專利名稱：一種發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法及專用設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的修復(fù)技術(shù)，特別提供了一種采用激光熔鑄技術(shù)現(xiàn)場修復(fù)發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的方法。
背景技術(shù)：
發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸體積大、重量大，精度等級高、制作工藝復(fù)雜生產(chǎn)成本高、周期長。而且一旦在運行中出現(xiàn)問題其影響巨大。所以該類轉(zhuǎn)子的設(shè)計均為無限壽命設(shè)計，即在正常的工作條件下可連續(xù)運轉(zhuǎn)使用20年以上。
轉(zhuǎn)子軸一般的制造工藝有整鍛式、套裝式、組合式和焊接式。無論哪一種結(jié)構(gòu)形式，其質(zhì)量要求都是比較高的。由于在高溫、高轉(zhuǎn)速下工作，要求材料有較高的蠕變極限、良好的持久強度和較好的抗熱疲勞及斷裂性能。容量越大的機組，這些技術(shù)指標(biāo)的要求就越強。
對于轉(zhuǎn)子的制造過程從材料的冶煉、鍛造、機加、熱處理、動平衡等工序都有明確、嚴(yán)格的質(zhì)量要求。所以一根轉(zhuǎn)子軸的制造成本非常高昂，制造周期也很長。因此，在運行中，轉(zhuǎn)子一旦出現(xiàn)問題，其后果是非常嚴(yán)重的。如果重新制造，從工期到成本都是發(fā)電廠所無法承受的。因此，必須采取某種方式維修。
但是無論是電焊、氬弧焊、振動焊等各種熱加工方式、都會不可避免的產(chǎn)生裂紋、熱影響區(qū)組織相變、殘余應(yīng)力等有害的影響。
以前，一般有兩種解決辦法1、電刷鍍；2、將軸徑車細(xì)，重新配瓦。這兩種方法都有較大的缺陷。
將軸徑車細(xì)的前提是必須將轉(zhuǎn)子運輸?shù)骄哂写笮图庸ぴO(shè)備的工廠修復(fù)。此方法雖然去掉了損壞的表面層，解決了此次軸徑表面修復(fù)的問題，但卻使軸徑變細(xì)，強度降低，并為了中心高不變必須等軸徑加工完后再重新設(shè)計加工非標(biāo)軸承，其危害是顯而易見的。
電刷鍍是近些年電廠較為常用的修復(fù)方法，也確實為電廠解決了一定的問題。但是，它的局限性是很大的。比如說它是利用置換原理將金屬溶液中的金屬附著在軸徑表面，刷鍍層與轉(zhuǎn)子軸的結(jié)合形式是物理結(jié)合，其結(jié)合強度是很低的。因此在實際使用中，出現(xiàn)刷鍍層脫落的現(xiàn)象。為避免鍍層脫落采用底層銅鍍，它的結(jié)合強度較好，但表面硬度低，磨損的部位刷鍍后繼續(xù)磨損，因此使用壽命有降低。例如，我們在淮陰電廠修復(fù)的密封瓦徑就是原來電刷鍍修復(fù)后又被磨損的位置。
發(fā)電廠的發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸系很重，一般來說，20萬kW發(fā)電機組的軸系總重100噸左右、30萬kW發(fā)電機組的軸系總重150噸左右。每個轉(zhuǎn)子的長度都在7～8m以上。如果運到廠家維修，在運輸上有很多的技術(shù)上的困難，經(jīng)濟(jì)上也要付出巨大的成本，同時還存在運輸中設(shè)備安全的問題。
現(xiàn)有激光加工系統(tǒng)是一組由激光發(fā)生器、激光加工機、水冷機組等幾個分系統(tǒng)構(gòu)成的體積龐大、很笨重的成套設(shè)備。由于組成設(shè)備較多，結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，所以目前激光加工設(shè)備基本上都是基地式設(shè)備。再加上該成套設(shè)備的安裝、調(diào)試都非常不方便，不具備除車載外的可移動實用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在現(xiàn)場修復(fù)發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的技術(shù)方案。
