CN103710697B - 一种水轮机叶片表面局部激光熔注仿生强化方法与设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水轮机叶片表面局部激光熔注仿生强化方法与设备，采用激光陶瓷熔注方法，针对水轮机叶片表面磨损区域几何特征，从仿生角度出发，研究耐磨损生物原型，从减小水轮机叶片表面强化应力应变角度，将生物原型抗磨损的结构通过激光熔注“复制”在水轮机叶片表面，提高水轮机叶片表面的耐磨性，延长水轮机叶片使用寿命，为水轮机叶片表面强化提供了一种新的方法。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工领域。
背景技术
我国很多河流泥沙含量大，建立在这些河流上的水电站（厂）的水轮机过流部件受泥沙损害严重。我国已建成的25万kw容量以上的水电站中水轮机存在严重的汽蚀、磨损破坏的约占总容量的38%，使系统装备效率降低，发电能力下降；同时这些水电厂每年都要花费大量的人力、物力、财力，对汽蚀、磨损进行处理。特别是黄河的泥沙含量为世界诸河之最，在黄河上已建成的水电站，其水轮机汽蚀、磨损都很严重。如刘家峡水电站，每年除安排一台机组进行一个多月的一般性大修外，还要安排一台机组进行扩大性大修。扩大性大修所用时间随汽蚀、磨损程度而逐年加剧，由开始的3个月延长到4个月。补焊面积从开始的十多平米，增加到数十平米，最多一次达40M2，补焊消耗的焊条从几百公斤增加到数吨，最多达7吨。如果通过水轮机叶片表面局部激光熔注仿生强化提高水轮机叶片寿命50%以上，可以缩短检修周期，把工人从繁重、恶劣的检修工作环境中解放出来，具有重要的实际意义和巨大的经济价值。
激光熔注技术目前已经被认为是制备金属基复合材料层最为理想的方法之一，是激光局部熔化金属基体，同时将陶瓷粉末注入到熔池中，陶瓷粒子在熔池的快速凝固中被冻结，实现了基体上层颗粒增强，提高金属表面耐磨性和硬度，显示了激光熔注技术在金属基体表面制备颗粒增强复合材料层的优势。
自然界中生物体表经过千百万年的进化，形成了非常独特的结构，生物体表是由凹坑、凸包、波纹、花纹、条状、网络或鳞片等几何结构组成的非光滑表面，生物体表单元体大小从几十微米到几十毫米，生物的非光滑体表具有减粘、降阻、耐磨的作用，在运动过程中具有很好的耐磨性。将生物表面耐磨、抗开裂原型应用在水轮机叶片表面强化领域，具有良好发展前景。
本发明采用激光陶瓷熔注方法，针对水轮机叶片表面磨损区域几何特征，从仿生角度出发，研究耐磨损生物原型，从减小水轮机叶片表面强化应力应变角度，将生物原型抗磨损的结构通过激光熔注“复制”在水轮机叶片表面，提高水轮机叶片表面的耐磨性，延长水轮机叶片使用寿命，为水轮机叶片表面强化提供了一种新的方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，水轮机叶片表面局部激光熔注仿生强化设备，由控制单元、仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控工作台组成，控制单元分别与仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连。控制单元包括一台工业控制计算机，该计算机具有多尺度激光熔注强化层工艺模块、水轮机叶片面仿生结构体设计模块和水轮机叶片表面仿生强化数控加工模块；所述多尺度激光熔注强化层工艺模块包括加工工艺参数数据库和仿生结构体视觉监控单元，所述数据库中每一条数据记录包括水轮机叶片的材料牌号、原始显微组织，激光功率、扫描速度、离焦量，陶瓷材料、颗粒尺寸、体积分数、弥散形态、熔注速度，熔注后叶片化学成分、组织结构、耐磨性；所述仿生结构体视觉监控单元主要接受视觉硬件系统图像信号，处理激光熔注熔化状态和仿生结构体成形状态，从而控制激光熔注工艺参数和五轴数控工作台联动状态。
所述水轮机叶片面仿生结构体设计模块是选择具有耐磨抗裂功能的生物为生物原型，运用相似理论，对生物体几何尺寸、外形、系统结构和功能特征进行模拟和参数优化，建立相应生物模型，针对水轮机叶片表面强化区域尺寸、形状、流道曲率不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，从减小水轮机叶片表面强化应力应变角度，设计仿生结构体设计；所述水轮机叶片面仿生强化数控加工模块能够根据设计好的水轮机叶片面仿生结构体数自动形成数控加工程序，驱动五自由度数控机械工作台；也能够在其它计算机设计好水轮机叶片表面仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入该示教系统中；同轴视觉传感采集系统与激光器通过紧固件连接，通过CCD视觉传感激光熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，传给控制单元中仿生结构体视觉监控单元；所述五自由度数控机械工作台是一个龙门数控操作平台，包括Y向机构安装在龙门横梁上，能够沿着图2标示Y向移动， Z向上下进给结构安装在Y向移动机构上，激光头与B轴驱动相连，B轴驱动与C轴驱动相连，C轴安装在立柱上，可沿Z轴上下移动，龙门中间是安装叶片固定夹具平台，可沿X方向移动。
