大型水轮机叶片零件的动态测量系统

大型水轮机叶片零件的动态测量系统

0热处理过程中的变形叶片pg-worm的正确安装是影响机器效率、产量、缩短和运营的重要因素，也是机器制造水平的重要标志。实际生产中为了保证叶片型线的准确,在铸造工艺设计中通过加大反变形量,在热处理后对叶片型线进行测量,最后根据测量结果对叶片进行校正、打磨、补焊和机械加工等,变形太大的叶片甚至报废,这往往增加了成本和生产周期。在过去三峡水轮机转轮叶片的制造中,由于没有很好掌握铸件变形规律,铸造的毛坯加工余量很大,造成工艺出品率低、加工周期长;有时还出现残缺(加工余量不足),造成焊补量大。云南大朝山水轮机转轮叶片在热处理过程中发生严重的翘曲变形,需要大量补焊,给后续的校正和修整增加了难度和大量的工作。目前对叶片类铸锻件热处理工艺的研究工作多集中在工艺试验、制定合适的热处理制度以满足材料使用性能要求[5,6,7,8,9,10,11,12],缺少对热处理过程中叶片变形机理的系统研究。而叶片热处理时的变形是热处理过程的主要缺陷之一。张然等采用数值计算的手段分别对叶片和叶轮的热处理过程的变形进行预测分析,给出了变形趋势。而实际生产中影响叶片热处理过程变形的因素比较复杂,它与材料、原始组织、残余应力分布、热处理条件及叶片本身几何形状等都有关系。如果能通过测量叶片在实际热处理过程中的温度变化和变形,从而采取合理的工艺措施和反变形手段,使叶片变形尽可能减到最小程度,这将有助于实现叶片近净成形。红外热成像技术在机械工程领域逐渐得到应用,李明等使用红外热成像技术对常压加热炉管表面温度场进行了在线检测;全燕鸣等使用红外热像仪对切削加工过程刀具、工件表面温度场进行测量。对于铸件热处理过程中的变形测量采用传统的接触式测量也十分困难。蔡志鹏等采用高性能位移传感器建立了焊接变形实时测量系统,并测量出焊缝高温区一点的位移和运动轨迹。为此,提出了叶片温度场和变形的动态测量方法,并对某工厂实际生产叶片的热处理正火和回火冷却过程的温度场和变形进行了测量和分析。1炉外冷却过程的测量和显示采用热电偶等接触式测量方法测量铸件热处理过程中的温度变化只能反映测量点的温度变化,不能反映整个铸件温度分布情况,而且需要焊接或预埋热电偶。建立了便携式非接触式温度场和变形动态测量系统,该系统可以对铸件落砂后空冷和热处理过程炉外冷却过程中温度场和变形情况进行动态连续测量。该系统采用红外热像仪测量温度场,采用非接触式测量方法测量铸件的变形,其测量原理如图1所示。红外热像仪可以连续测量整个视野内铸件的温度场,测量范围内的每个像素点对应该点的温度数据,每个点的温度随时间变化;采用变形测量系统对铸件上选定的点进行实时在线的变形测量;数据采集仪实时采集测量的数据,测量结果通过控制器和后处理程序以温度场云图和位移曲线的方式实时显示在计算机上。也可根据具体测量要求采用多台变形测量系统测量铸件多部位的动态变形。本系统选用FlirT250红外热像仪进行温度场的测量,其测温范围上限为1200℃,精度为±2℃;变形测量系统精度为1.0~2.0mm。2出采用在线热处理工艺时,对叶片进行热压并注意其试验所测量的叶片铸件CAD模型和实际装炉方式如图2所示。叶片材质为ZG0Cr13Ni4Mo,其Ms和Mf点分别为280℃和75℃,其各元素的质量分数见下表。ZG0Cr13Ni4Mo属于低碳“位错型”马氏体不锈钢,具有很高的淬透性,但是热导率小、热膨胀系数大,加热冷却时应力大。因此,在制定热处理工艺时应着重考虑避免产生裂纹和防止变形。叶片铸件最大轮廓尺寸为4720mm×3340mm×200mm,铸件毛重17000kg,消耗钢液26000kg,叶片出水边厚度为40mm,进水边厚度为200mm,厚薄悬殊特别大,且型线呈X形,属于三维扭曲变断面结构的大型板状不锈钢铸件,在热处理过程中极易发生翘曲变形。热处理时采用进水边在下,出水边在上的立式装炉方式,叶片放置在专用的随形卡槽垫铁上,如图2a所示;同时为了节省能源和提高效率,一般采用一炉多件的方式,如图2b所示。实际测量中对叶片铸件薄的易变形的出水边的反面A点及中间B点的变形情况进行了实时测量,同时对反面表面温度变化进行了实时测量,如图2a所示。定义:叶片反面朝其法线正方向的变形值为负值,叶片变形大小由定位点(测量仪器所在位置)与叶片上点(被测点A、B、C)之间的动态距离和初始距离值的差来表示。