CN108034941A - 适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，具体按照以下步骤进行：步骤一，修前检查和记录，清洗水泵水轮的叶片表面并标识激光熔覆的区域；步骤二，对水泵水轮的叶片上的激光熔覆的区域进行打磨、补焊、精焊、精修等，并进行叶片表面活化处理；步骤三，安装调试好熔覆系统；步骤四，进行熔覆。本发明利用熔覆系统和特殊设计的送粉嘴，可以对机器人机械臂可达到的任何空间方位的平面或者复杂曲面进行大面积的连续激光熔覆，得到厚度、组织结构均匀、无气孔和裂纹等明显缺陷的涂层。

Description

适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法
技术领域
本发明属于水电设备技术领域，具体涉及一种适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法。
背景技术
我国许多高水头抽水蓄能电站水泵水轮机，其运行水头即扬程变幅大，流量变幅大，水流流经转轮叶片时流速高，机组运行工况复杂多变，比常规水轮机更易发生空蚀，国内多座抽水蓄能电站的水泵水轮机的转轮叶片出水边均不同程度地存在空蚀现象。水泵水轮机的空蚀严重地影响了水泵水轮机的效率、寿命和检修周期和检修工作量，空蚀引起的强烈振动和噪音不仅会恶化工作环境，还会降低机组甚至电网的运行稳定性。
为了提高水泵水轮机转轮叶片的抗空蚀能力，采用激光熔覆技术在叶片表面形成一层保护涂层。激光熔覆(Laser Cladding)亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。研究表明，采用合理的激光熔覆涂层材料和工艺，可以有效地提高水泵水轮机的抗空蚀性能。
激光熔覆由于稀释率低、热影响区小、熔覆产生的热应力和热变形也比较小等一系列优点使其在零件表面改性尤其是在制备抗磨耐蚀涂层方面表现出了极大潜力，是表面工程领域研究的热点。目前，激光熔覆技术已经广泛应用于汽车工业、模具修复、石油化工、机械、航空航天等领域，并逐步应用于生物医用、电子信息技术等行业，具有极大的潜力和广阔的前景。
由于在B、C或D级检修期间，水泵水轮机均不能吊出机坑，若需对其进行激光熔覆施工，只能从尾水管进人门进入，受尾水管进人门尺寸的限制，大型施工设备无法进入。目前广泛采用的激光器是CO2激光器，其体积大、结构复杂、维护困难，且无法在电站现场施工。抽水蓄能电站的水泵水轮机尾水平台对水泵水轮机进行激光熔覆，现场位置狭小，空气湿度大，激光熔覆是高仰角甚至是仰面施工，施工难度大，普通的激光熔覆无法完成。
传统的半导体激光器熔覆工艺中，激光头一般处于固定状态，出光方向只限于竖直面小角度范围，这导致不能对处于大角度甚至顶面的加工面进行现场熔覆；另外，传统的送粉方式采用侧向送粉和预制粉末的办法，一方面对于复杂曲面的长时间连续熔覆适应性不强，另一方面侧向送粉方法粉末利用率很低而预制粉末法则容易产生气孔使得涂层有较大缺陷。因而这两种送粉方法有较大的局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，解决了现有熔覆技术无法进行复杂现场条件下复杂表面长时间连续熔覆的问题。
本发明所采用的技术方案是，适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，具体按照以下步骤进行：
步骤一，修前检查和记录，清洗水泵水轮的叶片表面并标识激光熔覆的区域；
步骤二，对水泵水轮的叶片上的激光熔覆的区域进行打磨、补焊、精焊、精修等，并进行叶片表面活化处理；
步骤三，安装调试好熔覆系统；
步骤四，进行熔覆。
本发明的特点还在于，
步骤三中的熔覆系统，包括可编程机器人，可编程机器人机械臂前端固定有半导体激光器激光头，半导体激光器激光头上通过转换件连接有同轴送粉嘴，转接件设置在同轴送粉嘴的底部中心，可编程机器人依次连接有水电气控制系统、送粉器和半导体激光器控制系统，半导体激光器控制系统和水电气控制系统分别与半导体激光器激光头连接，送粉器与同轴送粉嘴连接。
同轴送粉嘴包括中空的圆锥台，圆锥台顶端沿圆周设置有三个送粉针，圆锥台底部沿圆周设置有三个分别与送粉针相连的送粉管，圆锥台底部内侧设置有两路保护气管。
