CN115609008A - 一种转子激光增材制造的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种转子激光增材制造的方法，包括：步骤一、对转子的轴颈表面车削形成待熔覆区域，凹陷的所述待熔覆区域的焊接坡口为10°～70°；步骤二、通过无损检测确定待熔覆区域的直径尺寸以及轴向尺寸；步骤三、对待熔覆区域进行焊前预热；步骤四、对待熔覆区域进行激光熔覆；步骤五、对待熔覆区域进行焊后后热；步骤六、对待熔覆区域进行无损检测；步骤七、对待熔覆区域进行车削精加工；步骤八、对待熔覆区域进行终检。本发明通过熔覆方式可修复转子的轴颈以及转子轴颈的表面改性，并且防止轴颈在修复/改性过程中变形，保证修复的尺寸精度高，减少后续的加工，提高效率。

Description

一种转子激光增材制造的方法
技术领域
本发明涉及一种增材制造的技术领域，特别是涉及一种转子激光增材制造的方法的技术领域。
背景技术
汽轮机达到一定转速使得轴颈和轴承间建立稳定和足够厚的油膜前，轴颈容易发生局部干摩擦以及小颗粒拉毛现象。
目前为了克服高Cr合金钢转子轴颈处的拉毛损伤，轴颈处需进行表面改性，一般采用堆焊低合金钢的方法来进行。具体的焊接方法有埋弧焊、微束等离子弧弧焊等。这些焊接方法由于焊接方法的限制，存在焊接热影响大、焊接稀释率大等问题，需要采用增加焊缝厚度、进行焊前预热与焊后热处理等手段以保证熔覆层质量。
对于转子轴颈损伤的修复，现有技术中采用的修复方法有：
1)加工轴颈，照配轴瓦。这种方法更改了零件尺寸，对于转子表面与基体成分有差异的转子存在比较高的运行风险；
2)脉冲激光焊接修复。这种方法对熔敷操作要求较高，工艺窗口较窄，较难实现高质量的熔敷焊缝；
3)传统电弧焊方法修复。这种方法焊接热影响较大，不是很适用于精加工后/运行后的转子修复；
4)高Cr合金、钴基合金、镍基合金的激光熔敷修复。更改了转子合金体系，存在一定的运行风险。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种转子激光增材制造的方法，激光增材是利用高能激光束辐照，通过迅速熔化、扩展从而在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料；现将该技术用于转子轴的修复，解决现有技术中对零件尺寸更改、以及难以实现高质量的熔覆焊缝的技术问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种转子激光增材制造的方法，包括：
步骤一、对转子的轴颈表面车削形成待熔覆区域，凹陷的所述待熔覆区域的焊接坡口为10°～70°；
步骤二、通过无损检测确定待熔覆区域的直径尺寸以及轴向尺寸；
步骤三、对待熔覆区域进行焊前预热；
步骤四、对待熔覆区域进行激光熔覆；
步骤五、对待熔覆区域进行焊后后热；
步骤六、对待熔覆区域进行无损检测；
步骤七、对待熔覆区域进行车削精加工；
步骤八、对待熔覆区域进行终检。
优选地，所述步骤三使用低合金钢粉末作填充材料，所述填充材料具体为0.04％～0.12％的C元素，0.9％～1.5％的Cr元素，0.3％～0.9％的Mo元素，0.4％～1.3％的Mn元素，0.3％～0.8％的Si元素，其余部分为Fe元素及不可避免的杂质元素。
优选地，所述步骤三可采用电热加热方式进行预热。
优选地，所述步骤四的熔覆工艺参数如下：激光功率为1400～3300W，激光光斑大小为5mm，并且其扫描速度为5-18mm/s；送粉方式为同轴送分，送粉量为4～26g/min，保护气体为99.99％氩气，且其送气速度为20～25L/min；搭接率控制为40～55％。
优选地，所述步骤四可通过如下方式实现对待熔覆区域的熔覆，具体如下：
车床夹持所述转子并回转所述转子，机器手仅负责熔覆头轴向进给，以实现所述熔覆头以螺旋线路径完成熔覆，或者以所述熔覆头每完成熔覆一周后平移继续熔覆一周的方式完成熔覆。
