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金屬五金

激光焊接技術(shù)在葉輪機械轉(zhuǎn)子修復(fù)上的應(yīng)用

激光制造商情 來源:老one編譯2022-12-26 我要評論(0 )   

本文作者:Michael W. Kuper、Michael Metzmaier轉(zhuǎn)子是葉輪機械設(shè)備中最關(guān)鍵的部件之一。這些精密組件以極高的速度旋轉(zhuǎn),必須在廣泛的使用時間內(nèi)承受顯著的應(yīng)力。為了實...

本文作者:Michael W. Kuper、Michael Metzmaier


轉(zhuǎn)子是葉輪機械設(shè)備中最關(guān)鍵的部件之一。這些精密組件以極高的速度旋轉(zhuǎn),必須在廣泛的使用時間內(nèi)承受顯著的應(yīng)力。

為了實現(xiàn)這種級別的可靠性,制造商必須確保組件適合應(yīng)用。嚴格控制成分,機械性能和加工,確保零件是可接受的。

這些檢查、驗證和保障措施最大限度地延長了使用壽命,同時最大限度地減少了災(zāi)難性故障的風險。

然而,正常操作的磨損最終會造成足夠的損傷,需要修復(fù)或更換。累積的損傷通常是表面的,與更換整個轉(zhuǎn)子相比,修復(fù)提供了成本和時間優(yōu)勢,同時增加與修復(fù)過程相關(guān)的最小風險。

典型的修復(fù)工藝包括噴涂、電鍍、電弧焊、等離子焊和激光焊。每種工藝都有優(yōu)缺點,這取決于各種因素,包括損壞的位置和程度、操作條件、使用環(huán)境、基材和所需的修復(fù)材料以及客戶接受度。

本文特別關(guān)注激光焊接維修,以及激光焊接工藝如何有利于壓縮機和渦輪軸的維修,包括要解決的問題。

討論內(nèi)容包括最常修復(fù)的軸區(qū)域,在這些位置進行激光焊接的風險,以及驗證該程序應(yīng)要求的測試類型。


激光束焊接

在激光束焊接(LBW)出現(xiàn)之前,最常見的軸修復(fù)工藝是埋弧焊(SAW),主要是因為該工藝堅固耐用,沉積速率高。 

然而,這一過程涉及高熱量輸入,這可能導(dǎo)致軸的變形和高殘余應(yīng)力。由于變形,SAW維修往往需要從維修區(qū)域移除所有突出的特征,重建這些特征,并進行廣泛的覆蓋,以確保有足夠的加工余量來恢復(fù)尺寸。

此外,由于焊接產(chǎn)生的高殘余應(yīng)力,在最終加工之前,維修總是需要焊接后熱處理(PWHT),這可以緩解殘余應(yīng)力,從而最大限度地減少加工操作期間的軸運動(扭曲)。 

使用聚焦激光可以進行焊接(包括熔覆)、切割和熱處理。雖然LBW自20世紀70年代就已經(jīng)存在,但技術(shù)和經(jīng)濟能力的提高擴大了其工業(yè)應(yīng)用范圍,現(xiàn)在包括葉輪機械轉(zhuǎn)子修復(fù)。 

LBW的主要優(yōu)勢是它是一種高能量密度的工藝,因此能夠以非常低的熱輸入進行焊接,從而最大限度地減少母材退化、熱影響區(qū)(HAZ)的大小、殘余應(yīng)力和變形,同時還可以實現(xiàn)非??斓暮附铀俣取?nbsp;

同時,較小的熱影響區(qū)也是有益的,因為較少的軸體積具有由聚變過程產(chǎn)生的熱量引起的有害性能。

這在可熱處理合金的情況下尤其重要,如淬火和回火鋼,通常用于葉輪機械轉(zhuǎn)子。激光焊接設(shè)置示例如圖1所示。

 圖一、激光焊接

 

除了低熱輸入外,LBW工藝還可以生產(chǎn)具有冶金結(jié)合的高質(zhì)量熔焊(沒有分層,涂層中可能發(fā)生的附著),易于自動化,具有一致性和可重復(fù)性,并具有高幾何精度。 

