CN115058708B - 水电机组失效组件在位增材修复设备及其使用方法 - Google Patents
水电机组失效组件在位增材修复设备及其使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种水电机组失效组件在位增材修复设备及其使用方法。本发明利用了运动机构的磁吸装置自由吸附特点，可实现快速响应的在位增材修复加工，同时由于可变光斑激光熔覆加工头光学模块可变调焦、可偏转的特点，能聚焦辐照出不同尺寸的光斑和光斑扫描范围，可以针对性的解决水电机组不同失效组件的增材修复以及局部选区的增材修复加工，激光熔覆修复具备能量集中、热累积小、修复层质量高、效果好的优势，还能利用激光光纤柔性化输出的特点，能更好的适应水电机组在位的多场景、多角度的增材修复加工任务，满足快速响应的维保需求。
Description
技术领域
本发明涉及增材修复技术领域，尤其涉及一种水电机组失效组件在位增材修复设备及其使用方法。
背景技术
中国是世界上水力资源最丰富的国家之一，水电站分布广泛，但是水电站的水电机组在工作过程中各类组件会持续受到不同程度地损耗，如：电气组件的腐蚀、氧化等，机械组件的磨蚀、气蚀、冲刷磨损等，如维保不及时的话会大大降低使用寿命，而且一旦组件失效则会影响水电机组的发电效率，严重的话会导致停机等事故发生。
现有水电机组各类组件出现损坏情况时一般在维保期间采取整体更换备品备件或用堆焊、喷涂、刷镀等手段对损坏区域进行局部修补，但是失效组件整体更换的成本高，周期长，而堆焊、喷涂等加工方式会存在表面修复精度差，刷镀结合强度差等问题；因此需要一种能实现低热累积、高修复质量的柔性化加工装置。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种水电机组失效组件在位增材修复设备及其使用方法。
本发明的一种水电机组失效组件在位增材修复设备，设备包括可变光斑激光熔覆加工装置、带磁吸装置的运动机构，所述可变光斑激光熔覆加工装置设置在所述运动机构上，所述运动机构带动所述可变光斑激光熔覆加工装置运动，所述可变光斑激光熔覆加工装置包括可变光斑激光熔覆加工头、激光发生器和气载式供粉器；所述可变光斑激光熔覆加工头包括激光熔覆加工头本体和设置于所述激光熔覆加工头本体上熔覆喷头，所述熔覆喷头上设有送粉通道，所述气载式供粉器通过送粉通道与所述熔覆喷头相连通；所述激光熔覆加工头本体内部为
型腔体，所述/>
型腔体的水平段沿激光光路方向依次设置有可变调焦光学准直模块、可变调焦光学聚焦模块、可偏转光学反射模块，所述激光熔覆加工头本体的激光入射端设置有光纤接头，用以与激光发生器的传输光纤对接，所述激光发生器发送的激光通过传输光纤、光纤接头传输到所述/>
型腔体，并依次经可变调焦光学准直模块、可变调焦光学聚焦模块、可偏转光学反射模块后，将激光反射至所述/>
型腔体的竖直段，由熔覆喷头输出至待加工工件表面以形成熔池，所述送粉通道用于与外部气载式供粉器连接，由气载式供粉器送出的熔覆粉末经送粉通道后输送到光斑辐照区域的熔池内实现激光熔覆加工；通过对可变调焦光学准直模块和可变调焦光学聚焦模块的可变调焦机构进行单独调节或共同调节轴向位置的升降，实现圆形光斑直径大小可变；所述可偏转光学反射模块包括反射模块偏转电机、偏转反射镜和聚焦模块，反射模块偏转电机对可偏转光学反射模块进行偏转角度的调节控制，实现激光聚焦辐照于待加工区域表面的直径大小可变的圆形光斑在待加工区域表面单方向扫描形成特定线型或矩形设定尺寸的光斑。
进一步的，还包括对可变光斑激光熔覆加工头和激光发生器进行冷却的冷水机组。
进一步的，还包括保护镜模块，所述保护镜模块设置在所述
型腔体的竖直段，激光束在可变光斑激光熔覆加工头内部依次经过可变调焦光学准直模块、可变调焦光学聚焦模块、可偏转光学反射模块、保护镜模块后，聚焦辐照于待加工区域形成设定尺寸的光斑。
