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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Construction method of anti cavitation laser cladding for pump turbines suitable for power plant site

The invention discloses a construction method for the anti cavitation laser cladding of water pump turbine for power station, which is carried out in accordance with the following steps: Step 1, check and record before repair, clean the surface of the pump turbine blade and identify the laser cladding area; step two, the laser cladding area on the blade of the pump water wheel. Grinding, repair welding, Finishing welding, finishing and so on, and activation of blade surface; step three, installation and commissioning of cladding system; step four, cladding. The invention uses the cladding system and the specially designed powder feeding nozzle to make a large area of continuous laser cladding on any plane or complex surface of the robot arm, which can reach any spatial orientation, and get the coating with obvious defects such as thickness, uniform structure, no pores and cracks.

【技术实现步骤摘要】
适用于电站现场的水泵水轮机抗空蚀激光熔覆施工方法
本专利技术属于水电设备
，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。
技术介绍
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(LaserCladding)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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的特点还在于，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。本专利技术有益效果是：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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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专利技术进行详细说明。本专利技术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相连的送粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵道利，黄秋红，杨宛利，孙维鹏，南海鹏，罗兴锜，梁武科，马薇，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61