大电流封闭铝母线金具端子现场修复装置及其修复方法

摘要

一种大电流封闭铝母线金具端子现场修复装置及其修复方法，包括惰性气体源、冷却装置、激光器、自动送粉器和电源，惰性气体源用于给激光熔覆头提供保护气体；冷却装置用于冷却激光器和激光熔覆头；激光器通过光纤连接到激光熔覆头上，激光器用于传输激光能量束到激光熔覆头；电源用于给激光器、自动送粉器和三轴运动机构提供电源。本发明解决了封闭母线金具端子无法现场修复，只能通过周期长的返厂修复的问题。

说明书

技术领域

本发明属于封闭母线金具修复装置领域，特别涉及一种大电流封闭铝母线金具端子现场修复装置及其修复方法。

背景技术

封闭母线是由外壳、导体、绝缘材料及有关附件组成的母线系统，主要包括防护屏蔽外壳、母线导体和支持绝缘子三部分。导体和外壳均采用铝管结构。广泛用于发电厂、变电所、工业和民用电源的引线。封闭母线通常分为多段，用于连接发电机、变压器、断路器等电力设备。在两段封闭母线之间，需要采用金具端子及金属软连接连通。

封闭母线导体和金具端子常采用导电性能较好、重量轻、价格较低的导电铝材料。金具端子与金属软连接的接触部位，有较高的接触电阻，在大电流条件下容易发热，造成设备过热损伤。为了提高导电效率，一般在金具端子表面镀有银层。由于镀银层结合强度有限，且发电机出口电流较大，在长期高温的运行环境中，镀银层与铝材之间会易出现局部起皮剥离的现象，这将导致金具端子发热持续加重，进一步加速镀银层与铝材的脱离，严重威胁发电机的安全稳定运行。

现有的技术无法在电站对封闭母线金具端子进行现场修复，只能将金具端子从封闭母线上切割下来，并运送到电镀厂家重新进行电镀，再运回电站现场，通过焊接的方式回装。此种方法的最大缺点就是耗时长。若故障发生在发电期，将导致电能无法输送至电网，而造成巨大的经济损失。

另外，由于在铝材表面进行电镀银比较困难，工艺质量不容易控制，修复后的金具端子仍然存在再次损坏的风险。

发明内容

鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的大电流封闭铝母线金具端子现场修复装置及其修复方法，解决了封闭母线金具端子无法现场修复，只能通过周期长的返厂修复的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：

一种大电流封闭铝母线金具端子现场修复装置及其修复方法，包括惰性气体源、冷却装置、激光器、自动送粉器和电源，惰性气体源用于给激光熔覆头提供保护气体；冷却装置用于冷却激光器和激光熔覆头；激光器通过光纤连接到激光熔覆头上，激光器用于传输激光能量束到激光熔覆头；电源用于给激光器、自动送粉器和三轴运动机构提供电源。

优选的方案中，所述的惰性气体源为惰性气体瓶，冷却装置为水冷机，电源为电气控制柜，惰性气体瓶通过保护气管连接到激光熔覆头上；惰性气体瓶通过送粉气管连接到自动送粉器上；水冷机通过激光器冷却水管连接到激光器上；激光器通过光纤连接到激光熔覆头上，激光器用于传输激光能量束到激光熔覆头；水冷机通过激光熔覆头冷却水管连接到激光熔覆头上；电气控制柜通过激光器控制电缆控制激光器输出激光能量束能量大小和开关；激光熔覆头安装在三轴运动机构上。

优选的方案中，所述的激光熔覆头包括熔覆喷嘴、激光熔覆头聚焦模块和激光熔覆头准直模块；激光熔覆头准直模块用于使光纤输送的激光光束进行扩束和准直，保证光束直径与激光熔覆头聚焦模块直径匹配；激光熔覆头聚焦模块用于使激光光束聚焦在金具端子表面，以熔化金具端子局部并形成熔池；熔覆喷嘴用于使金属银粉末流汇聚在金具端子工件表面被激光光束熔化后所形成的熔池中。