在水轮机叶片功能表面，利用激光陶瓷熔注加工的方法，对表面进行填加化学元素和仿生强化。所述在水轮机叶片表面局部激光熔注陶瓷颗粒而成仿生结构体，仿生结构体翅膜宽度W 为0.05~50mm，仿生结构体翅膜长度L1为0.5~1000mm，仿生结构体翅膜厚度h2为0.1~8mm，仿生结构体翅脉宽度d为0.1~10mm，仿生结构体翅脉厚度h1为0.1~8mm。所述激光熔注碳化物陶瓷颗粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC，送陶瓷粉速度1～200 mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生结构体中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.01～2.0mm。
附图说明
图1水轮机叶片表面仿生强化设备控制结构框图
图2水轮机叶片表面仿生强化设备主视结构示意图
其中：1 Z轴驱动 2 Y轴驱动 3 C轴驱动 4 B轴驱动 5 叶片定位装置 6工作台 7 X轴驱动 8 底座 9 激光头安装架 10 同轴视觉 11 陶瓷精密送粉机 12激光束 13 水轮机叶片 14 激光定位二极管
图3水轮机叶片强化表面耦合仿生结构体示意图
其中： W仿生结构体翅膜宽度 L1仿生结构体翅膜长度 h2仿生结构体翅膜厚度d仿生结构体翅脉宽度 h1仿生结构体翅脉厚度。
具体实施方式
水轮机叶片表面局部激光熔注仿生强化设备，由控制单元、仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控工作台组成，控制单元分别与仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连。控制单元包括一台工业控制计算机，该计算机具有多尺度激光熔注强化层工艺模块、水轮机叶片面仿生结构体设计模块和水轮机叶片表面仿生强化数控加工模块；所述多尺度激光熔注强化层工艺模块包括加工工艺参数数据库和仿生结构体视觉监控单元，所述数据库中每一条数据记录包括水轮机叶片的材料牌号、原始显微组织，激光功率、扫描速度、离焦量，陶瓷材料、颗粒尺寸、体积分数、弥散形态、熔注速度，熔注后叶片化学成分、组织结构、耐磨性；所述仿生结构体视觉监控单元主要接受视觉硬件系统图像信号，处理激光熔注熔化状态和仿生结构体成形状态，从而控制激光熔注工艺参数和五轴数控工作台联动状态。
所述水轮机叶片面仿生结构体设计模块是选择具有耐磨抗裂功能的生物为生物原型，运用相似理论，对生物体几何尺寸、外形、系统结构和功能特征进行模拟和参数优化，建立相应生物模型，针对水轮机叶片表面强化区域尺寸、形状、流道曲率不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，从减小水轮机叶片表面强化应力应变角度，设计仿生结构体设计；所述水轮机叶片面仿生强化数控加工模块能够根据设计好的水轮机叶片面仿生结构体数自动形成数控加工程序，驱动五自由度数控机械工作台；也能够在其它计算机设计好水轮机叶片表面仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入该示教系统中；同轴视觉传感采集系统与激光器通过紧固件连接，通过CCD视觉传感激光熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，传给控制单元中仿生结构体视觉监控单元；所述五自由度数控机械工作台是一个龙门数控操作平台，包括Y向机构安装在龙门横梁上，能够沿着图2标示Y向移动， Z向上下进给结构安装在Y向移动机构上，激光头与B轴驱动相连，B轴驱动与C轴驱动相连，C轴安装在立柱上，可沿Z轴上下移动，龙门中间是安装叶片固定夹具平台，可沿X方向移动。
在水轮机叶片功能表面，利用激光陶瓷熔注加工的方法，对表面进行填加化学元素和仿生强化。所述在水轮机叶片表面局部激光熔注陶瓷颗粒而成仿生结构体，仿生结构体翅膜宽度W 为0.05~50mm，仿生结构体翅膜长度L1为0.5~1000mm，仿生结构体翅膜厚度h2为0.1~8mm，仿生结构体翅脉宽度d为0.1~10mm，仿生结构体翅脉厚度h1为0.1~8mm。所述激光熔注碳化物陶瓷颗粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC，送陶瓷粉速度1～200 mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生结构体中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.01～2.0mm。
水轮机叶片表面局部激光熔注仿生强化方法步骤如下：
1．将待加工水轮机叶片夹持水平夹具平台上，闭合电源，启动五自由度数控工作台、激光发生器电源、视觉采集系统和陶瓷精密送粉器。
2．通过五自由度数控工作台调整激光焦点、陶瓷熔注位置与水轮机叶片功能表面相对位置。
3．启动“多尺度激光熔注强化层工艺模块”，输入信息，确定激光熔注优化工艺参数；启动“水轮机叶片面仿生结构体设计模块”，针对水轮机叶片表面不同特征，设计仿生结构体。
4.启动“水轮机叶片面仿生强化数控加工模块”，根据设计好的水轮机叶片面仿生结构体自动形成数控加工程序。