2.1试验结果和讨论正火工艺为加热到1020℃保温后出炉吹风强制冷却。叶片正火目的是进行重结晶,改变铸态组织和晶粒度,减少枝晶偏析;更重要的是通过空冷避免某些新相的析出,得到足量的马氏体。图3所示为测量的叶片正火冷却过程中温度分布变化情况,其中图3a为出炉后开始测量时刻的叶片温度场分布,图3b、图3c和图3d分别为120min、240min、300min时的温度场分布。可以看出叶片截面薄的出水边在出炉后温度下降很快,300min后基本在100℃左右,如图3d所示。截面厚的进水边温度下降较慢。由此得到叶片不同部位的冷却曲线及采用专用变形测量系统测量的叶片的变形情况如图4所示。图4为测量得到的叶片铸件正火冷却阶段反面A、B和C点的表面温度变化曲线和出水边A点、中间B点的变形变化曲线。从图4中A、B和C点温度变化曲线可以看出:出炉后从叶片出水边到进水边呈现上低下高的温度分布,温度差在80℃左右。截面薄的出水边A点温度下降很快,在出炉后开始测量的5min内从473℃降到445℃以下,冷却速度约为5.6℃/min;截面厚的进水边C点从614℃降到594℃以下,冷却速度为约为4.2℃/min;中间B点的温度从553℃降到527℃以下,冷却速度约为5.1℃/min。A点温度在测量的48min即到达Ms点,260min到达Mf点;C点温度在测量的149min到达Ms点,591min到达Mf点。由A点和C点冷却曲线可以得到出水边和进水边内部各部分将分别在48min和149min后的某一时刻冷却到达Ms点,260min和591min后某一时刻到达Mf点。各点温度处于Mf点以下后,冷却曲线变化比较平缓,冷却速度都很小。从图4中A和B点变形曲线可以看出,出水边(A点)变形情况不是单一的向正面或反面连续变化,而是一个动态的急剧变化过程;变形随着冷却过程进行呈现波浪形,有两个极值点(一个波峰一个波谷),叶片出水边变形先朝法线负方向不断增加而后逐渐回复原状再朝反向变形不断增加而后又缓慢回复最终保持不变,即为叶片正火的残余变形;叶片出水边变形的两个极值点分别出现在出炉后测量的200min和465min左右。相比于截面薄的出水边,截面厚的B点变形比较缓和,随着冷却过程的进行变形先朝法线负方向不断增加后又缓慢回复,最终保持不变;B点变形极值出现在出炉后测量的260~385min之间。对比图4中温度变化曲线和变形变化曲线可以看出:叶片的变形在出炉后随着温度的降低而增加,但是变形的大小不是简单地与温度和时间成正比关系;当叶片所测量部分温度处于Ms和Mf之间时由于相变和温差的共同作用,叶片变形比较剧烈,分别出现极值点。为了更好地研究叶片铸件变形与各部分温差和相变发生的关系。如图5所示为A、B点变形变化曲线及上中下表面A、B和C点的温差变化曲线。如图5所示在叶片正火出炉冷却初期,叶片薄的出水边A与厚的进水边C和中部B温差迅速增大,A点与B点温差在测量的40min左右达第一个极大值点,约175℃左右,此时A点与C点温差也达90℃极大值点。随后A点温度到达Ms点,A点冷却变慢(如图4中A点40min后冷却曲线),因此温差又缓慢减小,在100min左右达到极小值后由于A点冷却变快(如图4中A点100min后冷却曲线),温差继续增加,在200min左右达到第二个温差极大值点后一直减小。对比变形变化曲线可看出A点在200min左右叶片的变形也达极大值点,200min之前受叶片温差较大和马氏体相变未大量发生影响,温差引起的叶片变形起主导作用,因此,A点变形朝向其反面法线负方向不断增加。200min后温差逐渐减小,而此时叶片出水边表面温度仍然处在Ms和Mf之间,此时出水边内部马氏体相变大量发生,伴随叶片铸件出水边体积膨胀,在叶片中造成很大的内应力,而高温材料强度较低,致使叶片发生塑性伸长,此时叶片温差引起的叶片的变形不起主导作用,从而导致叶片朝向其反面法线正方向变形,即叶片变形从极大值点开始逐渐减小。截面厚的B点受温差和出水边A点的影响,变形一直增加并在260~385min之间保持峰值,此后B点温度在Ms和Mf之间,B点和其叶片内部马氏体大量转变,体积膨胀,叶片朝向其反面法线正方向变形,变形又缓慢减小直到保持不变。