进一步的，所述光学准直模块或光学聚焦模块的可变调焦结构能通过单独调节或共同调节使所述圆形光斑直径大小可在1-6mm范围内可变。
进一步的，控制可偏转光学反射模块的偏转角度可使所述扫描形成特定线型或矩形光斑的扫场范围1-30mm可调。
进一步的，所述激光发生器为波长900-1080nm的红外波段激光发生器、或波长500-560nm的绿光波段激光发生器或波长400-480nm的蓝光波段激光发生器。
进一步的，所述气载式供粉器采用高精度电机控制内部装填粉末的粉盘在单位时间的转速以调整单位时间的供粉量多少，同时利用惰性气体载粉经由外接的柔性输送管道送至可变光斑激光熔覆加工头的熔覆喷头；惰性气体为氩气、氮气、氦气的一种。
进一步的，所述可变光斑激光熔覆加工头的熔覆喷头的送粉方式可以是同轴光内送粉式，也可以是光外夹角旁路送粉式的一种。
进一步的，所述运动机构为多自由度工业机器人或多自由度模组的组合。
一种水电机组失效组件在位增材修复设备的使用方法，使用方法具体如下：确定水电机组失效组件部位，将带磁吸装置的运动机构安装于失效组件附近，由运动机构挂载所述可变光斑激光熔覆加工头，其中激光发生器发出的激光束经由自身耦合的传输光纤输出与可变光斑激光熔覆加工头尾部的光纤接头模块相连接锁紧，激光束在可变光斑激光熔覆加工头内部依次经过可变调焦光学准直模块、可变调焦光学聚焦模块、可偏转光学反射模块、保护镜模块后，聚焦辐照于待加工区域形成设定尺寸的光斑，可对光学准直模块以及光学聚焦模块的可变调焦机构进行调节，实现上述圆形光斑直径大小可变；也可以通过反射模块偏转电机对可偏转光学反射模块进行偏转角度的调节控制，实现上述直径大小可变的圆形光斑在待加工区域表面一定扫场范围内扫描形成线型或矩形设定尺寸的光斑；可通过在激光发生器控制系统中设定激光功率使得上述设定尺寸的光斑获得激光能量熔化所辐照区域形成熔池，同时由气载式供粉器与可变光斑激光熔覆加工头相连接的输送管路利用惰性气体将增材所用的粉末材料输送至上述熔池内快速烧结、冷却形成与基材呈冶金结合的一定厚度覆层，最后由运动机构根据设计轨迹带动挂载的可变光斑激光熔覆加工头完成设计轨迹的增材修复加工，水冷机组用来冷却激光发生器和可变光斑激光熔覆加工头，电源系统为以上装置供电。
本发明提供了一种水电机组失效组件在位增材修复设备及方法，利用了运动机构的磁吸装置自由吸附特点，可实现快速响应的在位增材修复加工，同时由于可变光斑激光熔覆加工头光学模块可变调焦、可偏转的特点，能聚焦辐照出不同尺寸的光斑和光斑扫描范围，可以针对性的解决水电机组不同失效组件的增材修复以及局部选区的增材修复加工，激光熔覆修复具备能量集中、热累积小、修复层质量高、效果好的优势，还能利用激光光纤柔性化输出的特点，能更好的适应水电机组在位的多场景、多角度的增材修复加工任务，满足快速响应的维保需求。
附图说明
图1是可变光斑激光熔覆加工头的结构示意图；
图2是可变光斑激光熔覆加工头的整体光路结构示意图；
图3是可变调焦的光学原理结构示意图；
图4是可偏转角度控制的光学原理结构示意图；
图5是激光熔覆加工时可变光斑表现形式的示意图。
图6是本发明的水电机组失效组件在位增材修复设备布置示意图。
1、可变光斑激光熔覆加工装置；2、运动机构；3、可变光斑激光熔覆加工头；4、激光发生器；5、气载式供粉器；6、激光熔覆加工头本体；7、熔覆喷头；8、送粉通道；9、可变调焦光学准直模块；10、可变调焦光学聚焦模块；11、可偏转光学反射模块；12、光纤接头；13、传输光纤；14、反射模块偏转电机；15、偏转反射镜；16、聚焦模块；17、保护镜模块；18、水冷机组；19、可变调焦机构；20、电源系统；21、控制系统。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1-6所示，本发明的一种水电机组失效组件在位增材修复设备，设备包括可变光斑激光熔覆加工装置1、带磁吸装置的运动机构2，可变光斑激光熔覆加工装置1设置在运动机构2上，运动机构2带动可变光斑激光熔覆加工装置1运动，可变光斑激光熔覆加工装置1包括可变光斑激光熔覆加工头3、激光发生器4和气载式供粉器5；可变光斑激光熔覆加工头3包括激光熔覆加工头本体6和设置于激光熔覆加工头本体6上熔覆喷头7，熔覆喷头7上设有送粉通道8，气载式供粉器5通过送粉通道8与熔覆喷头7相连通；激光熔覆加工头本体6内部为