步骤三安装调试好熔覆系统包括，将半导体激光器激光头以及同轴送粉嘴移动至合适工况位置，选取合适熔覆参数；将适量经加热预处理的熔覆粉末，加入到送粉器中，熔覆粉末粒径范围在1-150μm内。
步骤四进行熔覆包括，打开送粉器送粉，然后启动可编程机器人，半导体激光器激光头在可编程机器人的机械手的带动下运动，实现大面积的连续熔覆。
三个送粉针呈顶部聚拢、底部固定在圆锥台顶端的锥状分布，三个送粉管顶部通过螺纹固定在圆锥台上，三个送粉管底端均与送粉器连通。
步骤三中所述的调试好熔覆系统，其激光功率为800-1500W，熔覆速度为300-500mm/min，搭接率为50％，激光器与基体之间的距离保证激光离焦量为正离焦15mm，送粉量为11-15g/min，送粉气流为氩气10-15L/min。
步骤三中的熔覆粉末为平均粒度为45μm的Ni60，步骤三中的熔覆粉末均经过干燥处理。
步骤二中的水泵水轮机叶片基体经过无水乙醇超声清洗和喷砂处理。
本发明有益效果是：
将半导体激光器激光头固定在可编程机器人机械臂上，能够使激光头对准任意方位，再配合特殊设计的同轴送粉嘴，熔覆粉末经送粉器送出，均匀分配到送粉嘴圆锥台上的三个送粉针后送出，粉末流最终均匀稳定汇聚到熔池中，形成连续涂层；
采用的半导体激光器体积小、便于移动和现场施工；
利用熔覆系统和送粉嘴，可以对机器人机械臂可达到的任何空间方位的平面或者复杂曲面进行大面积的连续激光熔覆，得到厚度、组织结构均匀、无气孔和裂纹等明显缺陷的涂层；
实施操作简单，能够对大型机械设备复杂表面进行现场熔覆，大大拓展了激光熔覆表面处理技术在工程实际中的应用；
采用小型编程机器人控制半导体激光器的自动移动，配合特殊设计的同轴送粉嘴，采用异步送粉法，可以电站现场的复杂曲面上实现大面积激光熔覆；
大面积连续熔覆既能够对面积小于100cm2的小平面熔覆，也能够在面积大于10×10cm2的复杂曲面上实现大面积熔覆，并且连续稳定工作时间大于2小时。
附图说明
图1是本发明适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法的熔覆系统结构示意图；
图2是本发明适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法的熔覆系统的同轴送粉嘴结构图；
图3是本发明适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法的熔覆涂层横截面SEM图像；
图4为图3中涂层上部SEM图像；
图5为图3中涂层中部SEM图像；
图6为图3中涂层底部SEM图像；
图7为图3中涂层局部放大SEM图像。
图中，1.熔覆面，2.同轴送粉嘴，3.半导体激光器激光头，4.可编程机器人，5.水电气控制系统，6.送粉器，7.半导体激光器控制系统，8.送粉针，9.圆锥台，10.送粉管，11.保护气管，12.转接件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，具体按照以下步骤进行：
步骤一，修前检查和记录，清洗水泵水轮的叶片表面并标识激光熔覆的区域；
步骤二，对水泵水轮的叶片上的激光熔覆的区域进行打磨、补焊、精焊、精修等，并进行叶片表面活化处理；
步骤三，安装调试好熔覆系统；
步骤四，进行熔覆。
步骤三中的熔覆系统，包括可编程机器人4，可编程机器人4机械臂前端固定有半导体激光器激光头3，半导体激光器激光头3上通过转换件12连接有同轴送粉嘴2，转接件12设置在同轴送粉嘴2的底部中心，可编程机器人4依次连接有水电气控制系统5、送粉器6和半导体激光器控制系统7，半导体激光器控制系统7和水电气控制系统5分别与半导体激光器激光头3连接，送粉器6与同轴送粉嘴2连接。
同轴送粉嘴2包括中空的圆锥台9，圆锥台9顶端沿圆周设置有三个送粉针8，圆锥台9底部沿圆周设置有三个分别与送粉针8相连的送粉管10，圆锥台9底部内侧设置有两路保护气管11。
步骤三安装调试好熔覆系统包括，将半导体激光器激光头3以及同轴送粉嘴2移动至合适工况位置，选取合适熔覆参数；将适量经加热预处理的熔覆粉末，加入到送粉器6中，熔覆粉末粒径范围在1-150μm内。
步骤四进行熔覆包括，打开送粉器6送粉，然后启动可编程机器人4，半导体激光器激光头3在可编程机器人4的机械手的带动下运动，实现大面积的连续熔覆。
