激光在水輪機修復過程中的應用研究

陳 德 光

(映秀灣水力發電總廠，四川 都江堰 611830)

1 概 述

激光制造技術一直是機械領域的前沿科技。為了更直觀的認知這種新型光學工藝，我廠組織有關人員前往重慶光學機械研究所進行了考察。筆者針對適用于我廠水輪機修復加工相關的幾種激光加工工藝：激光切割、激光焊接、激光淬火進行了介紹與研究。

2 目前我廠采用的水輪機修復工藝

目前，無論是我廠還是水輪機生產企業，對于過流部件的修復一般按照較老套的工藝流程進行。基本步驟如下：①車削掉抗磨面不銹鋼耐磨層；②等離子切割抗磨板并鉆塞焊孔；③鋪設抗磨板；④使用焊條塞焊抗磨板并堆焊圓弧過流面；⑤時效處理，消除焊接應力；⑥粗、精加工過流面；⑦對過流面噴涂硬質合金。但在整個修復過程中會出現切割產熱變形、焊接變形、精加工后表面硬度不夠、噴涂易起層等缺陷。

3 激光技術

激光的最初中文名被稱做“鐳射”，為英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation各單詞的頭一個字母組成的縮寫詞。意思是“受激輻射的光放大”。它是基于偉大的科學家愛因斯坦在1916年提出的一套全新的理論。經過幾十年的發展，激光應用現在幾乎是無處不在，它已經被廣泛用于生活、醫療、科研、工業、軍事等方方面面。激光主要具有四大特性：高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。正是利用其具有的奇異特性，激光在工業加工中得到了廣泛地應用：激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、激光熱處理、激光打標、玻璃雕刻、激光制膜、激光封裝、激光修復電路、激光布線技術、激光清洗等。筆者針對適用于水輪機修復加工的幾項激光加工工藝進行了介紹。

3.1 激光切割

激光切割是采用聚焦鏡將激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定的軌跡作相對運動，從而形成一定形狀的切縫。激光源一般采用二氧化碳激光束，工作功率為300～5 000 W。切割時能量的高度集中能夠實現迅速的局部加熱，僅有少量熱傳到金屬板材的其它部分，所造成的變形很小或沒有變形；可以非常準確地切割復雜形狀的坯料，且所切割的坯料不必再作進一步的處理。與傳統的切割方式相比，其不僅價格低，消耗低，并且因為激光加工對工件沒有機械壓力，所切割出來的產品效果、精度以及切割速度均非常良好，激光切割還具有操作安全、維修簡單、可連續24 h工作等特點。

目前國內激光技術能切割25 mm 厚的普通鋼板及16 mm厚的不銹鋼板。與我廠現行采用的氣割相比，具有切割整齊、無變形、效率高等優點。在研究所實驗車間，我們看到：在機械手的操作下，一張約3 000 mm×1 800 mm×5 mm的鋼板在很短的時間內就被切割為一塊塊約300 mm×100 mm的異性件，而且每塊還被打了兩個孔，平均每塊工件的下料加打孔時間不超過5 s。我們將剛切割下來的工件持在手中并沒有燙手的感覺，而且切割邊平整，無需再作進一步的打磨和機械加工。如果將激光切割工藝應用到抗磨板的下料過程中，切割下來的抗磨板不會因受熱而產生平面卷曲變形，兩焊接邊也無需再上刨床修整，無需再鉆引孔即可直接鋪設在頂蓋或底環本體上。這樣實施可減少多道工序，進而可以提高工效。

另外，激光打印標識也是利用激光切割原理，將具有較高能量密度的激光束照射在被加工件表面上，工件表面吸收激光能量，在照射區域內產生熱激發過程，從而使材料表面(或涂層)溫度上升，產生變態、熔融、燒蝕、蒸發等現象。若利用計算機CAD技術，將其應用在水輪機部件的標識管理上，盡顯科學、規范和耐久。