型腔体，/>
型腔体的水平段沿激光光路方向依次设置有可变调焦光学准直模块9、可变调焦光学聚焦模块10、可偏转光学反射模块11，激光熔覆加工头本体6的激光入射端设置有光纤接头12，用以与激光发生器4的传输光纤13对接，激光发生器4发送的激光通过传输光纤13、光纤接头12传输到/>
型腔体，并依次经可变调焦光学准直模块9、可变调焦光学聚焦模块10、可偏转光学反射模块11后，将激光反射至/>
型腔体的竖直段，由熔覆喷头7输出至待加工工件表面以形成熔池，送粉通道8用于与外部气载式供粉器5连接，由气载式供粉器5送出的熔覆粉末经送粉通道8后输送到光斑辐照区域的熔池内实现激光熔覆加工；通过对可变调焦光学准直模块9和可变调焦光学聚焦模块10的可变调焦机构19进行单独调节或共同调节轴向位置的升降，实现圆形光斑直径大小可变；可偏转光学反射模块11包括反射模块偏转电机14、偏转反射镜15和聚焦模块16，反射模块偏转电机14对可偏转光学反射模块11进行偏转角度的调节控制，实现激光聚焦辐照于待加工区域表面的直径大小可变的圆形光斑在待加工区域表面单方向扫描形成特定线型或矩形设定尺寸的光斑。
本发明提供了一种水电机组失效组件在位增材修复设备及方法，利用了运动机构2的磁吸装置自由吸附特点，可实现快速响应的在位增材修复加工，同时由于可变光斑激光熔覆加工头3光学模块可变调焦、可偏转的特点，能聚焦辐照出不同尺寸的光斑和光斑扫描范围，可以针对性的解决水电机组不同失效组件的增材修复以及局部选区的增材修复加工，激光熔覆修复具备能量集中、热累积小、修复层质量高、效果好的优势，还能利用激光光纤柔性化输出的特点，能更好的适应水电机组在位的多场景、多角度的增材修复加工任务，满足快速响应的维保需求。
运动机构2的磁吸装置，由多个磁吸区域组合而成，能实现分区域或全区域吸附于失效组件周围以固定运动机构2。
设备还可以包括对可变光斑激光熔覆加工头3和激光发生器4进行冷却的冷水机组。
设备还可以包括保护镜模块17，保护镜模块17设置在
型腔体的竖直段，激光束在可变光斑激光熔覆加工头3内部依次经过可变调焦光学准直模块9、可变调焦光学聚焦模块10、可偏转光学反射模块11、保护镜模块17后，聚焦辐照于待加工区域形成设定尺寸的光斑。
光学准直模块或光学聚焦模块16的可变调焦结构能通过单独调节或共同调节使圆形光斑直径大小可在1-6mm范围内可变。
控制可偏转光学反射模块11的偏转角度可使扫描形成特定线型或矩形光斑的扫场范围1-30mm可调。
激光发生器4为波长900-1080nm的红外波段激光发生器、或波长500-560nm的绿光波段激光发生器4或波长400-480nm的蓝光波段激光发生器。
气载式供粉器5采用高精度电机控制内部装填粉末的粉盘在单位时间的转速以调整单位时间的供粉量多少，同时利用惰性气体载粉经由外接的柔性输送管道送至可变光斑激光熔覆加工头3的熔覆喷头7；惰性气体为氩气、氮气、氦气的一种。
可变光斑激光熔覆加工头3的熔覆喷头7的送粉方式可以是同轴光内送粉式，也可以是光外夹角旁路送粉式的一种。
运动机构2为多自由度工业机器人或多自由度模组的组合。