三个送粉针8呈顶部聚拢、底部固定在圆锥台9顶端的锥状分布，三个所述送粉管10顶部通过螺纹固定在圆锥台9上，三个送粉管10底端均与送粉器6连通。
步骤三中所述的调试好熔覆系统，其激光功率为800-1500W，熔覆速度为300-500mm/min，搭接率为50％，激光器6与基体之间的距离保证激光离焦量为正离焦15mm，送粉量为11-15g/min，送粉气流为氩气10-15L/min。
步骤三中的熔覆粉末为平均粒度为45μm的Ni60，步骤三中的熔覆粉末均经过干燥处理。
步骤二中的水泵水轮机叶片基体经过无水乙醇超声清洗和喷砂处理。
本发明适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，按照图1所示调试好熔覆系统，激光功率为800W，熔覆速度为300mm/min。搭接率为50％，激光器6与基体之间的距离保证激光离焦量为正离焦15mm，送粉量为11g/min，送粉气流为氩气10L/min。
采用同轴送粉嘴2使粉末输送和激光熔覆同步进行，且能够实现全方位360°工况下的熔覆作业，其优点在于，结构简单，体积小，粉末利用率高，能够得到厚度、组织结构均匀、无气孔和裂纹等明显缺陷的涂层。
圆锥台9用圆周方向均布的三个送粉针8送粉，一方面保留了同轴送粉的优势，另一方面在相同送粉量和送粉气流情况下，相较于传统的圆锥环同轴送粉嘴，粉末飞离送粉嘴后有较大的飞行速度，准直性好，这样当送粉方向偏离竖直方向较大角度时能够克服重力的影响，保证较高的送粉精度。
而将这三个送粉针8固定在一个圆锥台9上，它们之间的相对位置精度始终能够得到很好地保证，继而保证同轴送粉嘴2能够长时间稳定工作。
两路内部保护气管11在熔覆作业时通入合适流量大小的保护气体，通过选择不同的保护气体，一方可以阻挡熔覆过程中的烟尘粉末等进入激光通道，污染激光器出光镜头以致损坏激光器，另一方面也能起到保护熔池，防止涂层氧化、氮化等作用。
目前广泛采用的激光器是CO2激光器，其体积大、结构复杂、维护困难，且无法在电站现场施工。而发明采用的半导体激光器体积小、便于移动和现场施工。
实施例一 在马氏体不锈钢上熔覆Ni60+WC复合涂层
1)前期准备：参见图1安装调试好熔覆系统。
本实例基体试样为12mm厚线切割为100×60mm大小，用无水乙醇超声清洗10分钟、喷砂后再用丙酮超声清洗10分钟后待用。本实例中熔覆面处于竖直平面内100°方位，以水平方向为0°，逆时针方向为正方向，利用可编程机器人将激光器和送粉头对准熔覆面，为了防止激光反射光对激光器造成损害，激光器和送粉头处于70°方位，调整激光器与基体之间的距离保证激光离焦量为正离焦13mm。选取激光功率700W、熔覆速度250mm/min、搭接率40％、熔覆面积80×60mm大小编写机器人行走程序。然后将平均粒度为75μm的Ni60粉末和平均粒度为5μm的30vol％WC粉末按照体积分数1:1混合后在100℃干燥箱烘干1h后，加入到刮盘式送粉器中。
2)激光熔覆：先打开送粉器，调节送粉量至18g/min(3.5r/min),送粉气流为氩气10L/min。启动机器人行走程序，进行连续的激光熔覆。
参见图3所示，为本实施例所制备的熔覆试样截面宏观形貌，可以看到涂层厚度均匀，仅在在每道搭接处出现小的起伏，涂层无宏观裂纹等明显缺陷。图4、图5、图6分别为涂层上部、中部、下部的微观组织形貌，可以进一步看出涂层与基体为良好的冶金结合后，且均匀致密，基本无气孔、裂纹等缺陷，涂层组织为典型的枝晶形貌。图7为涂层局部放大图像，可以看到颗粒直径大小为1-2μm的WC大部分分布于枝晶晶界周围，也有少量分布于枝晶内部，WC体积分数约为30％，预计涂层有良好的耐磨耐蚀性能。
实施例二 在马氏体不锈钢上熔覆Ni60涂层
1)前期准备：参见图1安装调试好熔覆系统。本实例基体试样为12mm厚线切割为100×60mm大小，用无水乙醇超声清洗10分钟、喷砂后再用丙酮超声清洗10分钟后待用。本实例中熔覆面处于竖直平面内100°方位，以水平方向为0°，逆时针方向为正方向，利用机器人将激光器和送粉头对准熔覆面，为了防止激光反射光对激光器造成损害，激光器和送粉头处于70°方位，调整激光器与基体之间的距离保证激光离焦量为正离焦13mm。选取激光功率700W、熔覆速度250mm/min、搭接率40％、熔覆面积80×60mm大小编写机器人行走程序。然后将平均粒度为75μm的Ni60粉末在100℃干燥箱烘干1h后，加入到刮盘式送粉器中。