例如,本研究中使用的激光光斑尺寸可以從直徑為0.2 mm的小型焊縫到直徑為2.0 mm的高沉積速率覆蓋層。

為了充分利用LBW工藝的優(yōu)勢,工藝能力必須與應(yīng)用相匹配,在實施LBW進行轉(zhuǎn)子修復(fù)之前,必須研究下面概述的其他考慮因素。

 

金屬填充

激光焊接有兩種不同的工藝。一種使用粉末填充金屬(LBW-P),另一種使用線基填充金屬(LBW-W)。在LBW-P中,粉末通過管子和一個或多個噴嘴由惰性氣體噴射從粉末喂料器輸送,將粉末輸送到焊接池中。

在LBW-W中,填充金屬是通過手動或機械化送絲機將焊絲送入焊接池來輸送的。

這兩種方法在冶金和后勤方面存在差異,在確定某一特定修復(fù)的最合適工藝時必須考慮到這一點??紤]到ASME BPVC還沒有考慮到這些差異,這一點尤其正確。 

激光束焊接的焊接程序規(guī)范(WPS)的變量由ASME BPVC Section IX表QW-264和QW-264.1規(guī)定。

其中基本變量是與粉末填充金屬有關(guān)的細節(jié),包括粉末金屬尺寸、密度和進料速率。然而,沒有提到填充線參數(shù)。

這表明當前的規(guī)范只考慮粉末激光焊接應(yīng)用。由此可見,工藝鑒定也只與粉末基激光焊接相關(guān)。

這就是為什么激光束焊接可能需要額外的工藝鑒定要求的原因之一。

 

激光源

激光焊接可采用多種激光光源。本文主要介紹兩種最常見的焊接激光源Nd:YAG激光器和光纖激光器。 

Nd:YAG激光器由摻釹釔鋁石榴石晶體組成,由氙氣手電筒激發(fā)產(chǎn)生激光束,而光纖激光器由一組二極管組成,激發(fā)摻稀土元素的光纖產(chǎn)生激光束。

雖然這兩種激光源都可以用于轉(zhuǎn)子修復(fù),但它們都提供了折衷方案,包括光束質(zhì)量、光束大小、光束頻率、壽命、成本和效率。

選擇最好的激光器取決于應(yīng)用。然而,當ASME BPVC合規(guī)性是一個問題時,光纖激光器是更好的選擇。 

造成這種情況的原因是激光束產(chǎn)生方式的不同,以及它隨時間的穩(wěn)定性。在Nd:YAG激光器中,氙氣閃光燈燈泡隨著時間的推移而退化,并隨著年齡的增長而變暗。

調(diào)光燈泡導(dǎo)致Nd:YAG晶體的激發(fā)減弱,從而降低了產(chǎn)生的激光束的強度。其結(jié)果是,在手電筒的整個使用壽命中,給定激光設(shè)置的輸出功率會下降,盡管衰減的速度可能是未知的。 

這對于合規(guī)性是有問題的,因為根據(jù)ASME BPVC Section IX表QW-264,激光功率是一個關(guān)鍵變量,在給定的焊接過程中不能改變。 

對于Nd:YAG激光器來說,維持這一要求幾乎是不可能的,盡管在代碼中沒有提到這一事實。與Nd:YAG光源相比,光纖激光光源不存在這個問題,因為激發(fā)是由二極管進行的。

因此,光纖激光器在需要遵守代碼的情況下是非常優(yōu)越的,并且可以說是必要的。

 

連續(xù)或脈沖激光器

一些激光系統(tǒng)現(xiàn)在有能力在脈沖模式和連續(xù)工作模式下工作。使用脈沖激光的優(yōu)點是可以減少熱輸入,以最大限度地減小HAZ的大小、殘余應(yīng)力和畸變量。