一种水电机组失效组件在位增材修复设备的使用方法，使用方法具体如下：确定水电机组失效组件部位，将带磁吸装置的运动机构2安装于失效组件附近，由运动机构2挂载可变光斑激光熔覆加工头3，其中激光发生器4发出的激光束经由自身耦合的传输光纤13输出与可变光斑激光熔覆加工头3尾部的光纤接头12模块相连接锁紧，激光束在可变光斑激光熔覆加工头3内部依次经过可变调焦光学准直模块9、可变调焦光学聚焦模块10、可偏转光学反射模块11、保护镜模块17后，聚焦辐照于待加工区域形成设定尺寸的光斑，可对光学准直模块以及光学聚焦模块16的可变调焦机构19进行调节，实现上述圆形光斑直径大小可变；也可以通过反射模块偏转电机14对可偏转光学反射模块11进行偏转角度的调节控制，实现上述直径大小可变的圆形光斑在待加工区域表面一定扫场范围内扫描形成线型或矩形设定尺寸的光斑；可通过在激光发生器4控制系统中设定激光功率使得上述设定尺寸的光斑获得激光能量熔化所辐照区域形成熔池，同时由气载式供粉器5与可变光斑激光熔覆加工头3相连接的输送管路利用惰性气体将增材所用的粉末材料输送至上述熔池内快速烧结、冷却形成与基材呈冶金结合的一定厚度覆层，最后由运动机构2根据设计轨迹带动挂载的可变光斑激光熔覆加工头3完成设计轨迹的增材修复加工，水冷机组18用来冷却激光发生器4和可变光斑激光熔覆加工头3，电源系统20为以上装置供电，控制系统21控制上述操作。
结合图2、图3和图5所示，激光束输入到可变光斑激光熔覆加工头3内部依次经过可变调焦光学准直模块9、可变调焦光学聚焦模块10；本发明所提供的可变调焦光学准直模块9和可变调焦光学聚焦模块10可以根据需要得到的光斑尺寸进行轴向方向的移动去实现激光聚焦辐照于待加工区域表面的圆形光斑直径大小的可变；具体实现方式为：通过对光学准直模块以及光学聚焦模块16的可变调焦机构19进行单独调节或共同调节轴向位置的升降，实现所述圆形光斑直径大小可在1-6mm范围内可变。
结合图2、图3、图4、图5所示，本发明所提供的可变光斑激光熔覆加工头3内置的可偏转光学反射模块11在反射激光束后，能通过反射模块偏转电机14对可偏转光学反射模块11进行偏转角度的调节控制，实现激光聚焦辐照于待加工区域表面的直径大小可变的圆形光斑在待加工区域表面单方向扫描形成特定线型或矩形设定尺寸的光斑，所述偏转角度可使单方向的扫场范围在1-30mm可调。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种水电机组失效组件在位增材修复设备，其特征在于，设备包括可变光斑激光熔覆加工装置（1）、带磁吸装置的运动机构（2），所述可变光斑激光熔覆加工装置（1）设置在所述运动机构（2）上，所述运动机构（2）带动所述可变光斑激光熔覆加工装置（1）运动，所述可变光斑激光熔覆加工装置（1）包括可变光斑激光熔覆加工头（3）、激光发生器（4）和气载式供粉器（5）；所述可变光斑激光熔覆加工头（3）包括激光熔覆加工头本体（6）和设置于所述激光熔覆加工头本体（6）上熔覆喷头（7），所述熔覆喷头（7）上设有送粉通道（8），所述气载式供粉器（5）通过送粉通道（8）与所述熔覆喷头（7）相连通；所述激光熔覆加工头本体（6）内部为ך型腔体，所述ך型腔体的水平段沿激光光路方向依次设置有可变调焦光学准直模块（9）、可变调焦光学聚焦模块（10）、可偏转光学反射模块（11），所述激光熔覆加工头本体（6）的激光入射端设置有光纤接头（12），用以与激光发生器（4）的传输光纤（13）对接，所述激光发生器（4）发送的激光通过传输光纤（13）、光纤接头（12）传输到所述ך型腔体，并依次经可变调焦光学准直模块（9）、可变调焦光学聚焦模块（10）、可偏转光学反射模块（11）后，将激光反射至所述ך型腔体的竖直段，由熔覆喷头（7）输出至待加工工件表面以形成熔池，所述送粉通道（8）用于与外部气载式供粉器（5）连接，由气载式供粉器（5）送出的熔覆粉末经送粉通道（8）后输送到光斑辐照区域的熔池内实现激光熔覆加工；通过对可变调焦光学准直模块（9）和可变调焦光学聚焦模块（10）的可变调焦机构（19）进行单独调节或共同调节轴向位置的升降，实现圆形光斑直径大小可变；所述可偏转光学反射模块（11）包括反射模块偏转电机（14）、偏转反射镜（15）和聚焦模块（16），反射模块偏转电机（14）对可偏转光学反射模块（11）进行偏转角度的调节控制，实现激光聚焦辐照于待加工区域表面的直径大小可变的圆形光斑在待加工区域表面单方向扫描形成特定线型或矩形设定尺寸的光斑。