优选地，所述步骤四可通过如下方式实现对待熔覆区域的熔覆，具体如下：
所述车床保持所述转子不转动，所述机械手夹持所述熔覆头绕所述转子转动，且其路径为螺旋线型；从而实现一次性对所述熔覆区域进行熔覆。
优选地，所述无损检测采用渗透检测或磁粉检测。
如上所述，本发明的一种转子激光增材制造的方法，具有以下有益效果：
本发明通过熔覆方式可修复转子的轴颈；由于激光作用时间短，基材熔化量小，对于熔覆层冲淡率小，从而可保证在熔覆层较薄情况，获得相应的性能，从而防止轴颈在修复过程中变形，保证修复的尺寸精度高，减少后续的加工，提高修复效率；本发明通过焊后后热可消除熔覆残余应力，且能够提高熔覆层与转子的冶金相容性，熔覆层可以保证修复后的转子能够适应工况环境；另外，通过无损检测可以进一步确保修复后的转子无表面磨损，再通过精加工进一步确保公差尺寸。
附图说明
图1显示为本发明一种转子激光增材制造的方法的流程图；
图2显示为本发明一种转子激光增材制造的方法的工艺流程示意图；
图3显示为本发明一种转子激光增材制造的方法的逐层熔覆的示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种转子激光增材制造的方法，包括：
步骤一、对转子的轴颈表面车削形成待熔覆区域，凹陷的所述待熔覆区域的焊接坡口为10°～70°；
步骤二、通过无损检测确定待熔覆区域的直径尺寸以及轴向尺寸；
步骤三、对待熔覆区域进行焊前预热；
步骤四、对待熔覆区域进行激光熔覆；
步骤五、对待熔覆区域进行焊后后热；
步骤六、对待熔覆区域进行无损检测；
步骤七、对待熔覆区域进行车削精加工；
步骤八、对待熔覆区域进行透检测及化学成分测试，其中熔覆层Cr含量应低于2.5％。
本发明通过上述步骤，可修复转子的轴颈；由于激光作用时间短，基材熔化量小，对于熔覆层冲淡率小，从而可保证在熔覆层较薄情况，获得相应的性能，防止轴颈在修复过程中变形，保证修复的尺寸精度高，减少后续的加工，提高修复效率；本发明中的预热可以优化熔覆过程中熔池的流动性，改善熔覆质量；本发明通过焊后后热可消除残余氢对熔覆层质量的不良影响，且能够提高熔覆层与转子的冶金相容性，熔覆层可以保证修复后的转子能够适应工况环境；另外，通过无损检测可以进一步确保修复后的转子无表面磨损，化学成分分析则确保转子轴颈不会因表面Cr含量过高而产生拉毛损伤，再通过精加工进一步确保公差尺寸。
为了控制熔覆层中的Cr含量，保证后续转子的安全运行；故步骤三使用低合金钢粉末作填充材料，所述填充材料如下表：化学成分(wt％)
C Cr Mo Mn Si Fe+其他杂质元素
0.04-0.12 0.9-1.5 0.3-0.9 0.4-1.3 0.3-0.8 余量
通过采用低合金钢作为填充材料，符合转子的出厂状态。
为了较快速且稳定对待熔覆区域进行焊前预加热，可采用电阻加热、电磁感应加热等方式进行预热，预热温度80℃以上以改善熔覆时熔池的流动性，为保证预热充分，预热保温时间t根据待熔覆轴颈半径r可以由t＝r*2min/mm，且不小于2h。。
为了保证熔覆的表面粗糙度以及熔覆的效率；具体的步骤四的熔覆工艺参数如下：激光功率为1400～3300W，激光光斑大小为5mm，并且其扫描速度为5-18mm/s；送粉方式为同轴送分，送粉量为4～26g/min，保护气体为99.99％氩气，且其送气速度为20～25L/min；搭接率控制为40～55％。
为了能减少对机械手的移动装置的设置，可采用如下方是对待覆熔区域进行熔覆；具体的，方式一：车床夹持所述转子并回转所述转子，机器手仅负责熔覆头轴向进给，以实现所述熔覆头以螺旋线路径完成熔覆，或者以所述熔覆头每完成熔覆一周后平移2mm-2.8mm后继续熔覆下一周的方式完成熔覆。
为了避免方式一中熔覆的表面粗糙，需要满足对搭接率的要求40～55％。并且为了保证熔覆层在熔覆头平移时不缺失，要求每一周熔覆长度大于当前所熔覆截面周长4mm。