2)激光熔覆：先打开送粉器，调节送粉量至18g/min(3.5r/min),送粉气流为氩气10L/min。启动机器人行走程序，进行连续的激光熔覆。
实施例三 在马氏体不锈钢上熔覆Ni60+WC复合涂层
1)前期准备：参见图1安装调试好熔覆系统。本实例基体试样为12mm厚线切割为100×60mm大小，用无水乙醇超声清洗10分钟、喷砂后再用丙酮超声清洗10分钟后待用。本实例中熔覆面处于竖直平面内100°方位，以水平方向为0°，逆时针方向为正方向，利用机器人将激光器和送粉头对准熔覆面，为了防止激光反射光对激光器造成损害，激光器和送粉头处于70°方位，调整激光器与基体之间的距离保证激光离焦量为正离焦13mm。选取激光功率700W、熔覆速度250mm/min、搭接率40％、熔覆面积80×60mm大小编写机器人行走程序。然后将平均粒度为75μm的Ni60粉末和平均粒度为5μm的60vol％WC粉末按照体积分数1:1混合后在100℃干燥箱烘干1h后，加入到刮盘式送粉器中。
2)激光熔覆：先打开送粉器，调节送粉量至18g/min(3.5r/min),送粉气流为氩气10L/min。启动机器人行走程序，进行连续的激光熔覆。
实施例四 在马氏体不锈钢上熔覆Ni45+WC复合涂层
1)前期准备：参见图1安装调试好熔覆系统。本实例基体试样为12mm厚线切割为100×60mm大小，用无水乙醇超声清洗10分钟、喷砂后再用丙酮超声清洗10分钟后待用。本实例中熔覆面处于竖直平面内100°方位，以水平方向为0°，逆时针方向为正方向，利用机器人将激光器和送粉头对准熔覆面，为了防止激光反射光对激光器造成损害，激光器和送粉头处于70°方位，调整激光器与基体之间的距离保证激光离焦量为正离焦13mm。选取激光功率700W、熔覆速度250mm/min、搭接率40％、熔覆面积80×60mm大小编写机器人行走程序。然后将平均粒度为75μm的Ni45粉末和平均粒度为5μm的30vol％WC粉末按照体积分数1:1混合后在100℃干燥箱烘干1h后，加入到刮盘式送粉器中。
2)激光熔覆：先打开送粉器，调节送粉量至18g/min(3.5r/min),送粉气流为氩气10L/min。启动机器人行走程序，进行连续的激光熔覆。
实施例五 在马氏体不锈钢上熔覆Ni45+WC复合涂层
1)前期准备：参见图1安装调试好熔覆系统。本实例基体试样为12mm厚线切割为100×60mm大小，用无水乙醇超声清洗10分钟、喷砂后再用丙酮超声清洗10分钟后待用。本实例中熔覆面处于竖直平面内100°方位，以水平方向为0°，逆时针方向为正方向，利用机器人将激光器和送粉头对准熔覆面，为了防止激光反射光对激光器造成损害，激光器和送粉头处于70°方位，调整激光器与基体之间的距离保证激光离焦量为正离焦13mm。选取激光功率700W、熔覆速度250mm/min、搭接率40％、熔覆面积80×60mm大小编写机器人行走程序。然后将平均粒度为75μm的Ni45粉末和平均粒度为5μm的60vol％WC粉末按照体积分数1:1混合后在100℃干燥箱烘干1h后，加入到刮盘式送粉器中。
2)激光熔覆：先打开送粉器，调节送粉量至18g/min(3.5r/min),送粉气流为氩气10L/min。启动机器人行走程序，进行连续的激光熔覆。
工程应用实例 水泵水轮机叶片上大面积熔覆Ni60防护涂层
1)前期准备：参见图1根据现场工况条件安装调试好熔覆系统。本实例基体为直径3.86m的水泵水轮机叶片，其材料为马氏体不锈钢，所需熔覆面为叶片低压侧250×500mm的曲面，熔覆前先对熔覆区域喷砂处理，然后用无水乙醇清洗干净。本实例中熔覆面为复杂曲面，并且在竖直平面内的方位角均大于60°，以水平方向为0°，逆时针方向为正方向，为了使机器人在行走过程中尽可能保持恒定的激光离焦量从而获得厚度均匀且性能良好的涂层，采用采点插值的办法编写机器人行走程序，即在熔覆区域均匀选取30个点采集空间坐标，点与点之间采用线性插值的办法确定空间坐标。利用机器人将激光器和送粉头对准熔覆面起始点，调整激光器与基体之间的距离保证激光离焦量为正离焦15mm。选取激光功率800W、熔覆速度300mm/min、搭接率50％、熔覆面积250×500mm大小，并按照上述采点插值办法编写机器人行走程序。然后将足量平均粒度为45μm的Ni60粉末在100℃干燥箱烘干1h后，加入到刮盘式送粉器中。