除了一般的優(yōu)點外,脈沖在特殊情況下也很有用,例如在無法進行PWHT的精加工零件上的焊接。這是因為脈沖功率比連續(xù)功率有更低的熱輸入。 

然而,脈沖激光操作主要局限于LBW-W,因為LBW-P系統(tǒng)使用連續(xù)功率才能最有效地運行。這是因為在基于粉末的應(yīng)用中,粉末是連續(xù)輸送的,這將導(dǎo)致大量的浪費粉末或由于脈沖之間的熱量不足而導(dǎo)致缺乏融合。 

對于以絲為基礎(chǔ)的系統(tǒng),送絲機由設(shè)備精確控制,以保持穩(wěn)定的焊接條件。值得注意的是,焊接模式作為一個獨立變量也會對焊接過程的沉積速率產(chǎn)生影響,但這在很大程度上取決于系統(tǒng)的類型,以及修復(fù)的條件。

總的來說,焊接模式的選擇應(yīng)基于填充金屬交付的類型,也基于修復(fù)的類型和所需的焊接性能。

 

焊口設(shè)計

為了盡量減少潛在的缺陷,接頭設(shè)計必須適合所使用的焊接系統(tǒng)類型。線基焊接系統(tǒng)通常比粉末焊接系統(tǒng)更能容忍尖角和深槽。 

這是由于導(dǎo)線系統(tǒng)不需要氣體運輸系統(tǒng)來將填充材料運送到焊接區(qū)。在基于粉末的焊接系統(tǒng)中,由襯底幾何形狀(如v型坡口)引起的用于將粉末輸送到熔池的載氣中的湍流會導(dǎo)致較差的粉末輸送速率和較差的屏蔽性。 

較差的粉末輸送率會導(dǎo)致焊接效率低和多余的熱量到達基體,而較差的屏蔽性能會導(dǎo)致孔隙率和氧化物夾雜物的形成。此外,對于LBW-P,多余的未熔合粉末也會積聚在接合處。 

在這種松散的粉末上焊接會導(dǎo)致嚴重的缺陷,包括缺乏融合、孔隙或開裂。因此,基于粉末的填充金屬在坡口的輸送需要更寬的坡口角度,這創(chuàng)造了更多的焊接接頭,但也增加了坡口的體積。

因此,在使用LBW-P時,提取試樣所需的v型槽體積與激光焊縫的典型尺寸相比非常大,使得制造用于工藝鑒定的試樣不切實際。 

在基于導(dǎo)線的填充金屬輸送的情況下,凹槽的傾斜壁為保護氣體和導(dǎo)線輸送帶來了幾何挑戰(zhàn),這增加了孔隙率的可能性,增加了缺乏融合缺陷的易感性。

然而,坡口焊接是可以用LBW焊接的。此外,對于大多數(shù)適用LBW的軸修復(fù),修復(fù)往往是焊接覆蓋,不需要坡口焊接。

圖2顯示了常見的軸修復(fù)類型,包括覆蓋、堆積和存根修復(fù)。雖然存根修復(fù)需要坡口焊接,但通常不會使用LBW,因為其他工藝具有更高的沉積速率。

關(guān)于填充材料類型,LBW-P和LBW-W可用于一般的軸修復(fù),但當焊接接近可能導(dǎo)致粉末工藝湍流的步驟或特征時,應(yīng)采取謹慎措施。

然而,焊接工藝資格要求對于LBW-P來說可能是不可能的或不切實際的,而且LBW-P在孔隙度不可接受的情況下也可能會遇到困難。

 

圖二、常見的軸類維修

填充金屬的成本和可用性

選擇填充金屬的能力取決于所討論材料的可用性。

一般來說,導(dǎo)線和粉末版本可用于各種材料。 

然而,線基材料往往僅限于常見的焊接合金,而粉末材料往往面向更高的合金鋼和特殊合金。 

這是因為粉末生產(chǎn)的關(guān)鍵驅(qū)動因素之一是基于粉末的增材制造,對于更奇特的材料來說,它的成本效益比最高。 

正因為如此,很難找到粉末形式的碳和低合金鋼,因為這些材料足夠便宜,對于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用來說,使用粉末形式并不具有成本效益。 

由于碳素鋼和低合金鋼在葉輪機械工業(yè)中大量使用,由于這些材料的更好可用性,基于線的激光焊接系統(tǒng)往往是一個更好的選擇。此外,電線形式的填充金屬通常也比粉末形式便宜。