2.如权利要求1所述的一种水电机组失效组件在位增材修复设备，其特征在于，还包括对可变光斑激光熔覆加工头（3）和激光发生器（4）进行冷却的水冷机组（18）。
3.如权利要求1所述的一种水电机组失效组件在位增材修复设备，其特征在于，还包括保护镜模块（17），所述保护镜模块（17）设置在所述ך型腔体的竖直段，激光束在可变光斑激光熔覆加工头（3）内部依次经过可变调焦光学准直模块（9）、可变调焦光学聚焦模块（10）、可偏转光学反射模块（11）、保护镜模块（17）后，聚焦辐照于待加工区域形成设定尺寸的光斑。
4.如权利要求1所述的一种水电机组失效组件在位增材修复设备，其特征在于，所述光学准直模块或光学聚焦模块（16）的可变调焦结构能通过单独调节或共同调节使所述圆形光斑直径大小可在1-6mm范围内可变。
5.如权利要求1所述的一种水电机组失效组件在位增材修复设备，其特征在于，控制可偏转光学反射模块（11）的偏转角度可使所述扫描形成特定线型或矩形光斑的扫场范围1-30mm可调。
6.如权利要求1所述的一种水电机组失效组件在位增材修复设备，其特征在于，所述激光发生器（4）为波长900-1080nm的红外波段激光发生器、或波长500-560nm的绿光波段激光发生器（4）或波长400-480nm的蓝光波段激光发生器。
7.如权利要求1所述的一种水电机组失效组件在位增材修复设备，其特征在于，所述气载式供粉器（5）采用高精度电机控制内部装填粉末的粉盘在单位时间的转速以调整单位时间的供粉量多少，同时利用惰性气体载粉经由外接的柔性输送管道送至可变光斑激光熔覆加工头（3）的熔覆喷头（7）；惰性气体为氩气、氮气、氦气的一种。
8.如权利要求1所述的一种水电机组失效组件在位增材修复设备，其特征在于：所述可变光斑激光熔覆加工头（3）的熔覆喷头（7）的送粉方式可以是同轴光内送粉式，也可以是光外夹角旁路送粉式的一种。
9.如权利要求1所述的一种水电机组失效组件在位增材修复设备，其特征在于：所述运动机构（2）为多自由度工业机器人或多自由度模组的组合。
10.如权利要求1所述的一种水电机组失效组件在位增材修复设备的使用方法，其特征在于：使用方法具体如下：确定水电机组失效组件部位，将带磁吸装置的运动机构（2）安装于失效组件附近，由运动机构（2）挂载所述可变光斑激光熔覆加工头（3），其中激光发生器（4）发出的激光束经由自身耦合的传输光纤（13）输出与可变光斑激光熔覆加工头（3）尾部的光纤接头（12）模块相连接锁紧，激光束在可变光斑激光熔覆加工头（3）内部依次经过可变调焦光学准直模块（9）、可变调焦光学聚焦模块（10）、可偏转光学反射模块（11）、保护镜模块（17）后，聚焦辐照于待加工区域形成设定尺寸的光斑，可对光学准直模块以及光学聚焦模块（16）的可变调焦机构（19）进行调节，实现上述圆形光斑直径大小可变；也可以通过反射模块偏转电机（14）对可偏转光学反射模块（11）进行偏转角度的调节控制，实现上述直径大小可变的圆形光斑在待加工区域表面一定扫场范围内扫描形成线型或矩形设定尺寸的光斑，可通过在激光发生器（4）控制系统中设定激光功率使得上述设定尺寸的光斑获得激光能量熔化所辐照区域形成熔池，同时由气载式供粉器（5）与可变光斑激光熔覆加工头（3）相连接的输送管路利用惰性气体将增材所用的粉末材料输送至上述熔池内快速烧结、冷却形成与基材呈冶金结合的一定厚度覆层，最后由运动机构（2）根据设计轨迹带动挂载的可变光斑激光熔覆加工头（3）完成设计轨迹的增材修复加工，水冷机组（18）用来冷却激光发生器（4）和可变光斑激光熔覆加工头（3），电源系统为以上装置供电。
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