5．启动“加工开始”，将激光熔注优化工艺参数传递到激光发生器，输出激光，将数控加工程序传递到数控工作台，数控平台按照加工程序控制伺服电机驱动工作台运动。
6. 加工过程中，CCD视觉监控激光熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，对激光加工参数和工作台运动轨迹做局部微调，保证水轮机叶片功能表面仿生强化结构体加工质量。
选择具有耐磨抗裂功能如蝴蝶翅膀等为生物原型，运用相似理论建立相应的生物模型，根据水轮机叶片表面形态、材料、结构特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，进行水轮机叶片表面仿生单元体和结构体设计，利用激光陶瓷熔注加工出具有仿生结构表面水轮机叶片。水轮机叶片材料为ZCoCr13Ni 6Mo，WC粉末由熔池中后部注入，平均尺寸为120μm，采用负离焦6.0mm，激光束加工斑点尺寸为6.0mm，激光功率密度650 W/mm2，扫描速度1.5m/min，送陶瓷粉速度140 mg/s，熔注层中陶瓷（WC）的体积分数为35%，陶瓷以均匀梯度弥散形态。在水轮机叶片表面加工成一定仿生纹理网格，如图3所示，该蝴蝶仿生结构体是由翅脉和翅膜按一定规律耦合而成，翅膜和翅脉中弥散熔注了碳化物陶瓷颗粒。其中仿生结构体翅膜宽度W为20mm，仿生结构体翅膜长度L1为100mm仿生结构体翅膜厚度h2为1mm仿生结构体翅脉宽度d为5mm，仿生结构体翅脉厚度h1为3mm。水轮机叶片表面局部激光熔注仿生强化后，提高水轮机叶片使用寿命50%。
Claims (3)
1.一种水轮机叶片表面局部激光熔注仿生强化设备，由控制单元、仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控工作台组成，控制单元分别与仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和五自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连；控制单元包括一台工业控制计算机，该计算机具有多尺度激光熔注强化层工艺模块、水轮机叶片面仿生结构体设计模块和水轮机叶片表面仿生强化数控加工模块；
所述多尺度激光熔注强化层工艺模块包括加工工艺参数数据库和仿生结构体视觉监控单元，所述数据库中每一条数据记录包括水轮机叶片的材料牌号、原始显微组织，激光功率、扫描速度、离焦量，陶瓷材料、颗粒尺寸、体积分数、弥散形态、熔注速度，熔注后叶片化学成分、组织结构、耐磨性；所述仿生结构体视觉监控单元主要接受视觉硬件系统图像信号，处理激光熔注熔化状态和仿生结构体成形状态，从而控制激光熔注工艺参数和五轴数控工作台联动状态；
所述水轮机叶片面仿生结构体设计模块是选择具有耐磨抗裂功能的生物为生物原型，运用相似理论，对生物体几何尺寸、外形、系统结构和功能特征进行模拟和参数优化，建立相应生物模型，针对水轮机叶片表面强化区域尺寸、形状、流道曲率不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，从减小水轮机叶片表面强化应力应变角度，设计仿生结构体设计；
所述水轮机叶片表面仿生强化数控加工模块能够根据设计好的水轮机叶片面仿生结构体数自动形成数控加工程序，驱动五自由度数控机械工作台；也能够在其它计算机设计好水轮机叶片表面仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入数控加工模块的示教系统中；
同轴视觉传感采集系统与激光器通过紧固件连接，通过CCD视觉传感激光熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，传给控制单元中仿生结构体视觉监控单元；
所述五自由度数控机械工作台是一个龙门数控操作平台，包括Y向机构安装在龙门横梁上，能够沿着Y向移动，Z向上下进给结构安装在Y向移动机构上，激光头与B轴驱动相连，B轴驱动与C轴驱动相连，C轴安装在立柱上，可沿Z轴上下移动，龙门中间是安装叶片固定夹具平台，可沿X方向移动。
2.一种利用权利要求1所述的设备进行水轮机叶片功能表面局部激光熔注仿生强化方法，其特征在于：在水轮机叶片功能表面，利用激光陶瓷熔注加工的方法，对表面进行填加化学元素和仿生强化；所述在水轮机叶片表面局部激光熔注陶瓷颗粒而成仿生结构体，仿生结构体翅膜宽度(W)为0.05～50mm，仿生结构体翅膜长度(L1)为0.5～1000mm，仿生结构体翅膜厚度(h2)为0.1～8mm，仿生结构体翅脉宽度(d)为0.1～10mm，仿生结构体翅脉厚度(h1)为0.1～8mm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述激光熔注碳化物陶瓷颗粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC，送陶瓷粉速度1～200mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生结构体中陶瓷的体积分数为10％～50％，熔注层厚度0.01～2.0mm。
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