CN116550990A - 一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法及装置，包括以下步骤，S1：水轮机顶盖表面清洁；S2：设备拆装搬运；S3：将拆解后的各部分搬运进水轮机后，进行组装；S4：根据机器人单次臂展的范围将水轮机顶盖的圆周长度进行划分后，示教器操作机器人使激光熔覆头在工作距离能完全扫描覆盖水轮机顶盖需要修复区域不发生空间干涉或关节奇异点；S5：每次熔覆加工完臂展范围内的顶盖区域后将AGV小车开到下一块需要熔覆的区域，直至全部顶盖区域熔覆加工完成后对所熔覆加工的区域进行打磨修型，水轮机顶盖修复作业结束。采用该方法自动化程度高、修复效率高、且降低了人工劳动强度，消除了安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及水轮机激光增材修复技术领域，尤其涉及一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法及装置。
背景技术
水轮机作为把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，在一座大型水电站中起到了至关重要的作用。同时，含沙水流经水电站的水轮机，造成水轮机内壁、叶片等重要部件，不可避免的受到空蚀和磨损，进而降低了发电效率，并且严重威胁着水电站的运行安全。
水电站的水轮机内壁及顶盖的空蚀和磨损加剧容易导致频繁检修，水轮机内部的检修需要在水轮机内使用的各种工具、装置和工件都需要经过水轮机叶片间隙或蜗壳门等通道运入水轮机内。而使用传统的电弧堆焊修补时需要搭建大量的脚手架，不仅自动化程度低，效率低等问题，且人工劳动强度大会存在一定的安全隐患。
中国专利文献CN101994113A，公开/公告日2011年3月30日，公开了一种水轮机组顶盖耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺，其采用激光熔覆工艺对水轮机顶盖进行修复，激光熔覆合金涂层均匀、致密，与基体形成牢固的冶金结合并具有优良的耐磨抗蚀性能，可显著提高水轮机组顶盖的耐磨抗蚀性能和使用寿命。但不足在于，该专利文献并未说明如何在水轮机内部进行自动化的激光熔覆修复。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决上述背景技术中存在的问题，提供一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法，通过AVG小车搭载机器人，激光熔覆头安装在机器人手臂末端，熔覆路径由机器人示教器控制，从而分区域自动化的对水轮机顶盖进行激光增材修复，采用该方法自动化程度高、修复效率高、且降低了人工劳动强度，消除了安全隐患。
本发明要解决的另一技术问题是：提供一种实现所述一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法的装置。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法，包括以下步骤：
S1：水轮机顶盖表面清洁：打磨清理水轮机的顶盖表面疲劳层、污渍、泥沙，并用丙酮或者工业酒精除油除尘除污清洗；
S2：设备拆装搬运：在整套移动式激光增材加工装置经过蜗壳搬运进水轮机之前，对整套设备进行拆解，整套装置拆解为升降装置、机器人控制柜、机器人、激光熔覆头、中央控制柜、AGV小车；
S3：将拆解后的各部分搬运进水轮机后，进行组装：升降装置、机器人控制柜、机器人、中央控制柜均搭载在AGV小车上，激光熔覆头安装在机器人的手臂末端，其余外路的传输光纤、水管、粉管、气管使用波纹套管保护后从蜗壳门放入与各自设备相连接，组装完成后，AGV小车在水轮机内环行一周，保证待修复位置AGV小车能够平稳；
S4：激光熔覆处理前需将AGV小车开到水轮机顶盖需要熔覆的区域附近，选定需要熔覆的区域在中央控制柜调节升降装置的高度，使机器人和激光熔覆头调整到合适的工作距离并刹车锁定AGV小车，根据机器人单次臂展的范围将水轮机顶盖的圆周长度进行划分后，示教器操作机器人使激光熔覆头在工作距离能完全扫描覆盖水轮机顶盖需要修复区域不发生空间干涉或关节奇异点，进一步在中央控制柜输入激光熔覆工艺参数，完成对水轮机顶盖的激光熔覆加工；
