CN109604829A - 机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置及其焊修方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柴油机增压器焊修技术领域，尤其是一种机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置及其焊修方法，对喷嘴环裂纹进行切割打磨处理形成梯形坡口，使用半导体激光器和同轴送粉、送保护气的激光熔覆头，配合随形铜块进行单面熔覆成型，再经过探伤、打磨修型，使喷嘴环叶片恢复原形继续使用，不同部位裂纹使用专用的焊接控制程序，可以将原本超标的喷嘴环修复后再次使用，单个修程可以降低10%以上的增压器修理成本，同时避免各种原因造成的交货延误，极大减少资源浪费，该工艺也可以应用到其它型号的增压器喷嘴环上，有效降低其修理成本。

Description

机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置及其焊修方法

技术领域

本发明涉及柴油机增压器焊修技术领域，尤其是一种机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置及其焊修方法。

背景技术

HXn5型机车柴油机增压器关键部件全部进口，价格高、周期长，其中的喷嘴环按照国内的机车增压器检修规范，允许裂纹数量不得超过2条、长度不得超过5mm，而实际情况是随着运用时间延长，叶片根部出现的裂纹也大大增加，规定修程中的喷嘴环几乎全部裂纹超限，如全部更换对我司和客户都是极大的成本压力，同时也是极大的资源浪费，因此需要选择适当的修复方法，实现喷嘴环修复再利用。

该喷嘴环为整体离心铸造成型，叶片迎风面厚实而出风口轻薄，中间过渡部分为厚度渐变的曲面，以实现导风和卸压作用，同时叶片两端又连接厚实的内外壁来保障整体强度，导致叶片出风口根部厚度变化大、承压大，容易出现裂纹，并且裂纹会向外壁内部延伸。该喷嘴环的材料成分有铁、锰、钴、钨、铌、铬、镍，属于耐高温铁镍合金，修复时需要较高温度才能融化，而叶片出风口不足1.5mm的厚度又要求修复时发热量必须小，否则会出现热裂纹，对此，普通的氩弧焊甚至微电弧焊都不能满足要求。

而目前国内利用激光熔覆工艺进行零件修复的专利和报道很多，如：公开号为CN101109083的中国发明专利《发动机曲轴激光熔覆修复工艺》、公开号为CN101204757的中国发明专利《一种薄壁圆通建的激光熔覆工艺》、公开号为CN101100746的中国发明专利《渗碳类重载齿类件齿面激光熔覆粉末材料及修复方法》等。这些专利都是应用激光焊修技术对特定零件进行局部修复，充分利用了激光焊接能量集中、发热量小的优点，但用于机车柴油机增压器的喷嘴环，存在整体公差大、裂纹数量多、裂纹位置不易焊接的特点，需要进行设备、工艺、材料的自行开发。

发明内容

为了克服现有的上述的不足，本发明提供了一种机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置及其焊修方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置，包括T型槽底座、双向变位器、三爪卡盘、直线机器人、激光熔覆头和激光器，装夹有喷嘴环的三爪卡盘通过双向变位器固定安装在T型槽底座上，喷嘴环上方通过直线机器人设置有激光熔覆头，激光熔覆头一端通过光纤连接激光器，激光熔覆头另一端通过管道分别连接有冷水机、氩气瓶组和送粉机。

进一步的，激光器为半导体激光器，功率为200~2000W可调。

进一步的，冷水机提供激光器和激光熔覆头的冷却用水并循环冷却。

进一步的，氩气瓶组提供高纯度氩气作为焊接保护气和金属粉末输送的动力气。

进一步的，送粉机使用高纯氩气输送高镍硬质合金粉末做焊接材料。

进一步的，高镍硬质合金粉末含有50%以上的硬质金属，硬质金属为镍、铬、钽、铌、钛和钼。

一种机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置的焊修方法，包括以下焊修步骤：

第一步：开焊接坡口：对喷嘴环进行检查，找出所有的喷嘴环的裂纹，用标准卡板对裂纹进行标记，再切割、打磨，将所有裂纹做成统一规格的坡口；

第二步：光束定位：将喷嘴环用三爪卡盘固定在双向变位器上，调整双向变位器的角度使喷嘴环斜置合适的位置，再调整激光熔覆头的位置，将导引光束定位在喷嘴环开口上，从而确定激光熔覆头的X、Y轴方位，通过高度块确定激光熔覆头的Z轴方位，此时激光熔覆头出光方位竖直向下，与喷嘴环开口成一定角度，可以使焊缝与喷嘴环外壁充分融合；

