一種用于汽輪機葉片的電磁復合場協同激光再制造裝置的制作方法

本發明涉及一種用于汽輪機葉片的電磁復合場協同激光再制造裝置。

背景技術：

汽輪機葉片是火力發電廠中非常重要的一類構件。當汽輪機主軸高速旋轉時，葉片邊緣的線速度可達到超音速。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，葉片容易從進汽邊開始損壞，當損壞到一定程度后整個葉片報廢，需進行及時更換。葉片的造價很高,對局部沖蝕損壞的葉片如能進行修復后再重新應用，無疑將大大節省生產成本。目前，國內外不少研究學者都在這一領域進行了實驗探索，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方法。其中，激光熔覆因具有自動化程度高，容易編程控制以及修復層與葉片基體能實現冶金結合等特點，是目前葉片修復中最先進的一種方法。

但激光再制造修復葉片的同時也存在一些問題：

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

(2)在激光修復過程中需不斷的優化工藝參數，不僅效率較低，而且激光工藝參數的調節只能改變熔覆層熔池的外部傳熱邊界，無法控制熔池內部流體的運動方向，難以對熔覆組織中晶粒的形態、尺寸、晶體取向進行靈活控制，獲得性能更優的熔覆涂層。

針對上述汽輪機葉片激光再制造過程中遇到的問題，國內外學者多采用改變激光工藝參數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，改善熔覆層質量。但此類方法需要大量的實驗進行對比驗證，效率較低，不利于工程實際應用。

技術實現要素：

為克服背景技術中存在的缺陷，本發明提供一種專門應用于汽輪機葉片修復的電磁復合場協同激光再制造裝置。在利用激光再制造修復汽輪機葉片的過程中，將外加電場和磁場同時作用于熔池中，產生方向、大小、頻率靈活可控的洛倫茲力，有效調控激光熔池流體運動、內部顆粒分布以及熔覆缺陷，減少氣孔和裂紋，得到性能優良的葉片強化層。

本發明解決上述問題的技術方案是：

一種用于汽輪機葉片的電磁復合場協同激光再制造裝置，汽輪機葉片包括葉根、葉身和葉冠，包括激光熔覆部、用于固定葉片且可驅動葉片轉動的支架部、提供電場的電場部和提供磁場的磁場部；

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，且送粉頭設置在激光輸出頭上；

所述支架部設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，架體豎直設置，架體的底端固定在底板上，架體的頂端可轉動地穿設有轉軸，所述轉軸水平設置，轉軸的內端與用于固定葉根的夾具固定連接，轉軸的外端連接有驅動轉軸轉動的驅動裝置；

所述磁場部設置在支架部的一側，磁場部包括對稱設置在激光輸出頭水平兩側的兩個多匝線圈，所述多匝線圈與磁場電源相連通，以構成磁場，多匝線圈與所述轉軸同軸設置；

所述電場部包括通過導線相連的電場電源、開關，導線的兩自由端均設有電極夾。

進一步，所述電極夾包括夾持部和驅動夾持部張開的夾板，所述夾持部的夾持面上鋪設有導電海綿，所述導電海綿通過銅片與電極夾上的叉形觸點相連接，所述叉形觸點與導線的自由端相連。

進一步，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部，凹槽內沿豎直方向設有一對夾緊件，所述夾緊件包括位于凹槽內的夾持塊，兩夾持塊的內端上下對準，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，且螺母設置在卡盤的外表面上。

進一步，所述多匝線圈和鐵芯固定在底座上。

進一步，所述驅動裝置包括固定在轉軸外端的從動齒輪和與從動齒輪相嚙合的主動齒輪，且主動齒輪與電機的輸出軸固定連接。

進一步，距離葉根較遠的一個所述多匝線圈內設有鐵芯，以加強磁場。

進一步，所述轉軸位于卡盤的中心。

本發明的有益效果主要表現在：

本發明采用磁場、電場同時輔助激光再制造來調控熔池，有效調控激光再制造過程中熔池流體運動、內部顆粒分布以及熔覆缺陷，得到性能優良的葉片的熔覆涂層。將外加電場和外加磁場同時耦合在需要加工的葉片修復區域中，使熔池區域的導電流體受到電磁復合場的協同作用，產生可控洛侖茲力，以調控激光再制造過程中的傳熱傳質行為，實現對激光再制造區域中凝固組織和缺陷的調控，實現激光再制造過程中的控形和控性效果。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構示意圖。

圖2是夾具的側視圖。

圖3是電極夾的結構示意圖。

圖4是經COMSOL Multiphysics模擬軟件得到的在加工區域上的電場和磁場的分布情況示意圖。

具體實施方式

參照附圖，一種用于汽輪機葉片的電磁復合場協同激光再制造裝置，汽輪機葉片8包括葉根81、葉身和葉冠，本發明包括激光熔覆部、用于固定葉片8且可驅動葉片8轉動的支架部、提供電場的電場部和提供磁場的磁場部；

