本發(fā)明涉及一種用于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸的電磁復(fù)合場(chǎng)協(xié)同激光再制造裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)如今，激光再制造技術(shù)已越來(lái)越多的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。在工業(yè)應(yīng)用中，汽輪機(jī)在高溫、高壓下長(zhǎng)期運(yùn)行，轉(zhuǎn)子軸極易磨損，影響了其使用的壽命。對(duì)于轉(zhuǎn)子軸的再制造技術(shù)通常有車削法、熱噴涂、電刷鍍、焊接等。近些年來(lái)，激光再制造技術(shù)也已逐漸用于修復(fù)受損汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸中，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，但激光再制造修復(fù)轉(zhuǎn)子軸同時(shí)也存在一些問(wèn)題：

在激光熔覆的快速凝固條件下，熔覆層極易形成形態(tài)、大小和方向各異的不均勻凝固組織，且熔覆層內(nèi)的氣孔和夾雜等微觀缺陷往往難以及時(shí)排出而殘留在熔覆組織中，嚴(yán)重影響了熔覆層的質(zhì)量和性能；

在激光修復(fù)過(guò)程中需不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，不僅效率較低，而且激光工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)只能改變?nèi)鄹矊尤鄢氐耐獠總鳠徇吔?，無(wú)法控制熔池內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)方向，難以對(duì)熔覆組織中晶粒的形態(tài)、尺寸、晶體取向進(jìn)行靈活控制，獲得性能更優(yōu)的熔覆涂層。

針對(duì)上述轉(zhuǎn)子軸激光再制造過(guò)程中遇到的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用改變激光工藝參數(shù)或在熔覆粉末中添加稀土元素等方式來(lái)減少和消除裂紋和氣孔，改善熔覆層質(zhì)量。但此類方法需要大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，效率較低，不利于工程實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明采用磁場(chǎng)和電場(chǎng)同時(shí)輔助激光再制造過(guò)程，可有效調(diào)控激光再制造過(guò)程中熔池流體運(yùn)動(dòng)、內(nèi)部顆粒分布以及熔覆缺陷，起到顯著的控形控性效果，獲得性能優(yōu)良的轉(zhuǎn)子軸修復(fù)層。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服背景技術(shù)中存在的缺陷，基于轉(zhuǎn)子軸激光再制造過(guò)程中遇到的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸的電磁復(fù)合場(chǎng)協(xié)同激光再制造裝置，在利用激光再制造修復(fù)轉(zhuǎn)子軸的過(guò)程中，將外加電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)作用于熔池中，產(chǎn)生方向、大小、頻率靈活可控的洛倫茲力，有效調(diào)控激光熔池流體運(yùn)動(dòng)、內(nèi)部顆粒分布以及減少修復(fù)層內(nèi)的氣孔和裂紋，獲得性能優(yōu)良的轉(zhuǎn)子軸修復(fù)層。

本發(fā)明解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是：

一種用于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸的電磁復(fù)合場(chǎng)協(xié)同激光再制造裝置，包括激光熔覆部、用于固定轉(zhuǎn)子軸且可驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)的支架部、提供電場(chǎng)的電場(chǎng)部和提供磁場(chǎng)的磁場(chǎng)部；

所述激光熔覆部包括激光器和送粉器，激光器連接有垂直向下的激光輸出頭，送粉器連接有垂直向下的送粉頭，且送粉頭設(shè)置在激光輸出頭上；

所述支架部設(shè)置在激光熔覆部的下方，支架部包括用于水平固定轉(zhuǎn)子軸的夾具和支撐夾具的架體，架體豎直設(shè)置，架體的底端固定在底板上，架體的頂端可轉(zhuǎn)動(dòng)地穿設(shè)有夾具轉(zhuǎn)軸，所述夾具轉(zhuǎn)軸水平設(shè)置，夾具轉(zhuǎn)軸的內(nèi)端與夾具固定連接，夾具轉(zhuǎn)軸的外端連接有驅(qū)動(dòng)夾具轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置；

所述磁場(chǎng)部包括開(kāi)口向下的U形鐵芯，U形鐵芯沿豎直方向固定在激光輸出頭上，U形鐵芯與激光輸出頭相平行，所述多匝線圈與磁場(chǎng)電源相連通，以構(gòu)成磁場(chǎng)；

