本發明涉及一種用于汽輪機轉子軸的電磁復合場協同激光再制造裝置。

背景技術：

現如今，激光再制造技術已越來越多的應用于工業生產中。在工業應用中，汽輪機在高溫、高壓下長期運行，轉子軸極易磨損，影響了其使用的壽命。對于轉子軸的再制造技術通常有車削法、熱噴涂、電刷鍍、焊接等。近些年來，激光再制造技術也已逐漸用于修復受損汽輪機轉子軸中，取得顯著的經濟效益，但激光再制造修復轉子軸同時也存在一些問題：

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

在激光修復過程中需不斷優化工藝參數，不僅效率較低，而且激光工藝參數的調節只能改變熔覆層熔池的外部傳熱邊界，無法控制熔池內部流體的運動方向，難以對熔覆組織中晶粒的形態、尺寸、晶體取向進行靈活控制，獲得性能更優的熔覆涂層。

針對上述轉子軸激光再制造過程中遇到的問題，國內外學者多采用改變激光工藝參數或在熔覆粉末中添加稀土元素等方式來減少和消除裂紋和氣孔，改善熔覆層質量。但此類方法需要大量的實驗進行對比驗證，效率較低，不利于工程實際應用。本發明采用磁場和電場同時輔助激光再制造過程，可有效調控激光再制造過程中熔池流體運動、內部顆粒分布以及熔覆缺陷，起到顯著的控形控性效果，獲得性能優良的轉子軸修復層。

技術實現要素：

為克服背景技術中存在的缺陷，基于轉子軸激光再制造過程中遇到的問題，本發明提供一種用于汽輪機轉子軸的電磁復合場協同激光再制造裝置，在利用激光再制造修復轉子軸的過程中，將外加電場和磁場同時作用于熔池中，產生方向、大小、頻率靈活可控的洛倫茲力，有效調控激光熔池流體運動、內部顆粒分布以及減少修復層內的氣孔和裂紋，獲得性能優良的轉子軸修復層。

本發明解決上述問題的技術方案是：

一種用于汽輪機轉子軸的電磁復合場協同激光再制造裝置，包括激光熔覆部、用于固定轉子軸且可驅動轉子軸轉動的支架部、提供電場的電場部和提供磁場的磁場部；

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，且送粉頭設置在激光輸出頭上；

所述支架部設置在激光熔覆部的下方，支架部包括用于水平固定轉子軸的夾具和支撐夾具的架體，架體豎直設置，架體的底端固定在底板上，架體的頂端可轉動地穿設有夾具轉軸，所述夾具轉軸水平設置，夾具轉軸的內端與夾具固定連接，夾具轉軸的外端連接有驅動夾具轉軸轉動的驅動裝置；

所述磁場部包括開口向下的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電源相連通，以構成磁場；

所述電場部包括通過導線相串連的電場電源、開關；2個絕緣的旋轉搖臂對稱設置在激光輸出頭的兩側，且旋轉搖臂與激光輸出頭相平行；旋轉搖臂的頂端可轉動地設置在激光輸出頭上，旋轉搖臂的底端設有用于沿轉子軸表面轉動的導電滑環，且導電滑環與導線的兩自由端連接。

進一步，所述夾具為三爪卡盤。

進一步，所述三爪卡盤包括圓柱形卡盤，卡盤的中心處開有供轉子軸穿過的軸向通孔；卡盤的端面上設有三條徑向通槽，徑向通槽的內端與軸向通孔連通，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盈配合的夾爪，夾爪的兩側設有外凸插邊，徑向通槽的側壁設有插槽，外凸插邊與所述插槽相配合。

進一步，所述U形鐵芯通過第一固定架固定在激光輸出頭上。

進一步，旋轉搖臂的頂端可轉動地套設在第二固定架上，第二固定架固定在激光輸出頭上；旋轉搖臂的底端設有直角銅片，直角銅片從上到下分別設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軸相平行，第二螺栓上可轉動地設有導電滑環；導線的自由端設有叉形觸點，叉形觸點與第一螺栓相連接。

進一步，所述驅動裝置包括固定在夾具轉軸外端的從動齒輪和與從動齒輪相嚙合的主動齒輪，且主動齒輪與電機的輸出軸固定連接，以驅動夾具轉軸轉動，從而帶動轉子軸轉動。

本發明的有益效果主要表現在：

本發明采用磁場、電場同時輔助激光再制造來調控熔池，有效調控激光再制造過程中熔池流體運動、內部顆粒分布以及熔覆缺陷，得到性能優良的轉子軸的熔覆涂層。將外加電場和外加磁場同時耦合在需要加工的轉子軸修復區域中，使熔池區域的導電流體受到電磁復合場的協同作用，產生可控洛侖茲力，以調控激光再制造過程中的傳熱傳質行為，實現對激光再制造區域中凝固組織和缺陷的調控，實現激光再制造過程中的控形和控性效果。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構示意圖。

