CN1990158A - 一种汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，包括疲劳层清理、激光熔覆、钳修复形、修复后检测；熔覆功率为600～2000W，光斑直径为1～4mm，扫描速度为2～10mm/s，每层熔覆厚度0.5～0.8mm，搭接率为30～70％，熔覆后的尺寸比基面高1～2mm；根据汽轮机末级叶片的材质及硬度，选用相应的金属合金粉；采用YAG固体激光器，激光加工机及配套冷水机组，同步送粉器。其优点在于：维修费用低、维修时间短，操作简便、规范性强；修复的叶片满足汽轮机末级叶片的工作条件；对叶片的空间摆放位置没有限制；利用同步送粉器，可以实现曲面上的熔覆加工；激光熔铸技术可控性好，易实现自动化控制。

Description

一种汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺

技术领域

本发明涉及汽轮机末级叶片的修复工艺。

背景技术

汽轮机末级叶片是电厂汽轮机组的最末级叶片，是长度最长、重量最大的一组。其重量在1kg～15kg之间(机组大小的不同，末级叶片的重量也就不同)。汽轮机的工作介质是水蒸汽，当气流流到末级叶片时，水蒸汽中已含有一定量的液体水或水珠，这些水珠就会对高速旋转(汽轮机组大小不同，转数有1500rpm、3000rpm等几个等级)的末级叶片造成冲刷，使汽轮机末级叶片的强度、平衡状态、工作效率和寿命等受到很大影响。由于汽轮机末级叶片长度最长、重量最重，因此所受的离心力也就最大，若不及时修理，甚至会造成叶片的断裂，发生重大质量事故。由于其工作环境的特点，因此需要汽轮机末级叶片整体要有较好的耐冲刷性能、良好的持久强度和较好的抗热疲劳及断裂性能。

但是，拆卸汽轮机的末级叶片是一项很复杂的工作，需要较长的周期和特殊的工装与工艺，而且还有很大的技术风险。在某些特定的条件下，拆卸汽轮机末级叶片是不可能的。这样，不拆卸对汽轮机的末级叶片进行维修，其世纪的意义就十分重要了。

发明内容

本发明的目的在于提供一种修复不拆卸的汽轮机末级叶片的工艺

本发明提供一种汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，包括疲劳层清理、激光熔覆、钳修复形、修复后检测，其特征在于：

1)所述激光熔覆的工艺参数如下：

熔覆功率：600～2000W；光斑直径：1～4mm；扫描速度：2～10mm/s；每层熔覆厚度0.5～0.8mm；搭接率：30～70％；熔覆后的尺寸比未损伤的基面高1～2mm；

2)熔覆材料：根据汽轮机末级叶片的材质及硬度，选用与叶片相应的金属合金粉；

3)熔覆设备：YAG固体激光器，激光加工机及配套冷水机组，同步送粉器。

所述的大功率YAG固体激光器及配套冷水机组能够产生2000w的激光，发光体为YAG(钇铝石榴石)晶体，产生激光波长只有1.06μm，容易被金属吸收，而且能够利用光纤进行传输，在做激光熔覆过程中有很大的优势(相比气体激光而言)，可以实现柔性加工。

所述的水冷系统是激光器工作过程中必不可少的附属设备，它利用工作介质氟利昂的挥发和压缩液化提供冷水以带走激光器产生的多余热量，维持激光的持续发射。所述水冷机组提供冷却水的水温是可调、可控的。

本发明提供的汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，所用激光加工机是固体光纤传输激光加工机，它由激光与光纤耦合部件31～33、光纤部件39、聚焦部件34和36、运动轴部件37及其控制系统38构成。

所述的激光与光纤耦合部件由聚焦镜、扩束镜、反射镜及其支架组成。将激光器所产生的激光聚成直径小于1毫米的平行光束，以垂直方向射入光纤端面。所有的镜片支架要通入冷水以冷却镜片。

所述的光纤部件其特征是由传输光纤的光纤和其外部的保护层组成。光纤是由石英晶体拉制而成的，比较脆。本设备采用的是可以传输2000w以上功率激光的特种光纤。外部采用耐温、隔热的材料制成保护层。防止光纤损坏。同时，该组件可以以一定半径弯曲实现对光线的柔性控制。

