CN106757005B - 一种重型燃机轮毂榫齿的激光修复方法 - Google Patents

一种重型燃机轮毂榫齿的激光修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种重型燃机轮毂榫齿的激光修复方法，包括以下步骤：1.损伤情况检测；2.确定维修内容；3.制定工艺方案；4.进行损伤部位预处理，榫槽损伤面测量，确定维修工艺次序；5.进行非激光熔覆面的保护；6）进行激光熔覆加工；7）修后检验。本发明通过优化设计激光熔覆的工艺参数以及各元素成分在粉末材料中的配比，在重型燃机轮毂榫齿榫槽内熔覆一层无裂纹、无杂质、组织致密的耐磨合金粉末，大幅度提高了重型燃机的使用寿命。

Description

一种重型燃机轮毂榫齿的激光修复方法
技术领域
本发明涉及一种重型燃机部件的修复方法，特别是涉及一种重型燃机轮毂榫齿的激光修复方法。
背景技术
重型地面燃机由于建设周期短，发电运行环保，能够独立快速启动，承担电网的调峰运行和黑启动功能。虽然我国贫油贫气，但燃油燃气重型地面燃机在我国仍有近一百台的保有量。
我国有三大三小专业化生产燃煤发电机组的企业，但我国没有专业化生产燃油燃气重型地面燃机的企业。目前所使用的燃油燃气重型地面燃机设备全部依靠进口，每年设备维修与备件更换大约5亿美金市场，全部也由外国原制造企业和专业化服务企业占领。国内企业在这一领域，由于没有国外生产企业授权，没有相关维修资料和维修业绩，迟迟进入不了燃机发电的维修行业。
由于机组每天调峰运行，非工作时间低速盘车保养。为了保证燃机在高温运行时动叶片与轮毂榫齿之间配合尺寸，在冷态时动叶榫齿和轮毂榫齿必须预留一定的间隙，所以机组在非工作低速盘车会造成动叶和轮毂榫齿的磨损。当轮毂榫齿磨损较大时，动叶片会脱出，造成动叶断裂、轮毂报废的重大事故。常规手段是不能够修复的，只能报废更换，更换新轮毂的费用在几千万元，并且制造工期需要半年左右。
激光熔覆技术诞生于20世纪80年代，原本是材料科学与工程学科中的一项表面强化技术，主要目的是要在低廉的基体材料上面用高功率激光熔覆一层高性能材料，制备具有优异的耐磨性、耐腐蚀性、抗高温、高减磨性涂层，代替昂贵的整体块状材料。正是这种核心技术，使激光再制造能够把高性能专用金属材料做到各类金属结构部件的表面，从而创造出前所未有的新性能和高性价比。除此之外，激光再制造技术还具有热影响区小、自动化程度高、可以进行微细加工等众多特点，能解决许多传统加工方法无法解决的技术难题。目前，激光再制造已经成为高端装备制造业不可或缺的一种技术手段。
激光熔覆技术用于涡轮设备核心部件的再制造，已在石化、冶金、航空、铁路等领域获得了广泛的应用。电力行业的燃煤机组，采用激光熔覆技术对损伤的汽轮机、发电机主轴进行再制造，已有上百个成功案例。
由于地面燃机的制造工艺极其复杂，工艺要求高、材料特殊，因此对变形量的控制十分重要，燃气轮机轮毂榫齿激光熔覆再制造对变形控制、尺寸精度控制和熔覆层长寿命使用等技术有非常高的要求。对于厚度只有3-6mm的轮毂榫齿，采用激光再制造手段将变形量控制在0.02mm是一大难题。因此，研究开发出重型燃机轮毂榫齿的激光熔覆修复方法，是所述技术领域里的重大课题，经本申请人检索查证：国内外尚无这方面的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，通过反复研究改进，给出了一种重型燃机轮毂榫齿的激光修复方法。本发明通过在轮毂榫齿榫槽内熔覆一层无裂纹、无杂质、组织致密的耐磨合金粉末，大幅度提高了重型燃机的使用寿命。
本发明给出的技术方案是：这种重型燃机轮毂榫齿的激光修复方法，其特点包括以下步骤。
1.损伤情况检测。
燃气轮机长期低速盘车造成透平转子第二、第三级轮毂与动叶片叶跟榫槽的配合面磨损严重，造成配合间隙超过许用标准，轮毂榫槽的磨损一般为非均匀磨损，损伤量呈倾斜状态，榫槽的进气侧磨损量测量，出口侧磨损量（第一、第二、第三级齿分别测量）测量。
2. 维修内容。
需对透平转子第二、第三级动叶轮毂榫槽的非接触面进行修复，其中对第一、第二齿面按标准维修，修后恢复原设计状态；第三齿面根据激光入射情况调准。
3. 制定工艺方案。
利用激光熔覆可控性能好的特点，应用数控技术对待修复面进行精确控制的分层熔覆，对每个待修面分三层进行熔覆，熔覆厚度根据每一级齿的损伤量不同而略有不同；分层熔覆情况见图1。
4.主要工艺流程。
1）损伤部位预处理。
清理、除锈；着色探伤检验，确认无裂纹等缺陷后，方可进行激光熔覆。
2）榫槽损伤面测量。
制作标准量棒，测量榫槽各级的间距，计算出榫齿的磨损量，根据磨损量确定最终维修方案。