圖2是圖1中A部分的放大示意圖。

圖3是夾具的結構示意圖。

具體實施方式

參照附圖，一種用于汽輪機轉子軸的電磁復合場協同激光再制造裝置，包括激光熔覆部、用于固定轉子軸7且可驅動轉子軸7轉動的支架部、提供電場的電場部和提供磁場的磁場部；

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，且送粉頭設置在激光輸出頭9上；

所述支架部設置在激光熔覆部的下方，支架部包括用于水平固定轉子軸的夾具6和支撐夾具6的架體3，架體3豎直設置，架體3的底端固定在底板上2，架體3的頂端可轉動地穿設有夾具轉軸5，所述夾具轉軸5水平設置，夾具轉軸5的內端與夾具6固定連接，夾具轉軸5的外端連接有驅動夾具轉軸5轉動的驅動裝置；

所述磁場部包括開口向下的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與磁場電源相連通，以構成磁場；

所述電場部包括通過導線15相串連的電場電源16、開關17；2個絕緣的旋轉搖臂12對稱設置在激光輸出頭9的兩側，旋轉搖臂12的頂端可轉動地設置在激光輸出頭9上，旋轉搖臂12的底端設有用于沿轉子軸7表面轉動的導電滑環13，且導電滑環13與導線15的兩自由端電連接，以構成電場。

定義導線15串聯電場電源16、開關17后兩個導線頭為導線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的中心處開有供轉子軸7穿過的軸向通孔61；卡盤63的端面上設有三條徑向通槽64，徑向通槽64的內端與軸向通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過盈配合的夾爪62，夾爪的62兩側設有外凸插邊，徑向通槽64的側壁設有插槽，外凸插邊與所述插槽相配合。

所述U形鐵芯8通過第一固定架18固定在激光輸出頭9上。

旋轉搖臂12的頂端可轉動地套設在第二固定架10上，第二固定架10固定在激光輸出頭9上；旋轉搖臂12的底端設有直角銅片20，直角銅片20從上到下分別設有第一螺栓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與夾具轉軸5相平行，第二螺栓21上可轉動地設有導電滑環13；導線15的自由端設有叉形觸點14，叉形觸點14與第一螺栓19相連接。旋轉搖臂12絕緣，電場電源16、叉形觸點14、第一螺栓19、轉子軸7連通。

所述驅動裝置包括固定在夾具轉軸5外端的從動齒輪4和與從動齒輪4相嚙合的主動齒輪，且主動齒輪與電機的輸出軸固定連接，以驅動夾具轉軸5轉動，從而帶動轉子軸7轉動。

底板上2通過螺栓1固定在水平工作臺面上，架體3可設置成能上下升降的，方便調節豎直方向上的高度，以適應不同直徑的轉子軸7的需要；所以可根據轉子軸7直徑的大小來移動夾爪62，使夾爪62向卡盤63中間移動，以夾緊轉子軸7；旋轉搖臂12可根據轉子軸7直徑的大小繞第二固定架10轉動，以確保導電滑環13始終貼合在轉子軸7上；同時可預先設定電機的轉速，以預設轉子軸7的轉速。

調節磁場電源提供的電流的大小和方向，以控制磁場強度的大小和方向，可根據激光焦距來調節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，磁極的運動方向與激光掃描方向一致，磁場可隨激光輸出頭9運動形成移動磁場，磁場可始終保存作用于熔池，同時也可通過調節第一固定架18的位置來改變磁場方向。

導電滑環13套在第二螺栓21上，導電滑環13的滾動面始終與轉子軸7的外表面接觸，可隨轉子軸7轉動而滾動。第一螺栓19與叉形觸點14相連，叉形觸點14再與導線15相連通電。旋轉搖臂12裝套在第二固定架10上，可根據轉子軸7直徑的大小繞第二固定架10轉動，以確保導電滑環13始終貼合在轉子軸7上。按下開關17，通電，生成電場作用于轉子軸7受損表面形成的熔池。可通過控制電場電流的大小和方向來改變作用電場的大小和方向。

對轉子軸7進行熔覆前，先將轉子軸7受損部位進行磨削，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120℃烘干2小時備用。再開始激光熔覆再制造之前，現將汽輪機轉子軸7的凹槽表面用乙醇清理干凈。

將轉子軸7裝夾在夾具6上，激光照射位置為轉子軸7的待加工凹槽，將激光輸出頭9對準待加工凹槽，并調整激光焦距，使激光焦點位于轉子軸7待加工凹槽的表面；調整第一固定架18，使U型鐵芯8盡可能靠近轉子軸7的待加工凹槽的正上方；調整第二固定架10和旋轉搖臂12，使導電滑環13貼合在轉子軸7待加工凹槽兩側。

熔覆時以激光輸出頭9固定、轉子軸7旋轉的方式加工。先開啟驅動裝置，驅動裝置驅動夾具6帶動轉子軸7在一定轉速下旋轉；然后開啟磁場電源，為轉子軸7待加工凹槽提供磁場強度約0.4T的磁場；最后按下開關17開啟電場電源16，調節電場電源的電壓使電流約為300A，為待加工凹槽提供電場。開啟激光器(功率為1600W)、氣體保護裝置(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的掃描速度按所設定的軌跡在轉子軸7待加工凹槽表面熔覆，通電、通磁直至掃描結束。關閉開關17，關閉磁場電源的開關，最后將修復后的轉子軸7經車削、拋光使其達到目標尺寸。

本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發明的保護范圍也包括本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。