CN105127665A - 一种叶片类零件再制造的激光预处理方法 - Google Patents

一种叶片类零件再制造的激光预处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种叶片类零件再制造的激光预处理方法，首先清洗叶片并在叶片表面涂上吸收层材料，其次采用大功率短脉冲激光冲击叶片背面，在冲击波作用下正面横向隐性裂纹处的材料断裂形成飞片，使隐性裂纹显露出来；接着对叶片正面进行冲击，在激光冲击波作用下，小尺度隐性裂纹被压合，然后用长脉冲激光烧蚀显性裂纹区域，打出焊接坡口；最后用长脉冲激光反复扫描裂纹区域，使该区域材料升温固溶，消除小尺度隐性裂纹。本发明通过上述激光预处理方法，可以使横向隐性裂纹显性化，同时也能消除小尺度隐性裂纹，如此，便可在修复显性裂纹时同时对隐性裂纹进行修复处理，从而延长修复后叶片的使用寿命，降低维护成本。

Description

一种叶片类零件再制造的激光预处理方法
技术领域
本发明涉及板类零件再制造技术领域，尤其适用于水轮机叶片类零件的再制造。
背景技术
汽轮机或水轮机等设备的叶片在工作中受到流体工作介质的冲击，长期运行会在叶片表面产生疲劳裂纹，如不及时进行修复处理会导致叶片断裂。现有的叶片修复常采用堆焊、融覆等方式，修复前的预处理通常为清洗、打坡口、预热等。
如申请号为CN201310170388的专利文献，其公开一种高温合金涡轮叶片修复材料及其修复工艺，其主要是采用堆焊方式进行叶片修复；再如申请号为CN200980100135的的专利文献，其公开一种涡轮叶片修复材料及其修复工艺，则是介绍了一种采用微弧火花沉积工艺进行堆焊的修复涡轮叶片的方法。上述两种方法的预处理工艺均为清洗和预热，虽然能满足普通裂纹的修复，但对于大尺度裂纹修复还需打坡口处理（宁淑贤.叙利亚迪仕林电站水轮机叶片裂纹分析与处理.水电站机电技术.2007.Vol30(5).53-55）。
目前，常规叶片修复的预处理方法可以很好的处理显性裂纹，但对于完好表面下方的隐性裂纹（包括与叶片表面平行的裂纹横向裂纹和与叶片表面相交的纵向裂纹）则无法处理，而这些隐性裂纹在叶片修复后的使用中会进一步扩展形成显性裂纹，从而缩短修复后的叶片使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种叶片类零件再制造的激光预处理方法，可以使横向隐性裂纹显性化，并得到及时处理，并消除小尺度纵向隐性裂纹，从而延长修复后叶片的使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种叶片类零件再制造的激光预处理方法,其特征在于：包括如下步骤：S1：清洗待修复叶片，并检查叶片，确定显性裂纹和可能存在隐性裂纹的区域；S2：在叶片表面涂上吸收层材料，将叶片存在裂纹的一面定为叶片正面，相对另一面定为叶片背面；S3：采用大功率短脉冲激光冲击叶片背面，吸收层材料吸收激光能量后气化形成冲击波，冲击波通过叶片到达叶片正面时发生反射形成拉应力反射波，在拉应力反射波的作用下横向隐性裂纹处材料断裂形成飞片脱离叶片，使横向隐性裂纹显露出来；S4：采用大功率短脉冲激光冲击叶片正面，小尺度隐性裂纹附近材料在激光冲击波作用下发生塑性变形，使小尺度隐性裂纹被压合；S5：采用长脉冲激光烧蚀叶片上的显性裂纹和飞片脱落处，并用氧气将烧融的材料吹走，加工出焊接修复所需的坡口；S6：采用长脉冲激光扫描叶片的整个裂纹区域，该区域材料升温固溶，使压合在一起的隐性裂纹两边的材料融合在一起，从而消除隐性裂纹。
进一步地，所述步骤S1中隐性裂纹的初步判定方法为超声探伤方法。
进一步地，所述步骤S3中激光功率密度为5×1014~25×1014w/m2，激光脉冲宽度10~30ns，激光光斑半径0.5~3mm，光斑搭接率为80%。
进一步地，所述步骤S4中小尺度隐形裂纹的尺寸范围为叶片表面0.5mm以下尺度小于0.5mm的裂纹，另外判定小尺度隐性裂纹已被压合的标准为根据超声检测时反射波时间曲线计算的裂纹界面小于2μm。本步骤中激光功率密度为2×1013~5×1014w/m2，激光脉冲宽度10~30ns，激光光斑半径0.5~3mm，光斑搭接率为60%。
所述步骤S5中采用长脉冲激光扫描整个裂纹区域的过程中，激光功率密度为2×1010~5×1010w/m2，激光脉冲宽度10~30ms，激光光斑半径0.5~1.5mm，激光脉冲频率为10~50Hz，扫描速度为1~3cm/s。
进一步地，所述步骤S2中的吸收材料为黑漆，吸收层材料的厚度为0.2mm-0.6mm。在实际应用中，涂上的吸收层材料的最佳厚度是0.4mm，在该厚度时能量吸收效果最佳且冲击效果最好。
本发明的有益效果是：叶片修复前通过上述公开的激光预处理方法，可以使横向隐性裂纹显性化，并得到及时处理；同时能消除小尺度横向、纵向隐性裂纹，解决了隐性裂纹转变为显性裂纹的问题。如此，便可在修复显性裂纹时同时发现隐形裂纹，一并对隐性裂纹进行修复处理，从而延长修复后叶片的使用寿命，减少维护次数，有效降低叶片的维护成本。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明中采用大功率短脉冲激光冲击叶片背面的示意图。
