一致的2Cr13不銹鋼粉末，粉末形狀接橢圓形，粒徑在200目左右。葉片修復(fù)后用WC粉末進(jìn)行了表面激光合金化強(qiáng)化。開起外接提供線圈電流的磁場(chǎng)電源，為加工區(qū)域A提供磁場(chǎng)。按下開關(guān)14，開啟大電流的電場(chǎng)電源15，調(diào)節(jié)電壓使電流約為300A，為加工區(qū)域A提供電場(chǎng)。開啟激光器、氣體保護(hù)裝置和送粉器，其中掃描速度為500～600mm/min，激光熔覆功率1200W，保護(hù)氣氬氣流量為10L/h，送粉速率為10g/min。通電、通磁直至掃描結(jié)束。關(guān)閉開關(guān)14，關(guān)閉外接提供線圈電流的磁場(chǎng)電源的開關(guān)，修復(fù)后的葉片8經(jīng)過車削、拋光使其達(dá)到目標(biāo)尺寸。

本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。