2)激光熔覆：先打开送粉器6，调节送粉量至11g/min，送粉气流为氩气10L/min。启动机器人行走程序，进行复杂曲面上的大面积连续熔覆。
3)本实例激光熔覆现场，熔覆连续稳定进行中，已熔覆涂层表面质量很好，涂层厚度均匀，无可见宏观裂纹，可对水轮机叶片出口边部分起到良好的防护作用。

Claims (9)

1.适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤一，修前检查和记录，清洗水泵水轮的叶片表面并标识激光熔覆的区域；
步骤二，对水泵水轮的叶片上的激光熔覆的区域进行打磨、补焊、精焊、精修等，并进行叶片表面活化处理；
步骤三，安装调试好熔覆系统；
步骤四，进行熔覆。
2.根据权利要求1所述的适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，其特征在于，所述步骤三中的熔覆系统，包括可编程机器人(4)，所述可编程机器人(4)机械臂前端固定有半导体激光器激光头(3)，所述半导体激光器激光头(3)上通过转换件(12)连接有同轴送粉嘴(2)，所述转接件(12)设置在同轴送粉嘴(2)的底部中心，所述可编程机器人(4)依次连接有水电气控制系统(5)、送粉器(6)和半导体激光器控制系统(7)，所述半导体激光器控制系统(7)和水电气控制系统(5)分别与半导体激光器激光头(3)连接，所述送粉器(6)与同轴送粉嘴(2)连接。
3.根据权利要求2所述的适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，其特征在于，所述同轴送粉嘴(2)包括中空的圆锥台(9)，所述圆锥台(9)顶端沿圆周设置有三个送粉针(8)，所述圆锥台(9)底部沿圆周设置有三个分别与所述送粉针(8)相连的送粉管(10)，所述圆锥台(9)底部内侧设置有两路保护气管(11)。
4.根据权利要求3所述的适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，其特征在于，所述步骤三安装调试好熔覆系统包括，将半导体激光器激光头(3)以及同轴送粉嘴(2)移动至合适工况位置，选取合适熔覆参数，编写好可编程机器人(4)行走程序；将适量经加热预处理的熔覆粉末，加入到送粉器(6)中，所述熔覆粉末粒径范围在1-150μm内。
5.根据权利要求3所述的适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，其特征在于，所述步骤四进行熔覆包括，打开送粉器(6)送粉，然后启动可编程机器人(4)，所述半导体激光器激光头(3)在可编程机器人(4)的机械手的带动下按照程序指令运动，实现大面积的连续熔覆。
6.根据权利要求3所述的适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，其特征在于，三个所述送粉针(8)呈顶部聚拢、底部固定在圆锥台(9)顶端的锥状分布，三个所述送粉管(10)顶部通过螺纹固定在圆锥台(9)上，三个所述送粉管(10)底端均与送粉器(6)连通。
7.根据权利要求4所述的适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，其特征在于，所述步骤三中所述的调试好熔覆系统，其激光功率为800-1500W，熔覆速度为300-500mm/min，搭接率为50％，所述激光器(6)与基体之间的距离保证激光离焦量为正离焦15mm，送粉量为11-15g/min，送粉气流为氩气10-15L/min。
8.根据权利要求4所述的适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，其特征在于，所述步骤三中的熔覆粉末为平均粒度为45μm的Ni60，所述步骤三中的熔覆粉末均经过干燥处理。
9.根据权利要求1所述的适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法，其特征在于，所述步骤二中的水泵水轮机叶片基体经过无水乙醇超声清洗和喷砂处理。
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