为了减少转子在现场修复时施工的复杂程度，亦可在汽轮机不便于打开汽缸吊出转子时，采用增材制造完成转子轴颈的熔覆，具体的，可通过方式二：熔覆过程中转子不动，机械手加持熔覆头运动，熔覆区域覆盖一定范围后中断熔覆，调整转子周向分度后继续后续熔覆，其中中断熔覆后变更转子轴向分度有180°(变更1次)、120°(变更2次)、90°(变更3次)等选择，也可根据实际情况选择其他分度，每次转子熔覆周向分度范围的选择依据是以单次熔覆过程中机器手与转子不发生干涉的，能够实现最大熔覆分度。为了便于保证后续熔覆层与已完成熔覆层交界处熔合质量，熔覆层边界应以图3方式实现较为平缓的过渡。
焊后为了消除残余氢对熔覆层质量的影响，可进行后热处理，后热处理将转子轴颈加热至250～350℃，并在此温度保温2h。
为了验证焊缝质量，可采用无损检测；由于为轴颈的表面，一般可采用渗透检测或磁粉检测方式；磁粉检测，是以磁粉做显示介质对缺陷进行观察的方法。渗透检测，又称渗透探伤，是一种以毛细作用原理为基础的检查表面开口缺陷的无损检测方法。
为了确认堆焊层适宜作为转子轴颈工作，须在最终检验时进行化学成分测试，其中Cr含量不大于2.5％。
为了能够更详细的说明该增材制造方法，采用如下实施例进行说明：
实施例一：工厂车间转子激光熔覆生产实施：
1、本实施例中涉及转子为典型的超超临界汽轮机高压/中压转子，转子轴颈处需进行表面改性。转子材料为13Cr9Mo2Co1NiVNbNB；
2、进行转子锻件毛坯的入厂验收，分别进行尺寸检验、磁粉检测以及超声波检测，确认转子符合产品要求，并适宜进行激光熔覆；
3、按图纸进行熔覆坡口的加工；具体的，通过切削加工方式形成该熔覆坡口；本实施例中坡口深度2mm，坡口边缘与母材本体(转子的轴颈处)圆滑过渡；
4、再次对待熔覆区域进行磁粉检测，确认转子符合产品要求，并适宜进行激光熔覆；
5、采用电阻加热的方法，对待熔覆区域进行焊前预热，预热设定温度180℃，升温速度≤50℃/h，保温时间12h；
6、按照既定工艺进行激光熔覆，本实施例中的工艺参数：保护气提前出气及滞后停气6s，熔覆粉末化学成分见下表：
表熔敷粉末化学成分(wt％)
C Cr Mo Mn Si Fe
0.04-0.12 0.9-1.5 0.3-0.9 0.4-1.3 0.3-0.8 余量
熔敷粉末与激光/保护气同轴送出，送粉速率4-26g/min，激光功率设定值2600W～3200W，转子转动角速度1.25r/min～1.36r/min，熔覆路径为每熔敷一周并保证4mm搭接量后横向偏移2.5mm后继续熔覆下一周，中断焊接需维持预热，直至整个轴颈熔覆完成；
7、焊后后热，后热温度250～350℃，保温2h；
8、目视检查焊缝质量，并进行磁粉检测，磁粉检测无缺陷；
9、车削加工，精加工至图纸要求尺寸；
10、对转子进行终检验收，检验项目包括尺寸检验、表面光洁度检验、化学成分检验以及磁粉检测，转子轴颈加工质量符合图纸要求。
实施例二：转子的激光熔覆修复实施
1、本实施例中涉及转子为典型的汽轮机低压转子，转子经过运行，轴颈处发生磨损损伤，需进行修复。转子材料为30Cr2Ni4MoV；
2、对待修复转子进行尺寸测量，确认待修复宽度670mm，以及磨损深度1.8mm；
3、车削加工熔覆坡口，加工清除磨损区域材料，熔覆坡口与周围母材(转子的轴颈处)圆滑过渡；
4、对待修复转子进行磁粉检测以及超声波检测，确保转子本体无其他损伤与缺陷，并进行硬度测试，确保转子适宜进行激光熔覆；
5、采用电阻加热的方法，对待熔覆区域进行焊前预热，预热设定温度160℃，升温速度≤50℃/h，保温时间12h；
6、照既定工艺进行激光熔覆，本实施例中的工艺参数：保护气提前出气及滞后停气6s，熔覆粉末化学成分见下表：
表熔敷粉末化学成分(wt％)
C Cr Mo Mn Si Fe+其他杂质元素
0.04-0.12 0.9-1.5 0.3-0.9 0.4-1.3 0.3-0.8 余量