第三步：激光熔覆：在喷嘴环开口底部垫上随形铜块，确保铜块牢靠，该铜块形状按喷嘴环的形状配制，垫在开口下面既可以减少粉末流失也可以保证焊缝底部的形状，随后启动焊接程序，激光熔覆头先出保护气、再送粉、最后出光，直线机器人同时按预定程序运动，使金属粉末在喷嘴环和铜块形成的熔池内与喷嘴环的材料融合、凝固形成一层焊缝，通过合适的送粉速度、激光功率、机器人移动速度，可以确保焊缝有足够的厚度把喷嘴环开口完全焊满，熔池填满后，程序自动结束出光、送粉、送气，激光熔覆头回到原位待机；

第四步：重复焊补：双向变位器转动一定角度，使下一处喷嘴环开口移动到当前位置，重复工序第三步完成焊补，然后重复操作直至所有喷嘴环裂纹开口焊补完成；

第五步：焊缝修形和检查：对焊缝进行打磨，以保证更好的连接强度，修形后的焊缝经渗透探伤检查没有裂纹则修复完成。

本发明的有益效果是，对喷嘴环裂纹进行切割打磨处理形成梯形坡口，使用半导体激光器和同轴送粉、送保护气的激光熔覆头，配合随形铜块进行单面熔覆成型，再经过探伤、打磨修型，使喷嘴环叶片恢复原形继续使用，不同部位裂纹使用专用的焊接控制程序，可以批量生产并保持工艺稳定。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图中1.T型槽底座，2.双向变位器，3.三爪卡盘，4.喷嘴环，5.激光熔覆头，6.直线机器人，7.光纤，8.激光器，9.冷水机，10.氩气瓶组，11.送粉机，12.管道。

具体实施方式

如图1是本发明的结构示意图，一种机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置，包括T型槽底座1、双向变位器2、三爪卡盘3、直线机器人6、激光熔覆头5和激光器8，装夹有喷嘴环4的三爪卡盘3通过双向变位器2固定安装在T型槽底座1上，喷嘴环4上方通过直线机器人6设置有激光熔覆头5，激光熔覆头5一端通过光纤7连接激光器8，激光熔覆头5另一端通过管道12分别连接有冷水机9、氩气瓶组10和送粉机11，激光器8为半导体激光器，功率为200~2000W可调，冷水机9提供激光器8和激光熔覆头5的冷却用水并循环冷却，氩气瓶组10提供高纯度氩气作为焊接保护气和金属粉末输送的动力气，送粉机11使用高纯氩气输送高镍硬质合金粉末做焊接材料，高镍硬质合金粉末含有50%以上的硬质金属，硬质金属为镍、铬、钽、铌、钛和钼。其中，T型槽底座1作为支撑平台，其上固定有双向变位器2，可以绕Z轴（重力方向）和Y轴（底座宽度方向）旋转；双向变位器2上安装三爪卡盘3，待焊修的零件喷嘴环4固定在三爪卡盘3上，三轴直线机器人6提供高精度的移动能力，其悬臂头部固定了激光熔覆头5，激光熔覆头5通过光纤7连接半导体激光器8，通过管路12连接冷水机9、氩气瓶组10和送粉机11，其自身集光、粉、气、水于一体，保证了焊接工作的稳定性和精度。半导体激光器8功率为200~2000W可调，冷水机9提供激光器8和激光熔覆头5的冷却用水并循环冷却，氩气瓶组10提供高纯度氩气作为焊接保护气和金属粉末输送的动力气，送粉机11使用高纯氩气输送高镍硬质合金粉末做焊接材料，该高镍硬质合金粉末含有50%以上的镍以及铬、钽、铌、钛、钼等硬质金属，耐高温不易变形，比喷嘴环4的材料更为优良。

