一种水轮机叶片裂纹修复方法技术

本发明专利技术公开了一种水轮机叶片裂纹修复方法，主要包括准备阶段：清洗检测待修复叶片；自熔焊接阶段：采用倾斜的负离焦量的会聚激光束沿裂纹走向扫描，形成V形熔池，熔化的金属液体在重力作用下沉入熔池底部，凝固后形成自熔焊缝；填充焊接阶段：采用与叶片本体相同的材料作为焊丝，进行表层堆焊；后处理阶段：焊接完成后进行去应力回火和叶片表面修整加工。本发明专利技术修复时以叶片本体材料的自熔为主，填充少量与叶片本体相同的材料，焊缝材料与叶片相同，二者结合良好，且不易产生焊缝缺陷，提高了焊缝结合强度；且在自熔焊接和填充焊接过程中，叶片背面超声波发生器产生的超声波使熔池内的金属熔液振动排除气体，减少焊缝气孔等缺陷的产生。

【技术实现步骤摘要】
一种水轮机叶片裂纹修复方法
本专利技术涉及金属零件修复
，具体是水轮机叶片的修复工艺。
技术介绍
汽轮机或水轮机等设备的叶片在工作中受到流体工作介质冲击，长期运行会在叶片表面产生疲劳裂纹，如不及时进行修复处理会导致叶片断裂。叶片修复常采用堆焊、融覆等方式。如申请号为201310054557.9的中国专利技术专利，公开一种航空发动机叶片损伤的修复方法，该方法依据待修复叶片表面尺寸形状特征进行分段处理，设定各段脉冲等离子热输入参数和脉动送丝控制参数，分段进行等离子焊接修复。再如申请号为201310170388.5的中国专利技术专利，公开一种高温合金涡轮叶片修复材料及其修复工艺，则介绍了采用微弧火花沉积修复涡轮叶片的方法，根据工艺要求预制焊接材料棒，采用微弧火花沉积工艺对需要修复的区域进行堆焊，焊接后进行真空热处理。常规修复方法（即填充焊接）由于填充材料与叶片本体材料不同，焊接结合界面处材料成分、组织复杂，且焊缝底部易产生焊接缺陷，影响焊缝结合强度，降低了叶片修复后的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种预处理时无需打坡口，提高焊缝结合强度的水轮机叶片裂纹修复方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种水轮机叶片裂纹修复方法,其特征在于：包括准备阶段：清洗检测待修复叶片；自熔焊接阶段：采用倾斜的负离焦量的会聚激光束沿裂纹走向扫描，形成V形熔池，熔化的金属液体在重力作用下沉入熔池底部，凝固后形成自熔焊缝；填充焊接阶段：采用与叶片本体相同的材料作为焊丝，进行表层堆焊；后处理阶段：焊接完成后进行去应力回火和叶片表面修整加工。进一步地，在所述叶片的背面固定有一超声波发生器，能在所述自熔焊接阶段和填充焊接阶段中启动产生超声波。进一步地，所述准备阶段中，通过X射线对叶片裂纹进行检测，确定裂纹走向和裂纹最大深度及其位置；然后在裂纹两端各打一个直径大于裂纹宽度1-2mm，深度大于裂纹深度3mm的截断孔；在裂纹深度最大处打一个直径大于裂纹宽度1-2mm、深度大于裂纹深度3mm的探测孔。所述自熔焊接阶段中用激光束对裂纹扫描是以探测孔为起点，分别扫描至两端的截断孔，包括如下步骤：1）先对探测孔进行预热，采用会聚角5-8°的垂直激光束辐照探测孔，使探测孔壁和底部材料发生局部熔化；2）使激光束向后倾斜，与扫描方向的反方向叶片表面呈5-7°夹角，并沿裂纹走向扫描，熔化的金属液体在超声波和重力作用下沉入熔池底部，在激光束离开后冷却凝固形成焊缝；3）当激光束扫描到裂纹一端的截断孔后，旋转激光束使其与叶片表面垂直，并对截断孔进行辐照；4）重新由探测孔开始，重复上述步骤1）-3），向另一端截断孔进行扫描焊接；所述激光束的焦斑直径大于探测孔直径0.5mm，激光功率为（250-300）×109W/m2，脉冲宽度为10ms，对探测孔和截断孔的辐照时间为5-8个脉冲宽度。进一步地，所述填充焊接阶段，执行以下步骤：1）调节激光束会聚角，使其为平行光束，激光束垂直于所述焊缝表面；2）激光束从一端的截断孔沿裂纹的走向向另一端的截断孔扫描，同时添送与叶片的本体材料相同的焊丝，进行填充焊接；3）重复从裂纹一端到另一端的扫描焊接，直至焊缝上表面高于叶片上表面，填充焊接过程完成。所述激光束的焦平面位于焊缝上表面下方0.5mm处，激光光斑直径约为1mm；所述填充焊接阶段步骤3）中，重复的扫描焊接直至焊缝上表面高于叶片上表面0.5mm时停止焊接。本专利技术的有益效果是：采用上述修复方法，预处理时无需打坡口，修复时以叶片本体材料自熔为主，少量填充与叶片本体相同的材料，焊缝材料与叶片相同，二者结合良好，且不易产生焊缝缺陷，提高了焊缝结合强度，延长修复后的叶片使用寿命。具体的，在焊接过程中激光束先后倾斜使裂纹底部材料先熔化，避免上部先熔化时易产生的封堵现象造成的未焊透缺陷，超声波振动有利于熔池金属液体流入熔池底部，且有利于熔池金属液体中气体的排出，消除了焊缝中易出现的气孔等缺陷；负离焦量的会聚激光束使熔池形成上方开口较大的V形熔池，有助于金属蒸气和等离子体的排出，避免熔池金属液体被吹离熔池，大幅度提高焊缝质量。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。图1为本专利技术的流程框图。图2本专利技术中叶片裂纹走向示意图。图3本专利技术中探测孔预热示意图。图4本专利技术中自熔焊接示意图。图示中：1、叶片；2、截断孔；3、裂纹侧面；4、会聚激光束；5、探测孔；6、超声波发生器；7、裂纹。具体实施方式如图1-4所示，本专利技术一种水轮机叶片裂纹修复方法，包括准备阶段、自熔焊接阶段、填充焊接阶段、后处理阶段。其中，上述准备阶段，执行以下步骤：1）清洗待修复叶片1，清除叶片1表面和焊缝中的油污、杂物等；2）裂纹检测，通过X射线探伤，检测裂纹7走向和裂纹7最大深度及其位置；3）在裂纹7两端各打一个直径大于裂纹宽度1-2mm，深度大于裂纹深度3mm左右的截断孔2；4）在裂纹深度最大处打一个直径大于裂纹宽度1-2mm，深度大于裂纹深度3mm左右的探测孔5；5）在叶片背面上固定一个超声波发生器6。当准备阶段完成后，进行裂纹自熔焊接，自熔焊接主要包括以下步骤。1）探测孔5预热：采用会聚角5-8°，焦斑直径大于探测孔直径0.5mm的垂直激光束4辐照探测孔，激光功率（250-300）×109W/m2，脉冲宽度10ms左右，辐照时间约5-8个脉冲宽度，使探测孔壁和底部材料发生局部熔化。2）自熔焊接：使激光束4向后倾斜，与扫描方向的反方向叶片表面呈5-7°夹角；激光束4沿裂纹7走向以0.8-1.3mm/s的速度扫描，同时启动安置在叶片背面的超声波发生器6。裂纹7两侧金属被熔化后在重力和超声波作用下沉入熔池底部，在激光束4离开后冷却凝固形成焊缝。3）当激光束4扫描到裂纹一端的截断孔2后旋转激光束4使其与叶片1表面垂直，并对截断孔2进行辐照5-8个脉冲宽度。4）从探测孔5开始，重复上述步骤1）-3），向另一端进行扫描焊接。在自熔焊接过程中，激光束4的5-8°的会聚角使熔池形成V形熔池，有利于金属蒸气和等离子气体的排出，避免熔池金属液体被吹离熔池。而激光束4向后倾斜5-7°，使裂纹7底部金属先熔化，避免上部金属熔液冷却形成封堵导致焊缝中出现未焊透缺陷。而超声波发生器6产生的超声波有利于熔池金属液体向熔池底部流动，并加速熔池金属液体内的气体排出，避免焊缝内产生气孔等缺陷。自熔焊接完成后，裂纹7两侧材料熔化后进入熔池底部形成自熔焊缝，焊缝上表面凹陷，低于叶片1表面，需进行填充焊接，补充金属材料使焊缝上表面略高于叶片。上述填充焊接阶段，主要执行以下步骤。1）调节激光束4会聚角，使其尽可能为平行光束（会聚角大小取决于激光器自身性能），激光束4垂直于焊缝表面，激光束4的焦平面位于焊缝上表面下方0.5mm左右，激光光斑直径约为1mm。2）激光束4从一端的截断孔沿裂纹7的走向向另一端的截断孔扫描，同时添送直径约为0.3mm材料与叶片1的本体材料相同的焊丝，进行填充焊接，在此过程中超声波发生器6处于启动状态。3）重复从裂纹1一端到另一端的扫描焊接，直至焊缝上表面高于叶片1表面0.5mm左右，填充焊接过程完成。上述填充焊接结束后，进行后处理阶段：首先对叶片1进行去应力回火，具体回火温度和保温时间取决于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水轮机叶片裂纹修复方法, 其特征在于：包括准备阶段：清洗检测待修复叶片；自熔焊接阶段：采用倾斜的负离焦量的会聚激光束沿裂纹走向扫描，形成V形熔池，熔化的金属液体在重力作用下沉入熔池底部，凝固后形成自熔焊缝；填充焊接阶段：采用与叶片本体相同的材料作为焊丝，进行表层堆焊；后处理阶段：焊接完成后进行去应力回火和叶片表面修整加工。