S5：每次熔覆加工完臂展范围内的顶盖区域后将AGV小车开到下一块需要熔覆的区域，直至全部顶盖区域熔覆加工完成后对所熔覆加工的区域进行打磨修型，水轮机顶盖修复作业结束。
在S4中，选用司太立合金粉末作为熔覆粉材，采用环形或多管式同轴送粉器，以激光光斑直径2-5mm范围内，激光功率范围在3000-12000W范围内，激光熔覆头扫描速度为30-150mm/s，熔覆扫描搭接率为45%-85%，熔覆粉末送粉量为30-150g/min，送粉气流量10-25L/min，激光熔覆保护气气流量10-15L/min，对顶盖进行激光熔覆修复。
在S4中，升降装置的升降行程为0m-1.5m。
所述激光熔覆头为光粉同轴激光熔覆头，采用环形或多管式送粉喷嘴，粉末汇聚焦距大于10mm小于20mm，在激光熔覆加工时激光光斑为圆形光斑，光斑焦点直径在2-5mm。
激光熔覆使用红外波段的连续激光器，激光器包括半导体耦合光纤输出连续连续或连续光纤式激光器，在进行顶盖的激光熔覆加工时根据聚焦光斑直径需求在激光功率大于3000W小于12000W。
所述连续激光器配套的输出光纤长度大于10m小于50m，光纤芯径大于400μm小于1000μm。
所述送粉器为双筒气载式送粉器，所用载粉气体为惰性气体，其中，惰性气体包括氮气、氩气或氦气。
一种实现所述的一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法的装置，包括AGV小车，AGV小车搭载升降装置、机器人控制柜和中央控制柜，机器人安装在升降装置上，激光熔覆头安装在机器人的手臂末端，激光熔覆工艺参数调节在中央控制柜中设定，熔覆路径由机器人示教器控制，连续激光器、冷水机、送粉器均置于水轮机外，分别通过外路的传输光纤、水管、粉管、气管与AGV小车上的激光熔覆头连接。
所述AGV小车为双舵轮万向自主移动式小车，AGV小车采用模块化结构，各模块组件方便拆解和组装。
本发明有如下有益效果：
1、通过采用移动式激光增材加工装置配合激光熔覆的工艺方式，无需在水轮机顶盖的工作区域搭建脚手架和环形导轨，极大的提高了水轮机顶盖修复的自动化程度，有效的节省了准备工作时间。降低了人工劳动强度，小车搭载升降装置自由移动实现了整套激光增材加工装置能够在区域范围内进行水轮机顶盖自动化在位修复，避免因水轮机顶盖空间狭小和机器人奇异点干涉导致反复地示教轨迹、调整姿态等情况，对于缩短水轮机顶盖的整体修复周期起到了重要作用。同时，采用激光熔覆的工艺方式对水轮机顶盖进行修复，基材与表面覆材为冶金结合，结合强度相对较高，组织致密，稀释率较低，相对于堆焊修复综合性能更好，且极大地减轻了后期打磨修型的工作量，降低了劳动强度，缩短整体检修工期。
2、移动式激光增材加工装置可由AGV小车载运自由移动，并且可升降，激光熔覆头加工可达的范围更大，针对区域跨度较大的待修复的区域，AGV小车配合升降装置，能够便捷快速的实现对水轮机内壁的在位修复。
3、相比于传统的补焊，激光增材移动加工装置的自动化程度更高，对水轮机顶盖的修复整体效率也能得到极大的提高。
4、采用激光熔覆的工艺方式对水轮机顶盖进行修复，基材与表面覆材为冶金结合，结合强度相对较高，组织致密，稀释率较低，性能满足要求的前提下，并且熔覆涂层厚度可根据需求调控。
附图说明
图1移动式激光增材加工装置
图2移动式激光增材加工装置在水轮机顶盖内部加工示意图
图中：AGV小车1，激光熔覆头2，机器人3，升降装置4，中央控制柜5，机器人控制柜6，冷水机7，送粉器8，连续激光器9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例一：
参见图1-2，一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法，包括以下步骤：
S1：水轮机顶盖表面清洁：打磨清理水轮机的顶盖表面疲劳层、污渍、泥沙，并用丙酮或者工业酒精除油除尘除污清洗；
S2：设备拆装搬运：在整套移动式激光增材加工装置经过蜗壳搬运进水轮机之前，对整套设备进行拆解，整套装置拆解为升降装置4、机器人控制柜6、机器人3、激光熔覆头2、中央控制柜5、AGV小车1；
S3：将拆解后的各部分搬运进水轮机后，进行组装：升降装置4、机器人控制柜6、机器人3、中央控制柜5均搭载在AGV小车1上，激光熔覆头2安装在机器人3的手臂末端，其余外路的传输光纤、水管、粉管、气管使用波纹套管保护后从蜗壳门放入与各自设备相连接，组装完成后，AGV小车1在水轮机内环行一周，保证待修复位置AGV小车1能够平稳；