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設置在激光輸出頭91上；

所述支架部設置在激光熔覆部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豎直設置，架體2的底端固定在底板1上；架體2的頂端可轉動地穿設有轉軸4，所述轉軸4水平設置，轉軸4的內端與用于固定葉根81的夾具固定連接，轉軸4的外端連接有驅動轉軸轉動的驅動裝置；

所述磁場部設置在支架部的一側，磁場部包括對稱設置在激光輸出頭91水平兩側的兩個多匝線圈10，所述多匝線圈10與磁場電源相連通，以構成磁場；多匝線圈10與轉軸4同軸設置；

所述電場部包括通過導線13相連的電場電源15、開關14，導線13的兩自由端均設有電極夾16。定義導線串聯電源15、開關14后的兩端為自由端。

所述電極夾16包括夾持部和驅動夾持部張開的夾板161，所述夾持部的夾持面上鋪設有導電海綿164，所述導電海綿164通過銅片163與電極夾16上的叉形觸點162相連接，所述叉形觸點162與導線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部，凹槽內沿豎直方向設有一對夾緊件，所述夾緊件包括位于凹槽內的夾持塊71，兩夾持塊71的內端上下對準，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設置在卡盤6的外表面上，便于調節兩夾持塊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。

所述驅動裝置包括固定在轉軸4外端的從動齒輪3和與從動齒輪相嚙合的主動齒輪，且主動齒輪與電機的輸出軸固定連接，以驅動轉軸轉動，從而帶動葉片8轉動。

距離葉根81較遠的一個所述多匝線圈10內設有鐵芯11，以加強磁場。

所述轉軸4位于卡盤5的中心。

所述激光輸出頭91輸出的激光在預設參數下沿葉片8進氣邊方向掃描運行，同時葉片8隨卡盤5緩慢轉動，使得激光方向與葉片的表面始終垂直。

選定葉片8上待修復的區域作為加工區域A，激光輸出頭91正對加工區域A，兩個電極夾16的其中一個裝夾在葉片的進氣邊緊靠待加工區域A的左端，另一個裝夾在葉片的出氣邊葉冠最下端處，

兩個電極夾16一左一右，一上一下，這樣能使加工區域A的電場盡可能上下分布，保證加工區域的電場與磁場的夾角盡可能最大。

由于葉片8的表面是弧形，導電海綿164可以很好的與葉片8表面貼合，叉形觸點162連接導線13，通過銅片163將電流導入導電海綿164，從而實現對葉片上下施加電場。

加有鐵芯11的線圈位于葉冠一端，鐵芯11可加強磁場，可實現從葉冠到葉根左右分布的磁場。

基于汽輪機葉片激光再制造過程中遇到的問題，本發明提供一種專門應用于汽輪機葉片修復的電磁復合場協同激光再制造裝置。在利用激光再制造修復汽輪機葉片的過程中，將外加電場和磁場同時作用于熔池中，產生方向、大小、頻率靈活可控的洛倫茲力，有效調控激光熔池流體運動、內部顆粒分布以及熔覆缺陷，減少氣孔和裂紋，得到性能優良的葉片強化層。

圖4所示，經COMSOL Multiphysics模擬軟件得到的在葉片8上的加工區域A上的電場B和磁場E的分布情況，加工區域A右部電場B近乎上下分布，加工區域A左部電場B近乎左右分布。根據左手定則，對熔池作用的定向洛倫茲力的方向在加工區域A右部近乎在豎直方向上，加工區域A左部近乎左右方向。因而電磁場對加工區域A右部對葉片再制造調控相比左部更優。這也符合葉片進氣邊靠近葉冠部位速度高，損壞更為嚴重，再制造得到的修復層需更優的實際情況。

激光再制造前，先對汽輪機葉片8進氣邊的外表面進行預處理：在室溫下對葉片進氣邊待修復的表面進行除銹、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。兩個電極夾16分別裝夾在葉片8上下的進氣邊、出氣邊遠離葉片修復區域的部位，這樣可以使電極夾16遠離高溫的激光熔池。采用同軸送粉激光熔覆進行葉片修復，葉片修復區在進汽邊附近，修復區域長為100mm，寬為30mm。熔覆時以激光頭固定、葉片8微轉的方式加工，照射位置可始終保持為葉片8的頂端前方。

外接從動齒輪3連接驅動裝置控制卡盤5轉動，并帶動葉片8在一定小轉速下微轉，調整激光焦距，使激光焦點位于葉片待修復區域的表面。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。葉片修復后用WC粉末進行了表面激光合金化強化。開起外接提供線圈電流的磁場電源，為加工區域A提供磁場。按下開關14，開啟大電流的電場電源15，調節電壓使電流約為300A，為加工區域A提供電場。開啟激光器、氣體保護裝置和送粉器，其中掃描速度為500～600mm/min，激光熔覆功率1200W，保護氣氬氣流量為10L/h，送粉速率為10g/min。通電、通磁直至掃描結束。關閉開關14，關閉外接提供線圈電流的磁場電源的開關，修復后的葉片8經過車削、拋光使其達到目標尺寸。

本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發明的保護范圍也包括本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。