3）维修工艺次序。
①根据测量数据，先对其中一侧三个齿面进行激光熔覆。
②对激光熔覆齿面进行钳修，以达到测量标准。
③以未熔覆面为基准测量齿面间隙，要求恢复原设计值的50%。
④对另一侧三齿面进行激光熔覆。
⑤进行钳修，以达到测量标准。
⑥以已测量的损伤面为基准测量齿面间隙，要求恢复原设计值。
4）非激光熔覆面的保护。
选择合适的材料制作榫槽保护样板，保证作业过程中不伤及非工作面。
5）激光熔覆加工。
激光熔覆粉末合金元素的质量百分数是。
C：0.15%，Cr：23%，W：9.2%，Mo：10.7%，Ti：5.2%，，Al：4.3%，V：2.9%，余量为Ni。
其熔覆工艺参数是。
功率：3000~4000W，光斑直径：3~4mm。
扫描速度：400~500mm/min，搭接率：50% 。
6）复形。
① 熔覆完第一层和第二层后，用机械方法将熔覆层表面磨光，去除氧化物、露出金属光泽，检测标准为旧叶片能够正常通过。
② 熔覆完第三层后，用旧叶片为检具，对熔覆层表面进行修磨，修磨后的熔覆层表面平面度控制在0.05mm以内。
③ 修磨时要注意防护，防止碰伤榫槽其他部位。
7）修后检验。
① 利用专用检测工具检测并记录榫槽修后尺寸。
② 无损探伤检验。
与现有技术相比，本发明的有益效果是。
1）地面燃机的制造工艺极其复杂，工艺要求高、材料特殊，因此对变形量的控制十分重要，燃气轮机轮毂榫齿激光熔覆再制造对变形控制、尺寸精度控制和熔覆层长寿命使用等技术有非常高的要求。对于厚度只有3-6mm的轮毂榫齿，采用激光再制造手段可以将变形量控制在0.02mm 以内。
2）由于熔敷层较薄，对于燃机工作状态的影响较小，激光熔敷修复后燃机的静强度与修复前相当，同时修复后可保证轮盘榫槽和榫齿的配合间隙，保证榫槽和榫齿配合的稳定性。
3）修复后的燃气轮机经过四年多的装机使用，转子运转正常，维修后轮毂榫齿的耐磨损性能完全达到原设计要求。
附图说明
图1为激光分层熔覆示意图。
图中标记：1.第一熔覆层，2.损伤面，3.第二熔覆层，4.第三熔覆层，5.动叶片与榫槽理论接触面。
具体实施方式
实施例1。
某燃机发电厂的燃气轮机1号机组由于轮毂榫齿磨损较大，动叶片脱出，造成动叶断裂、轮毂报废的重大事故，给工厂造成5000多万元的经济损失。同年4号机组也发现和1号机组相同的问题，工厂咨询原制造企业，回复是轮毂不能修复，只能报废更换，更换新轮毂的费用为3000万元，制造工期为6个月。
4号机轮毂已不能正常使用，要么更换新轮毂，要么对轮毂进行维修。最终决定采用激光熔覆技术对4号机轮毂进行再制造。其特点及工艺过程主要包括以下步骤。
1损伤情况检测。
燃气轮机长期低速盘车造成透平转子第二、第三级轮毂与动叶片叶跟榫槽的配合面磨损严重，造成配合间隙超过许用标准。轮毂榫槽的磨损一般为非均匀磨损，损伤量呈倾斜状态，榫槽的进气侧磨损量测量，出口侧磨损量（第一、第二、第三级齿分别测量）测量。
2主要工艺流程。
1）损伤部位预处理。
清理、除锈；着色探伤检验，确认无裂纹等缺陷后，方可进行激光熔覆。
2）榫槽损伤面测量。
制作标准量棒，测量榫槽各级的间距，计算出榫齿的磨损量，根据磨损量确定最终维修方案。
3）维修工艺次序。
①根据测量数据，先对其中一侧三个齿面进行激光熔覆。
②对激光熔覆齿面进行钳修，以达到测量标准。
③以未熔覆面为基准测量齿面间隙，要求恢复原设计值的50%。
④对另一侧三齿面进行激光熔覆。
⑤进行钳修，以达到测量标准。
⑥以已测量的损伤面2为基准测量齿面间隙，要求恢复原设计值。
4）非激光熔覆面的保护。
选择合适的材料制作榫槽保护样板，保证作业过程中不伤及非工作面。
5）激光熔覆加工。
激光熔覆粉末合金元素的质量百分数是。
C：0.15%，Cr：23%，W：9.2%，Mo：10.7%，Ti：5.2%，，Al：4.3%，V：2.9%，余量为Ni。
其熔覆工艺参数是：功率：3000~4000W，光斑直径：3~4mm，扫描速度：400~500mm/min，搭接率：50%。
6）复形。
① 熔覆完第一熔覆层1和第二熔覆3层后，用机械方法将熔覆层表面磨光，去除氧化物、露出金属光泽，检测标准为旧叶片能够正常通过。
② 熔覆完第三熔覆层4后，用旧叶片为检具，对熔覆层表面进行修磨，修磨后的熔覆层表面平面度控制在0.05mm以内。
③ 修磨时要注意防护，防止碰伤榫槽其他部位。
7）修后检验。
① 利用专用检测工具检测并记录榫槽修后尺寸。
② 无损探伤检验。
目前，修复后的燃气轮机经过四年多的装机使用，转子运转正常，维修后轮毂榫齿的耐磨损性能完全达到原设计要求。