熔敷粉末与激光/保护气同轴送出，送粉速率4-15g/min，激光功率设定值1600W～2200W，转子转动角速度0.4r/min～0.5r/min，熔覆路径为螺旋线熔覆路径，亦即转子转动过程中熔敷头以恒定速度轴向移动，中断焊接需维持预热，直至整个轴颈熔覆完成；
7、焊后后热，后热温度250～350℃，保温2h；
8、目视检查焊缝质量，并进行磁粉检测，磁粉检测无缺陷；
9、车削加工，精加工至图纸要求尺寸；
10、对转子进行终检验收，检验项目包括尺寸检验、表面光洁度检验、化学成分检验以及磁粉检测，转子轴颈加工质量符合图纸要求。
综上所述，本发明选择Cr-Mo低合金钢材料粉末作为熔敷材料，从而符合转子的出厂状态，并且焊接热影响小，不进行焊后热处理也可保证转子的安全运行，增加了转子修复后的使用寿命。本发明容易实现高质量的熔覆层，从而确保公差尺寸的精确性。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种转子激光增材制造的方法，其特征在于，包括：。
步骤一、对转子的轴颈表面车削形成待熔覆区域，凹陷的所述待熔覆区域的焊接坡口为10°～70°；
步骤二、通过无损检测确定待熔覆区域的直径尺寸以及轴向尺寸；
步骤三、对待熔覆区域进行焊前预热；
步骤四、对待熔覆区域进行激光熔覆；
步骤五、对待熔覆区域进行焊后后热；
步骤六、对待熔覆区域进行无损检测；
步骤七、对待熔覆区域进行车削精加工；
步骤八、对待熔覆区域进行渗透检测及化学成分测试，其中熔覆层Cr含量应低于2.5％。
所使用熔敷材料为低合金钢粉末，具体为质量百分比为0.04％～0.12％的C元素，0.9％～1.5％的Cr元素，0.3％～0.9％的Mo元素，0.4％～1.3％的Mn元素，0.3％～0.8％的Si元素，其余部分为Fe元素及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种转子激光增材制造的方法，其特征在于，所述步骤三可采用电阻加热、电磁感应加热等方式进行预热，预热温度不低于80℃，预热保温时间t根据待熔覆轴颈半径r可以由t＝r*2min/mm，且不小于2h。
3.根据权利要求1所述的一种转子激光增材制造的方法，其特征在于，所述步骤四的熔覆工艺参数如下：激光功率为1400～3300W，激光光斑大小为5mm，并且其扫描速度为5-18mm/s；送粉方式为同轴送分，送粉量为4～26g/min，保护气体为99.99％氩气，且其送气速度为20～25L/min；搭接率控制为40～55％。
4.根据权利要求1所述的一种转子激光增材制造的方法，其特征在于，所述步骤四可通过如下方式实现对待熔覆区域的熔覆，具体如下：
车床夹持所述转子并回转所述转子，机器手仅负责熔覆头轴向进给，以实现所述熔覆头以螺旋线路径完成熔覆，或者以所述熔覆头每完成熔覆一周后平移2-2.7mm后继续熔覆下一周的方式完成熔覆。
5.根据权利要求1所述的一种转子激光增材制造的方法，其特征在于，所述步骤四可通过如下方式实现对待熔覆区域的熔覆，具体如下：所述车床保持所述转子不转动，所述机械手夹持所述熔覆头运动，熔覆区域覆盖一定范围后中断熔覆，调整转子周向分度后继续后续熔覆，其中中断熔覆后变更转子轴向分度有180°(变更1次)、120°(变更2次)、90°(变更3次)等选择，也可根据实际情况选择其他分度，从而实现一次性对所述熔覆区域进行熔覆。
6.根据权利要求1所属的一种转子激光增材制造的方法，其特征在于，所述后热温度为250℃～350℃，保温时间2h以上。
7.根据权利要求1所述的一种转子激光增材制造的方法，其特征在于，所述无损检测采用渗透检测或磁粉检测。
8.根据权利要求1所述的一种转子激光增材制造的方法，其特征在于，所述转子材料为30Cr2Ni4MoV及其类似的低压转子材料以及以9-12％Cr钢及其类似的高中压转子材料。
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