所述電場(chǎng)部包括通過(guò)導(dǎo)線相串連的電場(chǎng)電源、開(kāi)關(guān)；2個(gè)絕緣的旋轉(zhuǎn)搖臂對(duì)稱設(shè)置在激光輸出頭的兩側(cè)，且旋轉(zhuǎn)搖臂與激光輸出頭相平行；旋轉(zhuǎn)搖臂的頂端可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在激光輸出頭上，旋轉(zhuǎn)搖臂的底端設(shè)有用于沿轉(zhuǎn)子軸表面轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)電滑環(huán)，且導(dǎo)電滑環(huán)與導(dǎo)線的兩自由端連接。

進(jìn)一步，所述夾具為三爪卡盤。

進(jìn)一步，所述三爪卡盤包括圓柱形卡盤，卡盤的中心處開(kāi)有供轉(zhuǎn)子軸穿過(guò)的軸向通孔；卡盤的端面上設(shè)有三條徑向通槽，徑向通槽的內(nèi)端與軸向通孔連通，徑向通槽的外端延伸至卡盤的外邊緣；還包括與徑向通槽過(guò)盈配合的夾爪，夾爪的兩側(cè)設(shè)有外凸插邊，徑向通槽的側(cè)壁設(shè)有插槽，外凸插邊與所述插槽相配合。

進(jìn)一步，所述U形鐵芯通過(guò)第一固定架固定在激光輸出頭上。

進(jìn)一步，旋轉(zhuǎn)搖臂的頂端可轉(zhuǎn)動(dòng)地套設(shè)在第二固定架上，第二固定架固定在激光輸出頭上；旋轉(zhuǎn)搖臂的底端設(shè)有直角銅片，直角銅片從上到下分別設(shè)有第一螺栓和第二螺栓，第一螺栓和第二螺栓相垂直，且第二螺栓與夾具轉(zhuǎn)軸相平行，第二螺栓上可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)有導(dǎo)電滑環(huán)；導(dǎo)線的自由端設(shè)有叉形觸點(diǎn)，叉形觸點(diǎn)與第一螺栓相連接。

進(jìn)一步，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括固定在夾具轉(zhuǎn)軸外端的從動(dòng)齒輪和與從動(dòng)齒輪相嚙合的主動(dòng)齒輪，且主動(dòng)齒輪與電機(jī)的輸出軸固定連接，以驅(qū)動(dòng)夾具轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

本發(fā)明采用磁場(chǎng)、電場(chǎng)同時(shí)輔助激光再制造來(lái)調(diào)控熔池，有效調(diào)控激光再制造過(guò)程中熔池流體運(yùn)動(dòng)、內(nèi)部顆粒分布以及熔覆缺陷，得到性能優(yōu)良的轉(zhuǎn)子軸的熔覆涂層。將外加電場(chǎng)和外加磁場(chǎng)同時(shí)耦合在需要加工的轉(zhuǎn)子軸修復(fù)區(qū)域中，使熔池區(qū)域的導(dǎo)電流體受到電磁復(fù)合場(chǎng)的協(xié)同作用，產(chǎn)生可控洛侖茲力，以調(diào)控激光再制造過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光再制造區(qū)域中凝固組織和缺陷的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)激光再制造過(guò)程中的控形和控性效果。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中A部分的放大示意圖。

圖3是夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

參照附圖，一種用于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸的電磁復(fù)合場(chǎng)協(xié)同激光再制造裝置，包括激光熔覆部、用于固定轉(zhuǎn)子軸7且可驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子軸7轉(zhuǎn)動(dòng)的支架部、提供電場(chǎng)的電場(chǎng)部和提供磁場(chǎng)的磁場(chǎng)部；

所述激光熔覆部包括激光器和送粉器，激光器連接有垂直向下的激光輸出頭9，送粉器連接有垂直向下的送粉頭，且送粉頭設(shè)置在激光輸出頭9上；

所述支架部設(shè)置在激光熔覆部的下方，支架部包括用于水平固定轉(zhuǎn)子軸的夾具6和支撐夾具6的架體3，架體3豎直設(shè)置，架體3的底端固定在底板上2，架體3的頂端可轉(zhuǎn)動(dòng)地穿設(shè)有夾具轉(zhuǎn)軸5，所述夾具轉(zhuǎn)軸5水平設(shè)置，夾具轉(zhuǎn)軸5的內(nèi)端與夾具6固定連接，夾具轉(zhuǎn)軸5的外端連接有驅(qū)動(dòng)夾具轉(zhuǎn)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置；