一种机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置的焊修方法，包括以下焊修步骤：第一步：开焊接坡口：对喷嘴环进行检查，找出所有的喷嘴环的裂纹，用标准卡板对裂纹进行标记，再切割、打磨，将所有裂纹做成统一规格的坡口；第二步：光束定位：将喷嘴环用三爪卡盘固定在双向变位器上，调整双向变位器的角度使喷嘴环斜置合适的位置，再调整激光熔覆头的位置，将导引光束定位在喷嘴环开口上，从而确定激光熔覆头的X、Y轴方位，通过高度块确定激光熔覆头的Z轴方位，此时激光熔覆头出光方位竖直向下，与喷嘴环开口成一定角度，可以使焊缝与喷嘴环外壁充分融合；第三步：激光熔覆：在喷嘴环开口底部垫上随形铜块，确保铜块牢靠，该铜块形状按喷嘴环的形状配制，垫在开口下面既可以减少粉末流失也可以保证焊缝底部的形状，随后启动焊接程序，激光熔覆头先出保护气、再送粉、最后出光，直线机器人同时按预定程序运动，使金属粉末在喷嘴环和铜块形成的熔池内与喷嘴环的材料融合、凝固形成一层焊缝，通过合适的送粉速度、激光功率、机器人移动速度，可以确保焊缝有足够的厚度把喷嘴环开口完全焊满，熔池填满后，程序自动结束出光、送粉、送气，激光熔覆头回到原位待机；第四步：重复焊补：双向变位器转动一定角度，使下一处喷嘴环开口移动到当前位置，重复工序第三步完成焊补，然后重复操作直至所有喷嘴环裂纹开口焊补完成；第五步：焊缝修形和检查：对焊缝进行打磨，以保证更好的连接强度，修形后的焊缝经渗透探伤检查没有裂纹则修复完成。

以一处叶片出风口根部裂纹为例，本焊修装置的焊修方法如下：工序第一步是开焊接坡口：对喷嘴环4进行检查，找出所有的叶片出风口根部裂纹，用标准卡板对裂纹进行标记，再切割、打磨，将所有裂纹做成统一规格的坡口，叶片留斜边、外壁留直边；工序第二步是光束定位：将喷嘴环4用三爪卡盘3固定在双向变位器2上，调整双向变位器2角度使喷嘴环4斜置合适的位置，再调整激光熔覆头5的位置，将导引光束定位在喷嘴环4叶片开口上，从而确定激光熔覆头5的X、Y轴方位，通过高度块确定激光熔覆头5的Z轴方位，此时激光熔覆头5出光方位竖直向下，与叶片开口成一定角度，可以使焊缝与外壁充分融合；工序第三步是激光熔覆：在叶片开口底部垫上随形铜块，确保铜块牢靠，该铜块形状按叶片之间的形状配制，垫在开口下面既可以减少粉末流失也可以保证焊缝底部的形状，启动焊接程序，激光熔覆头5先出保护气、再送粉、最后出光，直线机器人6同时按预定程序运动，使金属粉末在叶片、外壁和铜块形成的熔池内与叶片、外壁的材料融合、凝固形成一层焊缝，通过合适的送粉速度、激光功率、机器人移动速度，可以确保焊缝有足够的厚度把叶片开口完全焊满，熔池填满后，程序自动结束出光、送粉、送气，激光熔覆头5回到原位待机；工序第四步是重复焊补：双向变位器2转动一定角度，使下一处叶片开口移动到当前位置，重复工序第三步完成焊补，然后重复操作直至所有叶片裂纹开口焊补完成；工序第五步是焊缝修形和检查：对焊缝进行打磨，使其符合叶片原形但稍有突出，局部圆角比原来略大，以保证更好的连接强度。修形后的焊缝经渗透探伤检查没有裂纹则修复完成。如果叶片出风口裂纹延伸进入外壁，在工序第一步时要对外壁进行圆弧形状的打磨，形成一个使裂纹根部彻底去除，在第四步的基础上，按照第三步在焊缝和外壁的夹角处堆一层焊缝，填满外壁缺失的部分，再重复第四步整修焊缝并探伤。程序固化便于操作，必要时可以连续自动焊接整个喷嘴环所有叶片，而且焊接的热变形小、焊缝牢固、强度增加，修复后的喷嘴环满足增压器的使用要求。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置，其特征是，包括T型槽底座（1）、双向变位器（2）、三爪卡盘（3）、直线机器人（6）、激光熔覆头（5）和激光器（8），装夹有喷嘴环（4）的三爪卡盘（3）通过双向变位器（2）固定安装在T型槽底座（1）上，喷嘴环（4）上方通过直线机器人（6）设置有激光熔覆头（5），激光熔覆头（5）一端通过光纤（7）连接激光器（8），激光熔覆头（5）另一端通过管道（12）分别连接有冷水机（9）、氩气瓶组（10）和送粉机（11）。