 

缺陷

從應(yīng)用的角度來看,粉末基激光焊接和線基激光焊接之間的一個主要區(qū)別是缺陷的類型和焊接過程中形成缺陷的可能性。

LBW-W能夠產(chǎn)生完全致密、無缺陷的焊縫,而LBW-P通常具有最少的孔隙率。無論如何,次優(yōu)的焊接參數(shù)、接頭幾何形狀或條件都會在任何一種工藝中產(chǎn)生缺陷。 

激光焊接中出現(xiàn)的典型缺陷包括以下幾種,如圖3所示,其中顯示了LBW-P覆蓋層中的缺陷: 

1、孔隙度;

2、缺乏融合;

3、未融合的粒子;

4、裂紋。

多孔性的特征是在焊接沉積物中出現(xiàn)的空隙,由凝固過程中被困住的氣體逃逸而產(chǎn)生。 

對于LBW,有幾種方法可以將氣體引入焊池,但主要的理論包括捕獲保護氣體或金屬蒸汽,由不穩(wěn)定的小孔焊接引起的空化,以及在霧化過程中被困在粉末顆粒中并在焊接過程中釋放的氣體。

此外,焊接過程中保護氣體覆蓋不良會導(dǎo)致氣孔,這通常是由于不正確對齊的氣體透鏡或焊池附近的湍流造成的。 

這可能是因為固化焊池的快速氧化所產(chǎn)生的湍流,或由于燃燒空氣中的氧氣而產(chǎn)生的氣體。最后,母材和填充材料潔凈度的缺乏也會導(dǎo)致孔隙率。 

在有機物質(zhì)(油,油脂,污垢,氧化物等)上焊接會導(dǎo)致在焊接過程中脫氣,當它凝固時被困在焊接池中。 

缺少熔合的特征是填充金屬與母材金屬沒有熔合的位置。當熱源產(chǎn)生的熱量不足以使填料和賤金屬結(jié)合時,就會發(fā)生這種情況。 

造成這種情況的典型原因包括焊接角度差,填充材料進料速率過高,和/或激光功率不足。與未熔合類似,未熔合顆粒的特征是焊縫中存在未熔合粉末的殘留物。

這種類型的缺陷是LBW-P獨有的,因為它涉及粉末,而LBW-W沒有。顆粒未融合的原因類似于缺乏融合,即沒有足夠的熱量來充分融化和融合填料材料與基材。

 

 

圖三、激光焊接中出現(xiàn)的典型缺陷。這些缺陷是在使用粉末填充金屬的焊接中發(fā)現(xiàn)的。多孔性可以在每張圖像上看到斑點。

 

這通常是因為激光沒有足夠的時間、功率和/或正確的定位來熔化焊接區(qū)域的所有填充金屬。

裂紋的特征是焊縫金屬因應(yīng)力而斷裂。裂紋可能由多種因素引起,常見的例子包括高度約束的接頭設(shè)計、快速冷卻速率、填充金屬易感性、污染、焊縫形狀和/或不正確的焊接參數(shù)。

 

關(guān)于作者

Michael W. Kuper博士是Elliott Group產(chǎn)品和技術(shù)組的材料工程師。他擁有俄亥俄州立大學(Ohio State University)材料科學與工程學士學位、碩士學位和博士學位。他過去的經(jīng)驗包括分析不同金屬焊接,包括9Cr-1Mo-V鋼與鎳基填充金屬焊接,以及金屬材料的高沉積速率增材制造。他目前發(fā)表了5篇論文,在十多個技術(shù)會議上發(fā)表了研究成果,并且是《焊接在世界》雜志的積極同行審稿人。

 

Michael Metzmaier是Elliott集團材料工程部的一名焊接工程師。他擁有賓夕法尼亞理工學院(Pennsylvania College of Technology)焊接與制造工程技術(shù)學士學位。他曾在Elliott Group擔任多個職位,包括制造工程師、轉(zhuǎn)子部門主管和焊接工程師。


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