基于激光熔覆的冲击式水轮机水斗表面改性方法及系统技术方案

一种基于激光熔覆的冲击式水轮机水斗表面改性方法及系统，步骤为：步骤S1、通过调研现有冲击式转轮水斗磨蚀情况及水斗泥沙磨损试验，确定水斗待改性区域；步骤S2、进行水斗表面预处理；步骤S3、搭建水斗激光熔覆系统；步骤S4、在水斗表面制备激光熔覆层；步骤S5、进行激光熔覆层无损检测；步骤S6、进行熔覆层打磨；步骤S7、进行激光熔覆层厚度检测；步骤S8、进行激光熔覆层硬度检测。耐磨蚀熔覆层与冲击式水轮机过流部件基体达到冶金结合，将冲击式水轮机组过流部件的使用寿命提高3倍以上，有效解决冲击式水轮机过流部件泥沙磨蚀问题。冲击式水轮机过流部件泥沙磨蚀问题。

【技术实现步骤摘要】
基于激光熔覆的冲击式水轮机水斗表面改性方法及系统


[0001]本专利技术属于冲击式水轮机水斗表面改性
，特别涉及一种基于激光熔覆的冲击式水轮机水斗表面改性方法及系统。

技术介绍

[0002]水中所含固体颗粒大小以及硬度的不同以及过流部件形状的原因，使得水轮机发生磨蚀，特别在泥沙含量大的河流，水轮机过流部件磨蚀情况特别严峻。如果不及时采取措施，将会使破坏情况加剧，影响机组的安全稳定运行和使电站的技术经济效益大为降低。在冲击式水轮机运行过程中存在空蚀和泥沙磨损的联合作用，会对水轮机的水斗造成严重的磨蚀，此现象在西南地区高水头、含沙量大的流域尤为严重，而一旦水轮机的水斗表面形态发生改变，水流在其表面的饶流条件将发生改变，进而使机组发生强烈的扰动和负荷波动，严重影响水电机组的稳定运行和服役寿命。
[0003]目前对于冲击式水轮机耐空蚀和耐泥沙磨损防护措施较少，现代水斗式水轮机转轮由于装机容量较小，转轮尺寸不大，制造通常采用整体锻造或铸造的方式结合，水斗被破坏后修复难度大。当水斗发生磨蚀时，通常采用小面积补焊，而补焊的材料通常存在硬度低、耐磨蚀性差等特点，不能从根本上解决材料产生的空蚀和泥沙磨损问题。为了改善这种情况，目前采用较多的防护方法是超音速火焰喷涂金属陶瓷涂层，其原理是利用热源将金属陶瓷材料加热至熔融状态，之后利用高速气流将其喷射到材料表面，涂层与基体的结合方式是机械结合，结合强度差，对于空蚀和泥沙磨损的抵抗作用较差，在使用过程中在较大石块的撞击下极易发生破损，并在破损处产生负压造成更严重的空蚀，不利于水电机组长期安全稳定的运行。