S4：激光熔覆处理前需将AGV小车开到水轮机顶盖需要熔覆的区域附近，选定需要熔覆的区域在中央控制柜5调节升降装置4的高度，使机器人3和激光熔覆头2调整到合适的工作距离并刹车锁定AGV小车1，根据机器人3单次臂展的范围将水轮机顶盖的圆周长度进行划分后，示教器操作机器人3使激光熔覆头2在工作距离能完全扫描覆盖水轮机顶盖需要修复区域不发生空间干涉或关节奇异点，进一步在中央控制柜5输入激光熔覆工艺参数，完成对水轮机顶盖的激光熔覆加工；
S5：每次熔覆加工完臂展范围内的顶盖区域后将AGV小车1开到下一块需要熔覆的区域，直至全部顶盖区域熔覆加工完成后对所熔覆加工的区域进行打磨修型，水轮机顶盖修复作业结束。
在S4中，在中央控柜5输入激光熔覆相关工艺参数，激光功率6000W，金属粉末送粉量1.2r/min，激光光斑直径3mm，多道搭接量为50%，激光熔覆粉末使用 司太立系列Stellite6合金粉末，机器人示教器设定激光熔覆头扫描速度50mm/s，送粉器调节选定送粉气流量15L/min，选定激光熔覆保护气气流量15L/min，激光熔覆送粉气与保护气均选用氩气。对顶盖进行激光熔覆修复。
在S4中，升降装置4的升降行程为0m-1.5m。
所述激光熔覆头2为光粉同轴激光熔覆头，采用环形或多管式送粉喷嘴，粉末汇聚焦距大于10mm小于20mm，在激光熔覆加工时激光光斑为圆形光斑，光斑焦点直径在2-5mm。
激光熔覆使用红外波段的连续激光器，连续激光器包括半导体耦合光纤输出连续激光器或连续光纤式激光器，在进行顶盖的激光熔覆加工时根据聚焦光斑直径需求在激光功率大于3000W小于12000W。
所述连续激光器配套的输出光纤长度大于10m小于50m，光纤芯径大于400μm小于1000μm。
所述送粉器为双筒气载式送粉器，所用载粉气体为惰性气体，其中，惰性气体包括氮气、氩气或氦气。
实施例二：
一种实现所述的一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法的装置，包括AGV小车1，AGV小车1搭载升降装置4、机器人控制柜6和中央控制柜5，机器人3安装在升降装置4上，激光熔覆头2安装在机器人3的手臂末端，激光熔覆工艺参数调节在中央控制柜5中设定，熔覆路径由机器人3示教器控制，连续激光器9、冷水机7、送粉器8均置于水轮机外，分别通过外路的传输光纤、水管、粉管、气管与AGV小车1上的激光熔覆头2连接。AGV小车1为双舵轮万向自主移动式小车，AGV小车1采用模块化结构，各模块组件方便拆解和组装。升降装置4采用直线导轨结构，并通过伺服电机驱动，齿轮齿条啮合传动驱动升降。具体的，参见图1，升降装置4包括立柱，立柱两侧设有直线导轨，机器人3安装在连接板上，连接板的背部安装有滑块，滑块与直线导轨滑动配合，立柱靠连接板一侧安装有齿条，连接板上安装有伺服电机，伺服电机的输出轴上安装有齿轮，齿轮与齿条啮合，从而带动机器人3沿立柱上下移动。
结合图1对水轮机顶盖激光增材移动加工装置做以下说明，AGV小车1是整套设备的搭载装置单独配备运动控制遥控器，并且可对外壳，内部装置进行简单的拆卸，以便搬运；升降装置4与AGV小车1以螺栓相连，根据AGV小车的整体配重，为保证装置整体的稳定性，升降装置的安装位置可以在AGV小车上进行调整；机器人3与升降装置4通过连接板连接；机器人控制柜6与中央控制柜5均安装在AGV1小车的一侧；中央控制柜5可设定激光熔覆各项工艺参数，并且监测各个部分的异常状态；在完成激光加工移动装置在水轮机内部的装配后，激光熔覆相关设备，连续激光器9、冷水机7、送粉器8均置于水轮机外，通过布置外路的传输光纤、水管、粉管、气管使用波纹套管保护后从蜗壳门放入，依次与挂载于机器人3末端的激光熔覆头2相连接，移动式激光增材加工装置在水轮机内部修复水轮机顶盖的示意图如图2所示。
Claims (9)
1.一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：水轮机顶盖表面清洁：打磨清理水轮机的顶盖表面疲劳层、污渍、泥沙，并用丙酮或者工业酒精除油除尘除污清洗；
S2：设备拆装搬运：在整套移动式激光增材加工装置经过蜗壳搬运进水轮机之前，对整套设备进行拆解，整套装置拆解为升降装置（4）、机器人控制柜（6）、机器人（3）、激光熔覆头（2）、中央控制柜（5）、AGV小车（1）；