所述磁場(chǎng)部包括開(kāi)口向下的U形鐵芯8，U形鐵芯8沿豎直方向固定在激光輸出頭9上，U形鐵芯8與激光輸出頭9相平行，且U形鐵芯8的兩端纏繞有多匝線圈11，所述多匝線圈11與磁場(chǎng)電源相連通，以構(gòu)成磁場(chǎng)；

所述電場(chǎng)部包括通過(guò)導(dǎo)線15相串連的電場(chǎng)電源16、開(kāi)關(guān)17；2個(gè)絕緣的旋轉(zhuǎn)搖臂12對(duì)稱設(shè)置在激光輸出頭9的兩側(cè)，旋轉(zhuǎn)搖臂12的頂端可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在激光輸出頭9上，旋轉(zhuǎn)搖臂12的底端設(shè)有用于沿轉(zhuǎn)子軸7表面轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)電滑環(huán)13，且導(dǎo)電滑環(huán)13與導(dǎo)線15的兩自由端電連接，以構(gòu)成電場(chǎng)。

定義導(dǎo)線15串聯(lián)電場(chǎng)電源16、開(kāi)關(guān)17后兩個(gè)導(dǎo)線頭為導(dǎo)線15的兩自由端。

所述夾具6為三爪卡盤。

所述三爪卡盤包括圓柱形卡盤63，卡盤63的中心處開(kāi)有供轉(zhuǎn)子軸7穿過(guò)的軸向通孔61；卡盤63的端面上設(shè)有三條徑向通槽64，徑向通槽64的內(nèi)端與軸向通61孔連通，徑向通槽64的外端延伸至卡盤63的外邊緣；還包括與徑向通槽64過(guò)盈配合的夾爪62，夾爪的62兩側(cè)設(shè)有外凸插邊，徑向通槽64的側(cè)壁設(shè)有插槽，外凸插邊與所述插槽相配合。

所述U形鐵芯8通過(guò)第一固定架18固定在激光輸出頭9上。

旋轉(zhuǎn)搖臂12的頂端可轉(zhuǎn)動(dòng)地套設(shè)在第二固定架10上，第二固定架10固定在激光輸出頭9上；旋轉(zhuǎn)搖臂12的底端設(shè)有直角銅片20，直角銅片20從上到下分別設(shè)有第一螺栓19和第二螺栓21，第一螺栓19和第二螺栓21相垂直，且第二螺栓21與夾具轉(zhuǎn)軸5相平行，第二螺栓21上可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)有導(dǎo)電滑環(huán)13；導(dǎo)線15的自由端設(shè)有叉形觸點(diǎn)14，叉形觸點(diǎn)14與第一螺栓19相連接。旋轉(zhuǎn)搖臂12絕緣，電場(chǎng)電源16、叉形觸點(diǎn)14、第一螺栓19、轉(zhuǎn)子軸7連通。

所述驅(qū)動(dòng)裝置包括固定在夾具轉(zhuǎn)軸5外端的從動(dòng)齒輪4和與從動(dòng)齒輪4相嚙合的主動(dòng)齒輪，且主動(dòng)齒輪與電機(jī)的輸出軸固定連接，以驅(qū)動(dòng)夾具轉(zhuǎn)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子軸7轉(zhuǎn)動(dòng)。

底板上2通過(guò)螺栓1固定在水平工作臺(tái)面上，架體3可設(shè)置成能上下升降的，方便調(diào)節(jié)豎直方向上的高度，以適應(yīng)不同直徑的轉(zhuǎn)子軸7的需要；所以可根據(jù)轉(zhuǎn)子軸7直徑的大小來(lái)移動(dòng)夾爪62，使夾爪62向卡盤63中間移動(dòng)，以?shī)A緊轉(zhuǎn)子軸7；旋轉(zhuǎn)搖臂12可根據(jù)轉(zhuǎn)子軸7直徑的大小繞第二固定架10轉(zhuǎn)動(dòng)，以確保導(dǎo)電滑環(huán)13始終貼合在轉(zhuǎn)子軸7上；同時(shí)可預(yù)先設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)子軸7的轉(zhuǎn)速。