优选的方案中，所述的三轴运动机构包括三轴运动机构Z轴、三轴运动机构Y轴和三轴运动机构X轴；激光熔覆头通过激光熔覆头连接板安装在三轴运动机构Z轴上。

优选的方案中，所述的三轴运动机构Z轴、三轴运动机构Y轴和三轴运动机构X轴构成了三维坐标系结构，且三轴运动机构Z轴、三轴运动机构Y轴和三轴运动机构X轴分别为一个直线模组；直线模组包括伺服电机、直线导轨、连接块、滑动块和限位开关，伺服电机用于驱动滑动块能在直线导轨上进行直线运动。

优选的方案中，所述的电气控制柜通过三轴运动机构控制电缆连接到三轴运动机构上，电气控制柜用于给三轴运动机构提供电源。

本专利可达到以下有益效果：

1、本装置采用了激光熔覆工艺替代原电镀银工艺，绿色环保，无环境污染。

2、本装置采用了激光熔覆工艺，可以在现场对铝封闭母线金具端子进行修复，不需要对封闭母线切割和焊接，不需要运回封闭母线生产厂家采用电镀工艺进行修复，节省了修复时间。

3、本装置采用激光熔覆工艺制备的银涂层厚度大于电镀银工艺，结合强度也更高，因此可以延长金具端子使用寿命，减少故障发生率。

4、本装置为模块化、移动式设计，可以方便存储和运输，可以在需要进行现场修复时，迅速部署到封闭母线现场，节省检修时间。

5、本装置采用特制小型化激光熔覆头，并且激光熔覆头为折弯型结构，这种特殊设计可以保证激光熔覆头插入到金具端子与封闭母线外壳之间，而不发生碰撞和干涉。

6、本装置采用三轴运动机构，可以实现高精度空间直线插补运动和圆弧插补运动，满足金具端子激光熔覆工艺需要的运动要求。并且由于运动方式简单，不容易与封闭母线发生碰撞和干涉，编程方式更为简单，可以节省现场修复时间。

7、本装置采用特制轻量化三轴运动机构，现场操作人员可以不借助助力工具就安装到封闭母线上，安装简单方便，可以节省现场修复时间。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明使用布置图；

图2为本发明接线示意图;

图3为本发明三轴运动机构安装效果图；

图4为本发明三轴运动机构三维结构图；

图5为本发明直线模组三维结构图；

图6为本发明熔池效果图。

图中：1-封闭母线，2-金具端子，3-激光熔覆头，4-三轴运动机构，5-夹持底座，6-软连接安装板，7-惰性气体瓶，8-水冷机，9-激光器，10-自动送粉器，11-电气控制柜，12-保护气管，13-送粉气管，14-激光器冷却水管，15-激光熔覆头冷却水管，16-光纤，17-送粉管，18-激光器控制电缆，19-送粉器控制电缆，20-三轴运动机构控制电缆，21-封闭母线外壳，22-封闭母线内筒，23-熔覆喷嘴，24-激光熔覆头聚焦模块，25-激光熔覆头准直模块，26-激光熔覆头连接板，27-三轴运动机构Z轴，28-三轴运动机构Y轴，29-三轴运动机构X轴，30-激光熔覆层，31-伺服电机，32-直线导轨，33-连接块，34-滑动块，35-限位开关。

具体实施方式

优选的方案如图1至图6所示，一种大电流封闭铝母线金具端子现场修复装置及其修复方法，包括惰性气体源、冷却装置、激光器9、自动送粉器10和电源，其特征在于：惰性气体源用于给激光熔覆头3提供保护气体；冷却装置用于冷却激光器9和激光熔覆头3；激光器9通过光纤16连接到激光熔覆头3上，激光器9用于传输激光能量束到激光熔覆头3；电源用于给激光器9、自动送粉器10和三轴运动机构4提供电源。

进一步地，惰性气体源为惰性气体瓶7，冷却装置为水冷机8，电源为电气控制柜11，惰性气体瓶7通过保护气管12连接到激光熔覆头3上；惰性气体瓶7通过送粉气管13连接到自动送粉器10上；水冷机8通过激光器冷却水管14连接到激光器9上；激光器9通过光纤16连接到激光熔覆头3上，激光器9用于传输激光能量束到激光熔覆头3；水冷机8通过激光熔覆头冷却水管15连接到激光熔覆头3上；电气控制柜11通过激光器控制电缆18控制激光器9输出激光能量束能量大小和开关；激光熔覆头3安装在三轴运动机构4上。