所述的聚焦部件由聚焦镜、防护镜片及其镜筒组成，作用是将光纤传输过来的光聚焦以供使用。镜筒内部通冷水给镜片冷却。该聚焦镜可以将光聚焦成直径在1～4mm范围内的光点，该光点作用在实体上成为光斑。

所述的运动轴部件是指激光加工对光斑位置控制的机械部分。其特征在于共有三个形式相同、相互垂直的轴构成，并安装在底座上。能够实现光斑在空间曲面上运动。每个轴由丝杠和导轨组成，导轨控制运动方向，丝杠提供运动动力。

所述的运动轴其特征在于，丝杠是与步进电机连接的，将步进电机的的旋转运动转化成光斑在相应轴上的直线运动。两轴同时运动构成激光焦点平面的曲线运动；三轴同时运动构成激光焦点的空间曲线运动。激光聚焦组件就固定在其一个轴的端部。

本发明提供的汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，所用的同步送粉器，由可调速的控制电机来控制圆盘转速进而控制给粉量。重力作用使料斗中的粉末落在圆盘上，转到刮板位置使被刮下，落在接料斗中。使用高压的氮气或氩气作为粉料输送的动力，通过软管将粉末送至喷嘴，喷射到特定的位置。本设备将粉末喷射到光斑之内，而且其位置与激光聚焦组件的位置相对固定，这样就保证了送出粉料与光斑的同步性故称为同步送粉器。

所述的控制系统是指对不仅电机动作发出指令的计算机控制系统，本设备采用的是通用的四轴三联动步进电机控制系统，可以实现空间曲面的加工。可以预先定制程序等。

本发明提供的汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，在疲劳层清理之前可以进行形线样板制作。利用样片的尺寸及空间形线位置，用镀锌板手工制作出维修用尺寸和形线样板，一般情况下一套样板包括空间形线定位样板和叶片形线与尺寸样板。

本发明提供的汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，在所述形线样板制作之前可以进行修复前检测，即维修后要达到的各组数据的检测。厂家维修的汽轮机末级叶片都会有一个或几个样片，如果没有样片，厂家会规定以损伤量最小的一片叶片作为维修样片，检测的目的就是将维修后要达到的各组数据(主要指尺寸)检测出来，作为维修的依据。如厂家无法提供叶片成分，则还要进行材质成分的化验分析。

本发明提供的汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，其疲劳层清理是利用手工打磨的方法，主要包括角磨和直磨，对损伤轴面进行机械清理。

本发明提供的汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，其优点在于：

降低维修费用、节约维修时间，操作简便、规范性强；

激光熔铸层与基体的结合强度不低于原基材的90％；

基体热影响区极小，一般为0.1～0.2mm；

熔铸层及其界面组织致密，晶粒细小，没有孔洞、夹渣、裂纹等缺陷；

叶片无热变形；

汽轮机末级叶片的修复层表面有较高的耐冲刷性能、良好的持久强度和较好的抗热疲劳及断裂性能，以满足汽轮机末级叶片的工作条件；

采用光纤传输高能量的激光，对叶片的空间摆放位置没有限制；

利用同步送粉器，可以实现各种曲面上的熔覆加工；

激光熔铸技术可控性好，易实现自动化控制。

附图说明

图1为汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺用熔覆设备的连接示意图。

具体实施方式

实施例1

汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，包括修复前检测、形线样板制作、疲劳层清理(主要包括角磨和直磨，对损伤轴面进行机械清理)、激光熔覆、钳修复形、修复后检测：

1)激光熔覆的工艺参数如下：

熔覆功率：600～2000W；光斑直径：1～4mm；扫描速度：2～10mm/s；每层熔覆厚度0.5～0.8mm；搭接率：30～70％；熔覆后的尺寸比未损伤的基面高1～2mm；

2)熔覆材料：根据汽轮机末级叶片的材质及硬度，选用与叶片相应的金属合金粉；

3)熔覆设备：YAG固体激光器2，激光加工机3及配套冷水机组1，同步送粉器4。熔覆设备的连接如图1所示。

大功率YAG固体激光器及配套冷水机组能够产生2000w的激光，发光体为YAG(钇铝石榴石)晶体，产生激光波长只有1.06μm，容易被金属吸收，而且能够利用光纤进行传输，在做激光熔覆过程中有很大的优势(相比气体激光而言)，可以实现柔性加工。