本發(fā)明提供一種發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法，包括無損檢測及清理、激光熔鑄修復(fù)、機加復(fù)形三大過程，其特征在于所述激光熔鑄修復(fù)過程中激光從正上方輻照于轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子軸上，合金粉預(yù)置于轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子軸上激光斑前端；利用大功率高能量激光束聚集能量極高的特點，瞬間將被加工件表面微熔，同時使預(yù)置零件表面上的合金粉末完全熔化；激光束掃描后快速凝固，獲得與基體冶金結(jié)合的致密覆層，恢復(fù)幾何尺寸和表面強化等；使用現(xiàn)場水源作為可移動式激光加工系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)，用以免去配備笨重的制冷源；通過無級調(diào)速機構(gòu)與現(xiàn)場發(fā)電機組的盤車裝置耦合，使轉(zhuǎn)子軸達(dá)到激光熔覆所需的線速度要求，實現(xiàn)原地修復(fù)；所述機加復(fù)形過程中以靜止的轉(zhuǎn)子軸為基準(zhǔn)，切削工具相對轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動的切削方式對轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行精整，這就可免去從發(fā)電機、汽輪機上拆卸轉(zhuǎn)子軸和搬運轉(zhuǎn)子軸等工作，實現(xiàn)原地復(fù)形。
這是利用激光熔覆恢復(fù)其磨損尺寸，用現(xiàn)場機加設(shè)備進(jìn)行復(fù)形的新的工藝方案。
本發(fā)明還提供一種發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法所用的專用設(shè)備，其特征在于包括激光加工系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子軸隨行加工設(shè)備；所述的激光加工系統(tǒng)由激光發(fā)生器(11)、激光加工機、自動送粉器、無級調(diào)速機構(gòu)構(gòu)成；激光發(fā)生器(11)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計采用開式水冷，入口接現(xiàn)場水源，出口直接排放；激光發(fā)生器(11)產(chǎn)生的激光通過激光加工機改變方向，垂直輻照于轉(zhuǎn)子軸(4)的上面，自動送粉器送粉管(25)的出口置于激光斑的前端；無級調(diào)速機構(gòu)連接在現(xiàn)場發(fā)電機組的盤車裝置上；所述的轉(zhuǎn)子軸隨形加工設(shè)備由以轉(zhuǎn)子軸(4)為基準(zhǔn)的定位機構(gòu)(31)、可繞轉(zhuǎn)子軸(4)轉(zhuǎn)動的輪圈刀架總成(32)、驅(qū)動機構(gòu)(33)構(gòu)成；所述輪圈刀架總成(32)固定于以轉(zhuǎn)子軸(4)為基準(zhǔn)的定位機構(gòu)上，驅(qū)動機構(gòu)(33)與輪圈刀架總成(32)相接；以實現(xiàn)切削工具相對工件——轉(zhuǎn)子軸(4)的轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明提供的發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法所用的專用設(shè)備，其激光加工機由底座(12)、組合立柱(13)、橫梁(14)、組合鏡筒(15)構(gòu)成，組合鏡筒(15)由垂直鏡筒(153)、水平鏡筒(154)和垂直伸縮鏡筒(155)活性連接而成，橫梁(14)和組合鏡筒(15)內(nèi)設(shè)置的反射鏡(151)、聚焦鏡(152)構(gòu)成光路。采用組合立柱(13)既可改變立柱的高度，又便于搬運。垂直鏡筒(153)可在橫梁(14)上水平移動和水平鏡筒(154)可繞垂直鏡筒(153)旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)二維調(diào)整，垂直伸縮鏡筒(155)可以上下伸縮，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)焦距。
本發(fā)明提供的發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法所用的專用設(shè)備，其自動送粉器由料斗(23)、由電機(22)帶動的轉(zhuǎn)盤(21)、刮板(24)、帶喇叭口的送粉管(25)構(gòu)成；料斗(23)位于轉(zhuǎn)盤(21)的側(cè)上方，刮板(24)置于轉(zhuǎn)盤(21)的另一側(cè)的上方，并緊貼轉(zhuǎn)盤(21)，送粉管(25)的喇叭口置于轉(zhuǎn)盤(21)下方刮板(24)一側(cè)，喇叭口的中心位于轉(zhuǎn)盤(21)的邊緣。啟動電機(22)的同時打開料斗(23)的下料口，粉料由轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)盤(21)送到另一端，被刮板(24)刮落，經(jīng)送粉管(25)送到轉(zhuǎn)子上激光斑的前端。