3.2 激光焊接

激光焊接為熔融焊接，它是將激光束做為能源沖擊在焊件接頭上。激光束由平面光學元件(如鏡子)導引，隨后再以反射聚焦元件或鏡片將光束投射在焊縫上。激光焊接屬非接觸式焊接，作業過程不需加壓，但需使用惰性氣體以防熔池氧化(填料金屬偶有使用)。激光焊接主要用于各種不允許焊接污染和變形的器件，具有強度高、剛性好；方向性強、加熱區窄、點溫度高，產生的焊接熱少；可焊接不同物性(如不同電阻)的兩種金屬等優點。在研究所現場進行的汽車零件軸齒的焊接中，我們看到焊接無需焊材，而是直接對軸、孔間隙兩側鋼材進行熔合。焊接完的工件無需打磨，用手一摸，焊接處的溫度還是不超過60 ℃。

映秀灣水力發電總廠所轄的耿站、漁站水頭接近300 m，水質較混濁，含有大量的金剛砂，故水輪機過流部件沖刷、氣蝕嚴重。若運用激光焊接技術，則宜采用高強度焊材，包括硬質合金進行表面堆焊。堆焊的工作最大可滲透厚度為19 mm。焊材形式為焊粉和焊絲。焊接過程就是將焊材與工件本體表面熔化并相互滲透。焊接后的表面強度完全滿足并超過設計要求。相比我廠目前采用的過流面精加工后噴涂硬質合金的工藝，在保證相同表面強度的情況下，激光焊接具有高抗沖擊、抗氣蝕的能力，特別是其具有不會起層剝離的優點。

3.3 激光淬火

激光淬火(固溶)即表面熱處理，它是利用高功率密度的激光束對金屬進行表面處理的方法。可以對材料實現相變硬化、表面合金化等表面改性處理，產生采用其它表面淬火工藝達不到的表面成分、組織、性能的改變。其顯著特點是：高速加熱，高速冷卻，獲得的組織細密、硬度高、抗疲勞和耐磨性能好。

在我廠過流部件修復過程中，采用的是Ni5馬氏體不銹鋼焊條焊接0Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼板材。在我廠以往的大面積堆焊過程中，特別是漁站底環泄水面堆焊后，由于熱控措施不夠完善，焊接后表面會出現很多看不見的、但通過著色探傷就會發現的裂紋，其表面強度、硬度及耐磨性都有所降低，嚴重影響過流部件的使用壽命，縮短了大修周期。精加工完畢，如果不采用噴涂硬質合金工藝，則可利用激光表面淬火技術很好地解決這個問題，其原理是：利用激光以103℃/s～107 ℃/s的加熱速度，把金屬表面加熱到僅低于熔點的臨界轉變溫度(深度由功率密度強弱、時間長短確定)，使其表面迅速奧氏體化，表面鉻碳化物全部或基本溶解，固溶于奧氏體中，在這個過程中合金發生再次結晶，獲得適宜的晶粒度。然后急速冷卻淬火，冷卻速度為1.7×103 ℃/s，進行馬氏體轉變，金屬表面迅速被強化，淬火后強度可大大提高。整個淬火過程由于是表面局部淬火，加熱區窄，工件整體溫度上不去，因此過流部件不會發生以往整體受熱而導致的變形。而且淬火后又消除了前面工序中冷、熱加工過程中產生的表面應力。最終獲得較高的表面硬度。

4 結 語

激光技術在我國已經逐漸融入各行各業。實物激光掃描后3D打印較為前沿，研究所向我們展示的人體頭部3D打印件可謂神形兼備。整套激光發生器價格已經降到適合民用的水平，激光設備均在兩百萬以內，這將大大促進激光技術在工業領域的廣泛應用。可以相信：在不久的將來，激光加工技術也會在水電廠水輪機檢修、過流部件修復過程中開花結果。

參考文獻：

[1] 朱林泉.現代激光工程應用技術[M].北京：國防工業出版社，2008.

[2] 嚴義章.模具材料及熱處理[M].北京：北京理工大學出版社，2009.

[3] 卞洪元.金屬工藝學[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[4] 葉建斌，戴春祥.激光切割技術[M].上海：上海科學技術出版社，2012.