【技术特征摘要】
1.一种水轮机叶片裂纹修复方法,其特征在于：包括准备阶段：清洗检测待修复叶片；自熔焊接阶段：采用倾斜的负离焦量的会聚激光束沿裂纹走向扫描，形成V形熔池，熔化的金属液体在重力作用下沉入熔池底部，凝固后形成自熔焊缝；填充焊接阶段：采用与叶片本体相同的材料作为焊丝，进行表层堆焊；后处理阶段：焊接完成后进行去应力回火和叶片表面修整加工；在所述叶片的背面固定有一超声波发生器，能在所述自熔焊接阶段和填充焊接阶段中启动产生超声波；所述准备阶段中，通过X射线对叶片裂纹进行检测，确定裂纹走向和裂纹最大深度及其位置；然后在裂纹两端各打一个截断孔；在裂纹深度最大处打一个探测孔；所述自熔焊接阶段中用激光束对裂纹扫描是以探测孔为起点，分别扫描至两端的截断孔，包括如下步骤：1）先对探测孔进行预热，采用会聚角5-8°的垂直激光束辐照探测孔，使探测孔壁和底部材料发生局部熔化；2）使激光束向后倾斜，与扫描方向的反方向叶片表面呈5-7°夹角，并沿裂纹走向扫描，熔化的金属液体在超声波和重力作用下沉入熔池底部，在激光束离开后冷却凝固形成焊缝；3）当激光束扫描到...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾永玉，罗红平，郭钟宁，张永康，张永俊，黄志刚，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44