本發(fā)明提供的發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法所用的專用設(shè)備，其無級調(diào)速機構(gòu)由調(diào)速電機、調(diào)速器、鏈輪構(gòu)成，調(diào)速器與調(diào)速電機電連接，調(diào)速電機接鏈輪，鏈輪接現(xiàn)場發(fā)電機組的盤車裝置電機的軸端；以改變盤車裝置電機的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子軸(4)達(dá)到激光熔覆所需的線速度。
本發(fā)明提供的發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法及其專用設(shè)備的優(yōu)點在于具有利用激光熔覆工藝修復(fù)汽輪機、發(fā)電機(22)的軸徑的優(yōu)點激光熔鑄層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合強度不低于原基材的90％；基體材料在激光加工過程中公表面微熔，微熔層為0.05～0.1mm，基體熱影響區(qū)極小，一般為0.1～0.2mm；熔鑄層與基體均無粗大的鑄造組織，熔鑄層及其界面組織致密，晶粒細(xì)小，沒有孔洞、夾渣、裂紋等缺陷；激光加工過程中基體溫度不超過80℃，激光加工后無熱變形；激光熔鑄技術(shù)可控性好，易實現(xiàn)自動化控制；激光熔鑄層可由多層組成，底層與基體浸潤性好、結(jié)合強度高；中間層具有一定強度和硬度、抗裂性好；面層具有抗沖刷、耐磨損和耐腐蝕等性能，使修復(fù)后的設(shè)備在安全和使用性能上更加有保障；此外，實現(xiàn)原地激光熔鑄修復(fù)和機加復(fù)形，縮短修復(fù)周期，免除裝卸搬運工作風(fēng)險，很大程度上節(jié)約了時間、人力、物力。


圖1是激光傳導(dǎo)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是自動送粉器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是轉(zhuǎn)子軸隨形加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
實施例 模塊化激光加工機和轉(zhuǎn)子軸隨形加工設(shè)備模塊化激光加工機由激光發(fā)生器(11)、激光加工機、自動送粉器、無級調(diào)速機構(gòu)構(gòu)成激光發(fā)生器(11)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計采用開式水冷，入口接現(xiàn)場水源，出口直接排放；激光加工機(如圖1所示)由底座(12)、一級立柱(131)、二級立柱(132)、橫梁(14)、組合鏡筒(15)構(gòu)成，組合鏡筒(15)由垂直鏡筒(153)、水平鏡筒(154)和垂直伸縮鏡筒(155)活性連接而成，橫梁(14)和組合鏡筒(15)內(nèi)設(shè)置的反射鏡(151)、聚焦鏡(152)構(gòu)成光路。
垂直伸縮鏡筒(155)可以上下伸縮，以微調(diào)焦距；垂直鏡筒(153)可以在橫梁(14)上水平移動，水平鏡筒(154)可以繞垂直鏡筒(153)旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)二維調(diào)整激光斑；自動送粉器(如圖2所示)由料斗(23)、由電機(22)帶動的轉(zhuǎn)盤(21)、刮板(24)、帶喇叭口的送粉管(25)構(gòu)成；料斗(23)位于轉(zhuǎn)盤(21)的側(cè)上方，刮板(24)置于轉(zhuǎn)盤(21)的另一側(cè)的上方，并緊貼轉(zhuǎn)盤(21)，送粉管(25)的喇叭口置于轉(zhuǎn)盤(21)下方刮板(24)一側(cè)，喇叭口的中心位于轉(zhuǎn)盤(21)的邊緣；啟動電機(22)的同時打開料斗(23)的下料口，粉料由轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)盤(21)送到另一端，被刮板(24)刮落，經(jīng)送粉管(25)送到轉(zhuǎn)子上激光斑的前端；無級調(diào)速機構(gòu)由調(diào)速電機、調(diào)速器、鏈輪構(gòu)成，調(diào)速器與調(diào)速電機電連接，調(diào)速電機接鏈輪，鏈輪接現(xiàn)場發(fā)電機組的盤車裝置電機的軸端；以改變盤車裝置電機的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子軸達(dá)到激光熔覆所需的線速度。