惰性气体瓶7、水冷机8、激光器9、自动送粉器10和电气控制柜11摆放在封闭母线1下方地面上，三轴运动机构4通过夹持底座5固定安装在封闭母线1的软连接安装板6上。激光熔覆头3安装在三轴运动机构4上。封闭母线1上的金具端子2是本装置修复的对象。

惰性气体瓶7通过保护气管12连接到激光熔覆头3上，提供惰性保护气，防止激光熔覆时氧化。惰性气体瓶7通过送粉气管13连接到自动送粉器10上，通过一定的压力，使金属银粉末通过送粉管17输送到激光熔覆头3上。水冷机8通过激光器冷却水管14连接到激光器9上，提供冷却水，维持激光器9工作，使激光器9能够持续产生激光能量束。激光器9通过光纤16连接到激光熔覆头3上，传输激光能量束到激光熔覆头3。水冷机8通过激光熔覆头冷却水管15连接到激光熔覆头3上，提供冷却水，保持激光熔覆头3工作时热平衡，防止激光熔覆头3因温度过高而损坏。电气控制柜11通过激光器控制电缆18控制激光器9输出激光能量束能量大小和开关，通过送粉器控制电缆19控制自动送粉器10粉末输送速率和开关，通过三轴运动机构控制电缆20控制三轴运动机构4运动控制轨迹和速度。

进一步地，激光熔覆头3包括熔覆喷嘴23、激光熔覆头聚焦模块24和激光熔覆头准直模块25；激光熔覆头准直模块25用于使光纤16输送的激光光束进行扩束和准直，保证光束直径与激光熔覆头聚焦模块24直径匹配；激光熔覆头聚焦模块24用于使激光光束聚焦在金具端子2表面，以熔化金具端子2局部并形成熔池；熔覆喷嘴23用于使金属银粉末流汇聚在金具端子2工件表面被激光光束熔化后所形成的熔池中。

进一步地，三轴运动机构4包括三轴运动机构Z轴27、三轴运动机构Y轴28和三轴运动机构X轴29；激光熔覆头3通过激光熔覆头连接板26安装在三轴运动机构Z轴27上。

激光熔覆头3安装在三轴运动机构4上，可以在封闭母线1上的封闭母线外壳21与封闭母线内筒22之间，平行金具端子2表面进行运动。激光熔覆头3的角度可以进行调整变化，激光熔覆头3运动时，激光熔覆头3、三轴运动机构4、光纤16等都不会和封闭母线1上任何部位发生碰撞。

激光熔覆头3包括熔覆喷嘴23、激光熔覆头聚焦模块24、激光熔覆头准直模块25。激光熔覆头准直模块25作用是使光纤16输送的激光光束进行扩束和准直，保证光束直径与激光熔覆头聚焦模块24直径匹配。激光熔覆头聚焦模块24的作用是使激光光束聚焦在金具端子2表面，以熔化金具端子2局部，并形成熔池。熔覆喷嘴23的作用是使金属银粉末流汇聚在金具端子2工件表面被激光光束熔化后所形成的熔池中。

进一步地，三轴运动机构Z轴27、三轴运动机构Y轴28和三轴运动机构X轴29构成了三维坐标系结构，且三轴运动机构Z轴27、三轴运动机构Y轴28和三轴运动机构X轴29分别为一个直线模组；直线模组包括伺服电机31、直线导轨32、连接块33、滑动块34和限位开关35，伺服电机31用于驱动滑动块34能在直线导轨32上进行直线运动。

在伺服电机31驱动下，滑动块34能在直线导轨32上进行直线运动。每两个轴之间角度为90度，并通过连接块33连接在一起。三个轴合在一起组成一个运动机构，可以在直角坐标系中进行运动。