調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電源提供的電流的大小和方向，以控制磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小和方向，可根據(jù)激光焦距來(lái)調(diào)節(jié)U型鐵芯8的位置，使U型鐵芯8的U型磁極與激光輸出頭9在同一鉛垂面上，磁極的運(yùn)動(dòng)方向與激光掃描方向一致，磁場(chǎng)可隨激光輸出頭9運(yùn)動(dòng)形成移動(dòng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)可始終保存作用于熔池，同時(shí)也可通過(guò)調(diào)節(jié)第一固定架18的位置來(lái)改變磁場(chǎng)方向。

導(dǎo)電滑環(huán)13套在第二螺栓21上，導(dǎo)電滑環(huán)13的滾動(dòng)面始終與轉(zhuǎn)子軸7的外表面接觸，可隨轉(zhuǎn)子軸7轉(zhuǎn)動(dòng)而滾動(dòng)。第一螺栓19與叉形觸點(diǎn)14相連，叉形觸點(diǎn)14再與導(dǎo)線15相連通電。旋轉(zhuǎn)搖臂12裝套在第二固定架10上，可根據(jù)轉(zhuǎn)子軸7直徑的大小繞第二固定架10轉(zhuǎn)動(dòng)，以確保導(dǎo)電滑環(huán)13始終貼合在轉(zhuǎn)子軸7上。按下開(kāi)關(guān)17，通電，生成電場(chǎng)作用于轉(zhuǎn)子軸7受損表面形成的熔池?？赏ㄟ^(guò)控制電場(chǎng)電流的大小和方向來(lái)改變作用電場(chǎng)的大小和方向。

對(duì)轉(zhuǎn)子軸7進(jìn)行熔覆前，先將轉(zhuǎn)子軸7受損部位進(jìn)行磨削，加工成一定深度和寬度的凹槽，成為待加工凹槽。將激光熔覆專用的合金粉末置于干燥箱內(nèi)120℃烘干2小時(shí)備用。再開(kāi)始激光熔覆再制造之前，現(xiàn)將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸7的凹槽表面用乙醇清理干凈。

將轉(zhuǎn)子軸7裝夾在夾具6上，激光照射位置為轉(zhuǎn)子軸7的待加工凹槽，將激光輸出頭9對(duì)準(zhǔn)待加工凹槽，并調(diào)整激光焦距，使激光焦點(diǎn)位于轉(zhuǎn)子軸7待加工凹槽的表面；調(diào)整第一固定架18，使U型鐵芯8盡可能靠近轉(zhuǎn)子軸7的待加工凹槽的正上方；調(diào)整第二固定架10和旋轉(zhuǎn)搖臂12，使導(dǎo)電滑環(huán)13貼合在轉(zhuǎn)子軸7待加工凹槽兩側(cè)。

熔覆時(shí)以激光輸出頭9固定、轉(zhuǎn)子軸7旋轉(zhuǎn)的方式加工。先開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)夾具6帶動(dòng)轉(zhuǎn)子軸7在一定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)；然后開(kāi)啟磁場(chǎng)電源，為轉(zhuǎn)子軸7待加工凹槽提供磁場(chǎng)強(qiáng)度約0.4T的磁場(chǎng)；最后按下開(kāi)關(guān)17開(kāi)啟電場(chǎng)電源16，調(diào)節(jié)電場(chǎng)電源的電壓使電流約為300A，為待加工凹槽提供電場(chǎng)。開(kāi)啟激光器(功率為1600W)、氣體保護(hù)裝置(氬氣流量為10L/h)和送粉器(送粉量為10g/min)，其中搭接率為40～50％，激光輸出頭以360mm/min的掃描速度按所設(shè)定的軌跡在轉(zhuǎn)子軸7待加工凹槽表面熔覆，通電、通磁直至掃描結(jié)束。關(guān)閉開(kāi)關(guān)17，關(guān)閉磁場(chǎng)電源的開(kāi)關(guān)，最后將修復(fù)后的轉(zhuǎn)子軸7經(jīng)車削、拋光使其達(dá)到目標(biāo)尺寸。

本說(shuō)明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。