轉(zhuǎn)子軸隨形加工設(shè)備(如圖3所示)由以轉(zhuǎn)子軸為基準(zhǔn)的定位機構(gòu)(31)、可繞轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動的輪圈刀架總成(32)、驅(qū)動機構(gòu)(33)構(gòu)成；所述輪圈刀架總成(32)固定于以轉(zhuǎn)子軸為基準(zhǔn)的定位機構(gòu)(31)上，驅(qū)動機構(gòu)(33)與輪圈刀架總成(32)相接；以實現(xiàn)切削工具相對工件的轉(zhuǎn)動。
現(xiàn)場施工過程1、適合電廠檢修用的設(shè)備運抵現(xiàn)場后，根據(jù)現(xiàn)場條件將激光器(11)、激光加工機置于相應(yīng)位置。打開發(fā)電機的端蓋，將經(jīng)過加工機的組合鏡筒(15)對準(zhǔn)要加工的轉(zhuǎn)子軸(4)，并將激光加工機固定，然后利用光沿直線傳播的原理將激光器(11)和激光加工機調(diào)整，這樣就具備了基本的激光熔覆條件。
2、做防護(hù)因為發(fā)電機轉(zhuǎn)子留在殼體中，熔覆和機加過程都在殼體內(nèi)完成。所以必須做好防護(hù)工作，防止粉末及其它雜物掉到發(fā)電機殼體內(nèi)造成事故。
3、機加工清除軸徑表面疲勞層由于長期在高速下運轉(zhuǎn)，磨損表面層是疲勞組織，必須將其清理干凈，才能在其表面上進(jìn)行激光熔覆。在威海電廠采用的是用隨行磨來車削，單邊去除了0.5mm。經(jīng)過硬度檢測后開始激光熔覆。
4、激光熔覆根據(jù)軸的材質(zhì)及轉(zhuǎn)子軸(4)的性能要求選定金屬粉末DL-02。根據(jù)軸的幾何尺寸及金屬粉末的特殊要求確定激光熔覆的工藝參數(shù)如下功率1500～1600W，掃描速度4mm/s，光斑直徑φ3～5mm。根據(jù)光斑掃描速度和軸徑φ450mm計算出旋轉(zhuǎn)速度為0.2rpm。根據(jù)掃描速度和粉末特性確定自動送粉的粉量為2g/s。
5、機加工復(fù)形熔覆之后將轉(zhuǎn)子軸隨形加工設(shè)備——隨行磨具裝卡好進(jìn)行車削，留出單邊0.05mm的精磨余量；換磨頭進(jìn)行研磨，最終達(dá)到廠家的要求。即同軸度≤0.02mm，圓柱度≤0.02mm，錐度≤0.02mm。粗糙度為Ra0.4。
6、經(jīng)廠家現(xiàn)場驗收，主要檢測指標(biāo)為機械尺寸、形位公差、硬度指標(biāo)均符合要求，無損探傷檢測符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法，包括無損檢測及清理、激光熔鑄修復(fù)、機加復(fù)形三大過程，其特征在于所述激光熔鑄修復(fù)過程中激光從正上方輻照于轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子軸上，合金粉預(yù)置于轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子軸上激光斑前端，使用現(xiàn)場水源作為可移動式激光加工系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)，通過無級調(diào)速機構(gòu)與現(xiàn)場發(fā)電機組的盤車裝置耦合，使轉(zhuǎn)子軸達(dá)到激光熔覆所需的線速度要求；所述機加復(fù)形過程中以靜止的轉(zhuǎn)子軸為基準(zhǔn)，刀具相對工件——轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動的切削方式對轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行精整。