图2为本发明中采用大功率短脉冲激光冲击叶片背面后飞片脱落的示意图。
图3为本发明激光预处理方法的流程图。
图示中：1、叶片；2、吸收层材料；3、横向隐性裂纹；4、纵向隐性裂纹；5、显性裂纹；6、叶片正面；7、激光束；8、冲击波；9、叶片背面；10、拉应力反射波；11、飞片。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明一种叶片类零件再制造的激光预处理方法,包括如下步骤。
S1：清洗待修复叶片1，并检查叶片1，确定显性裂纹5和可能存在隐性裂纹的区域，隐性裂纹包括横向隐性裂纹3和纵向隐性裂纹4。其中，隐性裂纹的初步判定方法为超声探伤。
S2：在叶片1表面涂上吸收层材料2，将叶片1存在裂纹的一面定义为叶片正面，相对另一面定义为叶片背面。本实施例中，吸收层材料2选用黑漆，且吸收层的厚度为0.2~0.6mm，尤其在0.4mm时，吸收效果最佳。当然，在实际应用中，吸收层材料也可以选用铝箔或表面喷涂碳粉等。
S3：采用大功率短脉冲激光束7冲击叶片背面，吸收层材料2吸收激光能量后气化形成冲击波8，冲击波8通过叶片1到达叶片正面6时发生反射形成拉应力反射波10，在拉应力反射波10的作用下横向隐性裂纹3处材料断裂形成飞片11脱离叶片1，使横向隐性裂纹3显露出来。
S4：采用大功率短脉冲激光束7冲击叶片正面，小尺度横向隐性裂纹及小尺度纵向隐性裂纹附近材料在激光冲击波作用下发生塑性变形，使小尺度隐性裂纹被压合。
S5：采用长脉冲激光烧蚀叶片上的显性裂纹5和飞片11脱落处，并用氧气将烧融的材料吹走，加工出焊接修复所需的坡口。
S6：采用长脉冲激光扫描叶片的整个裂纹区域，该区域材料升温固溶，使压合在一起的隐性裂纹两边的材料融合在一起，从而消除隐性裂纹。
进一步地，上述步骤S3中激光功率密度为5×1014~25×1014w/m2，激光脉冲宽度10~30ns，激光光斑半径0.5~3mm，光斑搭接率为80%。
上述步骤S4中小尺度隐形裂纹的尺寸范围为叶片表面0.5mm以下尺度小于0.5mm的裂纹，另外判定小尺度隐性裂纹已被压合的标准为根据超声检测时反射波时间曲线计算的裂纹界面小于2μm。步骤S4中激光功率密度为2×1013~5×1014w/m2，激光脉冲宽度10~30ns，激光光斑半径0.5~3mm，光斑搭接率为60%。
上述步骤S5中采用长脉冲激光扫描整个裂纹区域的过程中，激光功率密度为2×1010~5×1010w/m2，激光脉冲宽度10~30ms，激光光斑半径0.5~1.5mm，激光脉冲频率为10~50Hz，扫描速度为1~3cm/s。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种叶片类零件再制造的激光预处理方法,其特征在于：包括如下步骤：
S1：清洗待修复叶片，并检查叶片，确定显性裂纹和可能存在隐性裂纹的区域，
S2：在叶片表面涂上吸收层材料，将叶片存在裂纹的一面定为叶片正面，相对另一面定为叶片背面；
S3：采用大功率短脉冲激光冲击叶片背面，吸收层材料吸收激光能量后气化形成冲击波，在冲击波的作用下横向隐性裂纹处材料断裂形成飞片脱离叶片，使横向隐性裂纹显露出来；
S4：采用大功率短脉冲激光冲击叶片正面，小尺度隐性裂纹附近材料在激光冲击波作用下发生塑性变形，使小尺度隐性裂纹被压合；
S5：采用长脉冲激光烧蚀叶片上的显性裂纹和飞片脱落处，并用氧气将烧融的材料吹走，加工出焊接修复所需的坡口；
S6：采用长脉冲激光扫描叶片的整个裂纹区域，该区域材料升温固溶，使压合在一起的隐性裂纹两边的材料融合在一起，从而消除隐性裂纹。
2.根据权利要求1所述的叶片类零件再制造的激光预处理方法,其特征在于：所述步骤S1中隐性裂纹的初步判定方法为超声探伤方法。
3.根据权利要求1所述的叶片类零件再制造的激光预处理方法,其特征在于：所述步骤S3中激光功率密度为5×1014~25×1014w/m2，激光脉冲宽度10~30ns，激光光斑半径0.5~3mm，光斑搭接率为80%；所述步骤S4中激光功率密度为2×1013~5×1014w/m2，激光脉冲宽度10~30ns，激光光斑半径0.5~3mm，光斑搭接率为60%。
4.根据权利要求1所述的叶片类零件再制造的激光预处理方法,其特征在于：所述步骤S5中采用长脉冲激光扫描整个裂纹区域的过程中，激光功率密度为2×1010~5×1010w/m2，激光脉冲宽度10~30ms，激光光斑半径0.5~1.5mm，激光脉冲频率为10~50Hz，扫描速度为1~3cm/s。
5.根据权利要求1-4任一项权利要求所述的叶片类零件再制造的激光预处理方法,其特征在于：所述步骤S2中的吸收材料为黑漆，黑漆的厚度为为0.2mm-0.6mm。
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