Турбомашины: лазерная сварка

04 апреля 2023 г.

Автор: Майкл В. Купер, доктор философии, инженер по материалам, Elliott Group, и Майкл Дж. Мецмайер, инженер по сварке IV, инженерия материалов, Elliott Group

Лазерная наплавка получает все большее признание при восстановлении валов турбин и компрессоров, что привело к увеличению спроса клиентов на варианты лазерной наплавки и увеличению числа поставщиков лазерной сварки, предлагающих различные решения.

Поэтому важно понимать основные возможности, ограничения и потенциальные ловушки процесса лазерной наплавки, а также то, как следует квалифицировать этот процесс, чтобы гарантировать, что ремонт лазерной сваркой соответствует требованиям для данного применения.

Как и в любом сварочном процессе, желаемым результатом является металлургически надежное наплавление, которое соответствует минимальным критериям проектирования применения или превосходит их. Выбор сплава присадочного материала, его форма и методы подачи могут оказать существенное влияние на качество и пригодность сварочного покрытия.

Одним из наиболее ответственных узлов турбомашинного оборудования является ротор. Эти прецизионные узлы вращаются с чрезвычайно высокой скоростью и должны выдерживать значительные нагрузки в течение длительного срока службы.

Чтобы достичь такого уровня надежности, производители должны гарантировать, что компоненты подходят для конкретного применения. Жесткий контроль состава, механических свойств и обработки гарантирует приемлемость деталей.

Эти проверки, проверки и меры безопасности максимизируют срок службы, сводя к минимуму риск катастрофического отказа.

Однако износ в результате нормальной эксплуатации в конечном итоге приведет к серьезному повреждению, требующему ремонта или замены. Накопленные повреждения, как правило, являются поверхностными, и ремонт дает преимущество в затратах и ​​времени по сравнению с заменой всего ротора, добавляя при этом минимальный риск, связанный с процессом ремонта.

Типичные процессы ремонта включают напыление, гальваническое покрытие, дуговую сварку, плазменную сварку и лазерную сварку. Каждый из этих процессов имеет свои преимущества и недостатки, в зависимости от множества факторов, включая место и степень повреждения, условия эксплуатации, среду эксплуатации, основу и желаемый ремонтный материал, а также приемлемость клиента.

В этой статье особое внимание уделяется ремонту лазерной сваркой и тому, как процесс лазерной сварки может быть полезен при ремонте валов компрессора и турбины, а также соображениям, которые необходимо учитывать.

Обсуждение включает наиболее часто ремонтируемые участки вала, риски, связанные с лазерной сваркой в ​​этих местах, а также типы испытаний, которые необходимо провести для квалификации этой процедуры.

До появления лазерной сварки (LBW) наиболее распространенным процессом ремонта валов была сварка под флюсом (SAW), главным образом потому, что этот процесс надежен и обеспечивает высокую скорость наплавки.

Однако этот процесс требует большого тепловложения, что может привести к деформации вала и высокому остаточному напряжению. Из-за деформации ремонт SAW, как правило, требует удаления всех выступающих элементов из области ремонта, восстановления этих элементов и обширного наложения, чтобы обеспечить достаточный обрабатывающий материал для восстановления размеров.

Кроме того, из-за высокого остаточного напряжения от сварки ремонт всегда требует послесварочной термообработки (PWHT) перед окончательной обработкой, которая снимает остаточные напряжения и минимизирует перемещение (деформацию) вала во время операции обработки.

Доступ к сфокусированному лазеру позволяет выполнять сварку (включая наплавку), резку и термообработку. Хотя LBW существует с 1970-х годов, совершенствование технологий и доступность расширили диапазон его промышленных применений, которые теперь включают восстановление роторов турбомашин.

Основное преимущество LBW заключается в том, что это процесс с высокой плотностью энергии и, следовательно, он способен сваривать с очень низким подводом тепла, что сводит к минимуму деградацию основного металла, размер зоны термического влияния (ЗТВ), остаточное напряжение и деформацию. а также обеспечивает очень высокую скорость сварки.