水冷系统是激光器工作过程中必不可少的附属设备，它利用工作介质氟利昂的挥发和压缩液化提供冷水以带走激光器产生的多余热量，维持激光的持续发射。水冷机组提供冷却水的水温是可调、可控的。

激光加工机是固体光纤传输激光加工机，它由激光与光纤耦合部件、光纤部件39、聚焦部件、运动轴部件37及其控制系统38构成。

激光与光纤耦合部件由聚焦镜31、扩束镜32、反射镜33及其支架组成。将激光器所产生的激光聚成直径小于1毫米的平行光束，以垂直方向射入光纤39端面。所有的镜片支架要通入冷水以冷却镜片。

光纤部件39其特征是由传输光纤的光纤和其外部的保护层组成。光纤是由石英晶体拉制而成的，比较脆。本设备采用的是可以传输2000w以上功率激光的特种光纤。外部采用耐温、隔热的材料制成保护层。防止光纤损坏。同时，该组件可以以一定半径弯曲实现对光线的柔性控制。

聚焦部件由聚焦镜34、防护镜片36及其镜筒组成，作用是将光纤传输过来的光聚焦以供使用。镜筒内部通冷水给镜片冷却。该聚焦镜可以将光聚焦成直径在1～4mm范围内的光点，该光点作用在实体上成为光斑。

运动轴部件37是指激光加工对光斑位置控制的机械部分。其特征在于共有三个形式相同、相互垂直的轴构成，并安装在底座上。能够实现光斑在空间曲面上运动。每个轴由丝杠和导轨组成，导轨控制运动方向，丝杠提供运动动力。

运动轴：丝杠是与步进电机连接的，将步进电机的旋转运动转化成光斑在相应轴上的直线运动。两轴同时运动构成激光焦点平面的曲线运动；三轴同时运动构成激光焦点的空间曲线运动。激光聚焦组件就固定在其一个轴的端部。

同步送粉器4，由可调速的控制电机43来控制圆盘42转速进而控制给粉量。重力作用使料斗41中的粉末落在圆盘42上，转到刮板44位置使被刮下，落在接料斗45中。使用高压的氮气或氩气46作为粉料输送的动力，通过软管47将粉末送至激光加工机上的喷嘴35，喷射到特定的位置。本设备将粉末喷射到光斑之内，而且其位置与激光聚焦组件的位置相对固定，这样就保证了送出粉料与光斑的同步性。

本设备采用的是通用的四轴三联动步进电机控制系统38，可以实现空间曲面的加工。可以预先定制程序等。

Claims (6)

1、一种汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，包括疲劳层清理、激光熔覆、钳修复形、修复后检测，其特征在于：

1)所述激光熔覆的工艺参数如下：

熔覆功率：600～2000W；光斑直径：1～4mm；扫描速度：2～10mm/s；每层熔覆厚度0.5～0.8mm；搭接率：30～70％；熔覆后的尺寸比未损伤的基面高1～2mm；

2)熔覆材料：根据汽轮机末级叶片的材质及硬度，选用与叶片相应的金属合金粉；

3)熔覆设备：YAG固体激光器，激光加工机及配套冷水机组，同步送粉器。

2、按照权利要求1所述的汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，其特征在于：所述激光加工机是固体光纤传输激光加工机，它由激光与光纤耦合部件(31～33)、光纤部件(39)、聚焦部件(34、36)、运动轴部件(37)及其控制系统(38)构成，激光与光纤耦合部件(31～33)与激光器连接，光纤部件(39)连接激光与光纤耦合部件(31～33)和聚焦部件(34、36)，聚焦部件(34、36)置于运动轴部件(37)上，运动轴部件(37)由控制系统(38)控制。

3、按照权利要求1所述的汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，其特征在于：所述疲劳层清理之前进行形线样板制作。

4、按照权利要求2所述的汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，其特征在于：所述形线样板制作包括空间形线定位样板制作和叶片形线与尺寸样板制作。

5、按照权利要求2所述的汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，其特征在于：所述形线样板制作之前进行修复前检测，即维修后要达到的各组数据的检测。

6、按照权利要求1所述的汽轮机末级叶片的不拆卸修复工艺，其特征在于：所述疲劳层清理是利用手工打磨的方法，主要包括角磨和直磨，对损伤轴面进行机械清理。