受B点发生马氏体相变而变形的影响(B点变形在260~385min达到极值后开始减小),叶片出水边A点在465min左右出现极小值后,又朝向其反面法线负方向变化,叶片变形又开始增加。叶片铸件正火变形与温差和相变关系总结:叶片厚薄温差随着冷却的进行和相变的发生出现了3个极值点,在第3个极值点(200min)之前,出水边(反面)的变形受温差较大和相变未大量发生影响,温差引起的变形起主导作用的影响而一直朝向其法线负方向一直增加并达到极大值点,此后出水边温度值在Ms和Mf之间,马氏体大量转变并对叶片的变形起主导作用,叶片朝向其反面法线正方向变化,即叶片的变形开始回复,变形值开始变小。受叶片截面厚大部分(B点和C点)发生马氏体转变的影响,出水边在465min左右出现极小值后又开始朝向其反面法线负方向变化,变形又增加。叶片B点变形随着温差的起伏一直朝向其反面法线负方向增加,在260~385min左右保持峰值基本不变,随后由于发生马氏体转变变形开始逐渐减小。高温阶段叶片出水边的变形比较大,出水边的变形在一定程度上影响着B点的变形的趋势,低温阶段B点和C点的变形(马氏体转变)也影响了出水边A点的变形。2.2冷却过程中叶片出水边的残余变形叶片一次回火工艺为加热到620℃保温后出炉空冷。图6所示为测量的叶片回火冷却过程中温度分布变化情况,其中图6a为出炉后开始测量时刻的叶片温度分布,图6b~6d分别为120min、240min、300min时的温度场分布。可以看出叶片截面薄的出水边在出炉后温度下降较快,截面厚的进水边温度下降较慢。从进水边到出水边呈现上低下高的温度分布。由此可得到叶片不同部位的冷却曲线及采用专用变形测量系统测量叶片的变形情况如图7所示。图7为测量的叶片铸件回火冷却阶段反面A、B和C点的表面温度变化曲线和出水边A点、中间B点的变形变化曲线。从图7中A、B和C点温度变化曲线可以看出:出炉后从叶片出水边到进水边呈现上低下高的温度分布,但是温度差较小在20℃左右。由于没有风机的强制冷却,中间B点和进水边C点冷却曲线基本一致,而截面薄的出水边A点与B、C点的温度差异明显。A点的温度在冷却过程中下降快,在出炉后测量的5min内从560℃降到521℃,冷却速度约为7.8℃/min,截面厚的进水边C点则从590℃降到561℃,冷却速度约为5.8℃/min;中间B点的温度则从580℃降到550℃,冷却速度为6.0℃/min。从图7中A和B点变形曲线可以看出:出水边(A点)变形情况也不是单一的向正面或反面连续变化,而是一个动态的变化过程;出水边变形随着冷却过程进行呈现波浪形,出现一个极大值点,叶片出水边变形先朝反面法线正方向不断增加而后逐渐回复原状再向反面法线负方向变形不断增加,最后保持不变,即为叶片回火的残余变形,叶片出水边变形极值出现在出炉后测量的46~116min之间。相比于截面薄的出水边,截面厚的B点变形随着冷却的进行呈现一个逐渐增加的过程,在201~411min时变形处于比较平缓的阶段,此后叶片变形又缓慢增加,但增加不明显。对比图7中温度变化曲线和变形变化曲线可以看出,叶片出水边的变形在出炉后随着温度的降低先增加后减小,变形的大小不是简单地与温度和时间成正比关系;截面厚的B点变形随着温度的降低一直增加,在201~411min增加缓慢。为了更好地研究叶片铸件变形与各部分温差的关系。如图8所示为A、B点变形及上中下表面A、B和C点的温差。如图8所示在叶片回火出炉冷却初期,没有风机的强制冷却,叶片A点与B和C点温差较小在20℃以内,高温时截面薄的出水边A点冷却较快,而截面厚大的B、C点冷却较慢,因此温差迅速增加,在120min左右温差分别达到最大值,最大值分别在140℃和120℃左右;叶片出水边A点变形随着温差的增加而增加,在46~116min保持一极值,随后A点温度下降,冷却速度也减小,温差开始缓慢减小,A点变形朝向其反面法线负方向变化,变形开始回复。截面厚的B点与进水边C点温差较小,受与A点温差增加的影响变形一直增加,120min后变形增加比较缓慢,在201~411min变形处于比较平缓的阶段。叶片铸件回火变形与温差关系总结:叶片厚薄温差随着冷却的进行在120min左右出现极大值后缓慢减小。薄的出水边A点,随着厚薄温差的增加,朝某方向的变形逐渐增加,在46~116min保持一峰值不变,此后温差减小,叶片朝反方向变化。截面厚的B点的变形受到与出水边温差较大