Claims (1)

1.一种重型燃机轮毂榫齿的激光修复方法，其特征在于，包括以下步骤： （1）损伤情况检测 燃气轮机长期低速盘车造成透平转子第二、第三级轮毂与动叶片叶跟榫槽的配合面磨损严重，造成配合间隙超过许用标准，轮毂榫槽的磨损一般为非均匀磨损，损伤量呈倾斜状态，榫槽的进气侧磨损量测量，出口侧磨损量测量，其中第一、第二、第三级齿分别测量；
（2）维修内容 需对透平转子第二、第三级动叶轮毂榫槽的非接触面进行修复，其中对第一、第二齿面按标准维修，修后恢复原设计状态，第三齿面根据激光入射情况调准；
（3）制定工艺方案 利用激光熔覆可控性能好的特点，应用数控技术对待修复面进行精确控制的分层熔覆，对每个待修面分三层进行熔覆，熔覆厚度根据每一级齿的损伤量不同而略有不同；
（4）主要工艺流程 1）损伤部位预处理 清理、除锈，着色探伤检验，确认无裂纹缺陷后，方可进行激光熔覆； 2）榫槽损伤面测量 制作标准量棒，测量榫槽各级的间距，计算出榫齿的磨损量，根据磨损量确定最终维修方案； 3）维修工艺次序 根据测量数据，先对其中一侧三个齿面进行激光熔覆； 对激光熔覆齿面进行钳修，以达到测量标准； 以未熔覆面为基准测量齿面间隙，要求恢复原设计值的50%； 对另一侧三齿面进行激光熔覆； 进行钳修，以达到测量标准； 以已测量的损伤面为基准测量齿面间隙，要求恢复原设计值； 4）非激光熔覆面的保护 选择合适的材料制作榫槽保护样板，保证作业过程中不伤及非工作面； 5）激光熔覆加工 激光熔覆粉末合金元素的质量百分数是： C：0.15%，Cr：23%，W：9.2%，Mo：10.7%，Ti：5.2%， Al：4.3%，V：2.9%，余量为Ni； 其熔覆工艺参数是： 功率：3000~4000W，光斑直径：3~4mm， 扫描速度：400~500mm/min，搭接率：50% ； 6）复形 熔覆完第一层和第二层后，用机械方法将熔覆层表面磨光，去除氧化物、露出金属光泽，检测标准为旧叶片能够正常通过；熔覆完第三层后，用旧叶片为检具，对熔覆层表面进行修磨，修磨后的熔覆层表面平面度控制在0.05mm以内； 修磨时要注意防护，防止碰伤榫槽其他部位； 7）修后检验 ① 利用专用检测工具检测并记录榫槽修后尺寸； ② 无损探伤检验；
所述重型燃机轮毂榫齿的厚度为3-6mm，采用激光再制造手段将变形量控制在0.02mm以内。
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Assignor: SHENYANG DALU LASER ENGINEERING CO.,LTD.

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Denomination of invention: A Laser Repair Method for Heavy-duty Gas Turbine Wheel Dowel Teeth

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