2.一種權(quán)利要求1所述發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法所用的專用設(shè)備，其特征在于包括激光加工系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子軸隨行加工設(shè)備；所述的激光加工系統(tǒng)由激光發(fā)生器(11)、激光加工機、自動送粉器、無級調(diào)速機構(gòu)構(gòu)成；激光發(fā)生器(11)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計采用開式水冷，入口接現(xiàn)場水源，出口直接排放；激光發(fā)生器(11)產(chǎn)生的激光通過激光加工機改變方向，垂直輻照于轉(zhuǎn)子軸(4)的上面，自動送粉器的送粉管(25)的出口置于激光斑的前端；無級調(diào)速機構(gòu)連接在現(xiàn)場發(fā)電機組的盤車裝置上；所述的轉(zhuǎn)子軸隨形加工設(shè)備由以轉(zhuǎn)子軸為基準(zhǔn)的定位機構(gòu)(31)、可繞轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動的輪圈刀架總成(32)、驅(qū)動機構(gòu)(33)構(gòu)成；所述輪圈刀架總成(32)固定于以轉(zhuǎn)子軸為基準(zhǔn)的定位機構(gòu)(31)上，驅(qū)動機構(gòu)(33)與輪圈刀架總成(32)相接。
3.按照權(quán)利要求2所述發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法所用的專用設(shè)備，其特征在于所述激光加工機由底座(12)、組合立柱(13)、橫梁(14)、組合鏡筒(15)構(gòu)成，組合鏡筒(15)由垂直鏡筒(153)、水平鏡筒(154)和垂直伸縮鏡筒(155)活性連接而成，橫梁(14)和組合鏡筒(15)內(nèi)設(shè)置的反射鏡(151)、聚焦鏡(152)構(gòu)成光路。
4.按照權(quán)利要求2所述發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法所用的專用設(shè)備，其特征在于所述自動送粉器由料斗(23)、由電機(22)帶動的轉(zhuǎn)盤(21)、刮板(24)、帶喇叭口的送粉管(25)構(gòu)成；料斗(23)位于轉(zhuǎn)盤(21)的側(cè)上方，刮板(24)置于轉(zhuǎn)盤(21)的另一側(cè)的上方，并緊貼轉(zhuǎn)盤(21)，送粉管(25)的喇叭口置于轉(zhuǎn)盤(21)下方刮板(24)一側(cè)，送粉管(25)喇叭口的中心位于轉(zhuǎn)盤(21)的邊緣。
5.按照權(quán)利要求2所述發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法所用的專用設(shè)備，其特征在于所述無級調(diào)速機構(gòu)由調(diào)速電機、調(diào)速器、鏈輪構(gòu)成，調(diào)速器與調(diào)速電機電連接，調(diào)速電機接鏈輪，鏈輪接現(xiàn)場發(fā)電機組的盤車裝置電機的軸端。
全文摘要
本發(fā)明提供一種發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法，包括無損檢測及清理、激光熔鑄修復(fù)、機加復(fù)形三大過程，其特征在于所述激光熔鑄修復(fù)過程中激光從正上方輻照于轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子軸上，合金粉預(yù)置于轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子軸上激光斑前端；使用現(xiàn)場水源作為可移動式激光加工系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)；通過無級調(diào)速機構(gòu)與現(xiàn)場發(fā)電機組的盤車裝置耦合；所述機加復(fù)形過程中以靜止的轉(zhuǎn)子軸為基準(zhǔn)，切削工具相對工件轉(zhuǎn)動的切削方式對轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行精整。本發(fā)明提供的發(fā)電機、汽輪機轉(zhuǎn)子軸的現(xiàn)場激光修復(fù)方法及其專用設(shè)備的優(yōu)點在于具有利用激光熔覆工藝修復(fù)汽輪機、發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸軸頸的優(yōu)點，實現(xiàn)原地激光熔鑄修復(fù)和機加復(fù)形，縮短修復(fù)周期，免除裝卸搬運工作，很大程度上節(jié)約了時間、人力、物力。
文檔編號B23P23/04GK1660538SQ20041002119
公開日2005年8月31日 申請日期2004年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月26日
發(fā)明者陳江, 王一兵, 張靜波 申請人:沈陽大陸激光技術(shù)有限公司