技术实现思路

[0004]鉴于
技术介绍
所存在的技术问题，本专利技术所提供的基于激光熔覆的冲击式水轮机水斗表面改性方法及系统，耐磨蚀熔覆层与冲击式水轮机过流部件基体达到冶金结合，将冲击式水轮机组过流部件的使用寿命提高3倍以上，有效解决冲击式水轮机过流部件泥沙磨蚀问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采取了如下技术方案来实现：一种基于激光熔覆的冲击式水轮机水斗表面改性方法，步骤为：步骤S1、通过调研现有冲击式转轮水斗磨蚀情况及水斗泥沙磨损试验，确定水斗待改性区域；步骤S2、进行水斗表面预处理；步骤S3、搭建水斗激光熔覆系统；步骤S4、在水斗表面制备激光熔覆层；步骤S5、进行激光熔覆层无损检测；步骤S6、进行熔覆层打磨；
步骤S7、进行激光熔覆层厚度检测；步骤S8、进行激光熔覆层硬度检测。
[0006]优选地，步骤S2的处理方法如下：对水斗表面进行机加工，表面光滑平整且无油污，使用后的水斗修复及表面改性前需对缺陷处和待改性表面进行修磨，并保证待修复及改性表面光滑无油污，采用碳弧气刨对缺陷进行消缺，采用角磨机对待改性表面进行打磨。
[0007]优选地，步骤S3中，水斗激光熔覆系统包括光纤激光器、高速熔覆激光头、水冷系统、同步送粉系统和可编程全自动控制的熔覆工作台；熔覆工作台用于保证激光头运动范围覆盖水斗待熔覆表面，并实现激光头移动过程中对水斗待熔覆表面不同部位的自动调焦以及送粉量的精确控制，使得激光辐射方向始终与待熔覆表面切线方向保持垂直。
[0008]优选地，步骤S4的分解步骤为：首先打开水冷系统，在水冷机运行稳定后打开激光器、控制系统和送粉系统，之后在控制系统编写程序，使激光头按照预定的路径移动，最后操控控制系统开始激光熔覆，在熔覆结束后依次关闭激光器、送粉器和水冷机。
[0009]优选地，步骤S5中的无损检测过程如下：利用超声波和渗透检测技术检查熔覆层缺陷，保证熔覆层质量。
[0010]优选地，步骤S7中的厚度检测方式为：利用超声测厚仪测量熔覆层厚度。
[0011]优选地，步骤S8的检测方式为：采用便携式硬度计对熔覆层硬度进行检测。
[0012]优选地，所述的基于激光熔覆的冲击式水轮机水斗表面改性方法的激光熔覆系统，包括大功率光纤激光器、水冷系统、同步送粉系统和控制系统；大功率光纤激光器用于作为热源来源；激光器用于将电能转化为激光再通过光纤输出，激光的开闭和激光功率的大小通过控制系统控制；水冷系统由激光头冷却系统和激光器冷却系统构成，利用循环水箱将循环水温控制在一定的范围内，循环水使激光头和光纤激光器处于正常工作温度区间，水冷系统的过滤装置用于保障仪器的内部清洁和稳定；送粉系统利用高速流动的氮气将金属粉末输送至待熔覆部位，送粉量和送粉速度也是由送粉系统控制。
[0013]本专利技术可达到以下有益效果：1、耐磨蚀熔覆层与冲击式水轮机过流部件基体达到冶金结合，将冲击式水轮机组过流部件（如喷针、喷嘴口环、水斗等部件）的使用寿命提高3倍以上，有效解决冲击式水轮机过流部件泥沙磨蚀问题。
[0014]2、本专利技术有两种应用场景，一是在尚未服役的新水斗上直接熔覆耐磨蚀熔覆层，直接提高水斗的耐磨蚀能力，提升水斗的服役寿命和减少维护成本。二是针对已发生磨损的水斗，可使用此技术对产生磨损的区域进行修复，可减少材料成本和缩短机组维护周期。
具体实施方式
[0015]实施例1：一种基于激光熔覆的冲击式水轮机水斗表面改性方法步骤为：步骤S1、通过调研国内外冲击式转轮水斗磨蚀情况及水斗泥沙磨损试验及仿真计算确定水斗待改性区域。
[0016]步骤S2、水斗表面预处理。对新生产水斗表面进行机加工，表面光滑平整且无油污，使用后的水斗修复及表面改性前需对缺陷处和待改性表面进行修磨，并保证待修复及改性表面光滑无油污，采用碳弧气刨对缺陷进行消缺，采用角磨机对待改性表面进行打磨，
必要时需进行抛光。
[0017]步骤S3、水斗激光熔覆系统集成。该系统由功率≥3KW的光纤激光器、高速熔覆激光头、水冷系统、同步送粉系统、可编程全自动控制的熔覆工作台等组成，可保证激光头运动范围覆盖水斗待熔覆表面，并实现激光头移动过程中对水斗待熔覆表面不同部位的自动调焦以及送粉量的精确控制，使得激光辐射方向始终与待熔覆表面切线方向保持垂直。
[0018]步骤S4、在水斗表面制备激光熔覆层。首先打开水冷系统，在水冷机运行稳定后打开激光器、控制系统和送粉系统，之后在控制系统编写程序，使激光头按照预定的路径移动，最后操控控制系统开始激光熔覆，在熔覆结束后依次关闭激光器、送粉器和水冷机。
[0019]步骤S5、激光熔覆层无损检测。利用超声波和渗透检测技术检查熔覆层缺陷，保证熔覆层质量。
[0020]步骤S6、熔覆层打磨。对熔覆层进行机械打磨，保证熔覆层粗糙度满足设计要求。
[0021]步骤S7、激光熔覆层厚度检测。利用超声测厚仪测量熔覆层厚度。
[0022]步骤S8、激光熔覆层硬度检测。采用便携式硬度计对熔覆层硬度进行检测。
[0023]一种激光熔覆系统主要包括大功率光纤激光器、水冷系统、同步送粉系统和控制系统。大功率光纤激光器作为热源来源，激光器在内部将电能转化为激光再通过光纤输出，激光的开闭和激光功率的大小通过控制系统控制。水冷系统由激光头冷却系统和激光器冷却系统组成，其利用大容量循环水箱将循环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光熔覆的冲击式水轮机水斗表面改性方法，其特征在于包括以下步骤：步骤S1、通过调研现有冲击式转轮水斗磨蚀情况及水斗泥沙磨损试验，确定水斗待改性区域；步骤S2、进行水斗表面预处理；步骤S3、搭建水斗激光熔覆系统；步骤S4、在水斗表面制备激光熔覆层；步骤S5、进行激光熔覆层无损检测；步骤S6、进行熔覆层打磨；步骤S7、进行激光熔覆层厚度检测；步骤S8、进行激光熔覆层硬度检测。2.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的冲击式水轮机水斗表面改性方法，其特征在于：步骤S2的处理方法如下：对水斗表面进行机加工，表面光滑平整且无油污，使用后的水斗修复及表面改性前需对缺陷处和待改性表面进行修磨，并保证待修复及改性表面光滑无油污，采用碳弧气刨对缺陷进行消缺，采用角磨机对待改性表面进行打磨。3.根据权利要求2所述的基于激光熔覆的冲击式水轮机水斗表面改性方法，其特征在于：步骤S3中，水斗激光熔覆系统包括光纤激光器、高速熔覆激光头、水冷系统、同步送粉系统和可编程全自动控制的熔覆工作台；熔覆工作台用于保证激光头运动范围覆盖水斗待熔覆表面，并实现激光头移动过程中对水斗待熔覆表面不同部位的自动调焦以及送粉量的精确控制，使得激光辐射方向始终与待熔覆表面切线方向保持垂直。4.根据权利要求3所述的基于激光熔覆的冲击式水轮机水斗表面改性方法，其特征在于：步骤S4的分解步骤为：首先打开水冷系统，在水冷机运行稳定后打开激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭晓霞，陈磊，李贵吉，何传凯，刘得潭，商永喜，赵一帆，
申请(专利权)人：中国大唐集团科学技术研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：