如图4和图5所示，三轴运动机构4包括三轴运动机构Z轴27、三轴运动机构Y轴28、三轴运动机构X轴29，每个轴都是一个直线模组。激光熔覆头3通过激光熔覆头连接板26安装在三轴运动机构4上。当三轴运动机构4运动时，激光熔覆头3也同样跟随运动。

进一步地，电气控制柜11通过三轴运动机构控制电缆20连接到三轴运动机构4上，电气控制柜11用于给三轴运动机构4提供电源。

电气控制柜11通过三轴运动机构控制电缆20连接到三轴运动机构4上，提供电源，并进行控制。在电气控制柜11中包含三个伺服驱动器，分别驱动每个直线模组。包含有一个运动控制器，能够执行运动程序，控制三轴运动机构4进行运动。三轴运动机构4能够进行三维空间的直线插补运动和圆弧插补运动，这两个运动方式是完成金具端子表面熔覆所必须的基本运动方式。

整个装置的工作原理如下：

当装置开始工作时，激光熔覆头3使激光器9产生的激光能量束聚焦在金具端子2铝金属材料表面，铝金属材料发生熔化形成熔池。自动送粉器10输送银金属粉末到激光熔覆头3上，并喷射到熔池中被熔化，当激光能量束移开，熔池温度降低，金属银和金属铝溶液一起凝固成固体。激光熔覆头3在三轴运动机构4控制下，在金具端子2表面进行扫描，就会在金具端子2表面形成一层熔覆层30。由于金属银粉末主要在熔池上方熔化和凝固，较少与下方的金属铝溶液对流，熔覆层30的主要成分为银，具有良好的导电性，可以减少金具端子2表面接触电阻。由于金属银和金属铝溶液一起凝固成固体，熔覆层30与金具端子2金属铝基材结合方式为冶金结合，结合强度比原电镀工艺牢固，不容易发生脱落。采用激光熔覆银工艺，相比原有检修方式，工期约为原20%，成本约为原57%。

优选的方案中，所述的大电流封闭铝母线金具端子现场修复装置的修复方法，包括如下步骤：

S1：依次打开水冷机8、电气控制柜11和激光器9的电源开关，通过示教器操作三轴运动机构4，将激光熔覆头3移动至铝母线金具端子2的边界位置；

S2：通过控制伺服电机31改变三轴运动机构X轴29、三轴运动机构Y轴28和三轴运动机构Z轴27的位置，将铝母线金具端子2的熔覆区域预运行数次；运行过程中不得与外部环境有碰撞，光纤16不得有超出规范的操作，若在运行过程中发生报警请立即停止运动，解除报警后再运行，并在运行过程中时刻注意直线导轨32、滑动块34和限位开关35顺滑运动，不得出现卡顿，扭曲等状况。

S3：在激光熔覆头的激光光束聚焦点距离工件的距离在7mm±1mm以内，调整示教器中机器人工件坐标系的运行程序，再次按照步骤S2方法进行试运行，直至运行完程序后，再依次打开惰性气体瓶7、自动送粉器10的电源开关，再将惰性气体瓶7的气压调节为0.45-0.55MPa；

S4：通过自动送粉器10的操作面板调节流量和转速，同时观察熔覆喷嘴23的出粉状态，当出粉形态聚焦性良好，流速适当时，再进行示教器手动模式进行单道单层熔覆，观察金属银粉末流汇聚在金具端子2工件表面被激光光束熔化后所形成的熔池是否合格。熔池是否合格标准为：不得出现裂纹，气孔，塌陷等不良状况。

S5：合格后再次通过示教器调用调试好的程序进行完整熔覆。

该熔覆过程中由于是通过工件坐标系实现定位，故对于三轴运动机构4的三轴运动机构X轴29，三轴运动机构Y轴28，三轴运动机构Z轴27的直线度和重复定位精度都有较高的要求，约为0.01mm。三轴运动机构本身的刚度也要很好才能熔覆出合格的产品。当程序运行完毕后仔细检查熔覆表面的质量，不得出现脱落，塌陷，裂纹等现象，若出现裂纹现象需将该处熔覆层打磨干净后再二次熔覆直至不在有裂纹为止。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。