S3：将拆解后的各部分搬运进水轮机后，进行组装：升降装置（4）、机器人控制柜（6）、机器人（3）、中央控制柜（5）均搭载在AGV小车（1）上，激光熔覆头（2）安装在机器人（3）的手臂末端，其余外路的传输光纤、水管、粉管、气管使用波纹套管保护后从蜗壳门放入与各自设备相连接，组装完成后，AGV小车（1）在水轮机内环行一周，保证待修复位置AGV小车（1）能够平稳；
S4：激光熔覆处理前需将AGV小车开到水轮机顶盖需要熔覆的区域附近，选定需要熔覆的区域在中央控制柜（5）调节升降装置（4）的高度，使机器人（3）和激光熔覆头（2）调整到合适的工作距离并刹车锁定AGV小车（1），根据机器人（3）单次臂展的范围将水轮机顶盖的圆周长度进行划分后，示教器操作机器人（3）使激光熔覆头（2）在工作距离能完全扫描覆盖水轮机顶盖需要修复区域不发生空间干涉或关节奇异点，进一步在中央控制柜（5）输入激光熔覆工艺参数，完成对水轮机顶盖的激光熔覆加工；
S5：每次熔覆加工完臂展范围内的顶盖区域后将AGV小车（1）开到下一块需要熔覆的区域，直至全部顶盖区域熔覆加工完成后对所熔覆加工的区域进行打磨修型，水轮机顶盖修复作业结束。
2.根据权利要求1所述的一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法，其特征在于：在S4中，选用司太立合金粉末作为熔覆粉材，采用环形或多管式同轴送粉器（8），以激光光斑直径2-5mm范围内，激光功率范围在3000-12000W范围内，激光熔覆头（2）扫描速度为30 -150mm/s，熔覆扫描搭接率为45%-85%，熔覆粉末送粉量为30 -150g/min，送粉气流量10-25L/min，激光熔覆保护气气流量10-15L/min，对顶盖进行激光熔覆修复。
3.根据权利要求1所述的一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法，其特征在于：在S4中，升降装置（4）的升降行程为0m-1.5m。
4.根据权利要求1所述的一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法，其特征在于：所述激光熔覆头（2）为光粉同轴激光熔覆头，采用环形或多管式送粉喷嘴，粉末汇聚焦距大于10mm小于20mm，在激光熔覆加工时激光光斑为圆形光斑，光斑焦点直径在2-5mm。
5.根据权利要求1所述的一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法，其特征在于：激光熔覆使用红外波段的连续激光器（9），连续激光器（9）包括半导体耦合光纤输出连续激光器或连续光纤式激光器，在进行顶盖的激光熔覆加工时根据聚焦光斑直径需求在激光功率大于3000W小于12000W。
6.根据权利要求5所述的一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法，其特征在于：所述连续激光器（9）配套的输出光纤长度大于10m小于50m，光纤芯径大于400μm小于1000μm。
7.根据权利要求2所述的一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法，其特征在于：所述送粉器为双筒气载式送粉器，所用载粉气体为惰性气体，其中，惰性气体包括氮气、氩气或氦气。
8.一种实现权利要求1-7任意一项所述的一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法的装置，其特征在于：包括AGV小车（1），AGV小车（1）搭载升降装置（4）、机器人控制柜（6）和中央控制柜（5），机器人（3）安装在升降装置（4）上，激光熔覆头（2）安装在机器人（3）的手臂末端，激光熔覆工艺参数调节在中央控制柜（5）中设定，熔覆路径由机器人（3）示教器控制，连续激光器（9）、冷水机（7）、送粉器（8）均置于水轮机外，分别通过外路的传输光纤、水管、粉管、气管与AGV小车（1）上的激光熔覆头（2）连接。
9.根据权利要求8所述的实现一种大型水轮机顶盖移动式激光增材加工方法的装置，其特征在于：所述AGV小车（1）为双舵轮万向自主移动式小车，AGV小车（1）采用模块化结构，各模块组件方便拆解和组装。
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