2.根据权利要求1所述的机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置，其特征是，所述激光器（8）为半导体激光器，功率为200~2000W可调。

3.根据权利要求1所述的机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置，其特征是，所述冷水机（9）提供激光器（8）和激光熔覆头（5）的冷却用水并循环冷却。

4.根据权利要求1所述的机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置，其特征是，所述氩气瓶组（10）提供高纯度氩气作为焊接保护气和金属粉末输送的动力气。

5.根据权利要求1所述的机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置，其特征是，所述送粉机（11）使用高纯氩气输送高镍硬质合金粉末做焊接材料。

6.根据权利要求5所述的机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置，其特征是，所述高镍硬质合金粉末含有50%以上的硬质金属，硬质金属为镍、铬、钽、铌、钛和钼。

7.根据权利要求1所述的机车柴油机增压器喷嘴环激光焊修装置的焊修方法，其特征在于，包括以下焊修步骤：

第一步：开焊接坡口：对喷嘴环进行检查，找出所有的裂纹，用标准卡板对裂纹进行标记，再切割、打磨，将所有裂纹做成统一规格的坡口；

第二步：光束定位：将喷嘴环用三爪卡盘固定在双向变位器上，调整双向变位器的角度使喷嘴环斜置合适的位置，再调整激光熔覆头的位置，将导引光束定位在喷嘴环开口上，从而确定激光熔覆头的X、Y轴方位，通过高度块确定激光熔覆头的Z轴方位，此时激光熔覆头出光方位竖直向下，与喷嘴环开口成一定角度，可以使焊缝与喷嘴环外壁充分融合；

第三步：激光熔覆：在喷嘴环开口底部垫上随形铜块，确保铜块牢靠，该铜块形状按喷嘴环的形状配制，垫在开口下面既可以减少粉末流失也可以保证焊缝底部的形状，随后启动焊接程序，激光熔覆头先出保护气、再送粉、最后出光，直线机器人同时按预定程序运动，使金属粉末在喷嘴环和铜块形成的熔池内与喷嘴环的材料融合、凝固形成一层焊缝，通过合适的送粉速度、激光功率、机器人移动速度，可以确保焊缝有足够的厚度把喷嘴环开口完全焊满，熔池填满后，程序自动结束出光、送粉、送气，激光熔覆头回到原位待机；

第四步：重复焊补：双向变位器转动一定角度，使下一处喷嘴环开口移动到当前位置，重复工序第三步完成焊补，然后重复操作直至所有喷嘴环裂纹开口焊补完成；

第五步：焊缝修形和检查：对焊缝进行打磨，以保证更好的连接强度，修形后的焊缝经渗透探伤检查没有裂纹则修复完成。