Роторите са едни от най-критичните компоненти в машините и оборудването с работно колело. Тези прецизни компоненти се въртят с изключително високи скорости и трябва да издържат на значителни натоварвания в широк диапазон от експлоатационни времена.
За да постигнат това ниво на надеждност, производителите трябва да гарантират, че компонентите са подходящи за приложението. Стриктният контрол върху състава, механичните свойства и обработката гарантира, че частите са приемливи.
Тези проверки, проверки и предпазни мерки увеличават експлоатационния живот, като същевременно минимизират риска от катастрофална повреда.
Но износването от нормална работа в крайна сметка ще причини достатъчно щети, за да се наложи ремонт или подмяна. Натрупаните щети обикновено са повърхностни и ремонтът осигурява предимства в разходите и времето пред смяната на целия ротор, като същевременно увеличава минималния риск, свързан с процеса на ремонт.
Типичните ремонтни процеси включват боядисване, покритие, електродъгово заваряване, плазмено заваряване и лазерно заваряване. Всеки процес има предимства и недостатъци в зависимост от различни фактори, включително местоположението и степента на повреда, работни условия, среда на използване, необходим субстрат и ремонтен материал и приемане от клиента.
Тази статия се фокусира конкретно върху ремонтите с лазерно заваряване и как процесът на лазерно заваряване може да бъде от полза за ремонта на компресора и турбинния вал, включително проблеми, които трябва да бъдат решени.
Дискусията включва зоните на шахтите, които най-често се ремонтират, рисковете от лазерно заваряване на тези места и видовете тестове, които трябва да се изискват за валидиране на процедурата.
Заваряване с лазерен лъч
Преди появата на заваряването с лазерен лъч (LBW), най-разпространеният процес за ремонт на валове беше електродъговото заваряване под флюс (SAW), главно поради неговата здравина и висока скорост на отлагане.
Този процес обаче включва голямо влагане на топлина, което може да доведе до изкривяване на вала и високи остатъчни напрежения. Поради изкривяване, ремонтите на SAW често изискват премахване на всички изпъкнали елементи от зоната за ремонт, реконструкция на тези елементи и обширно наслагване, за да се осигури достатъчна допустима обработка за възстановяване на размерите.
В допълнение, поради високите остатъчни напрежения, генерирани от заваряването, ремонтите винаги изискват термична обработка след заваряване (PWHT) преди крайната обработка, която облекчава остатъчните напрежения и по този начин минимизира аксиалното движение (изкривяване) по време на операциите по обработка.
Заваряване (включително облицовка), рязане и термична обработка могат да се извършват с помощта на фокусирани лазери. Въпреки че LBW съществува от 70-те години на миналия век, подобренията в технологията и достъпността разшириха промишлените му приложения, за да включват ремонт на механичен ротор на работно колело.
Основното предимство на LBW е, че това е процес с висока енергийна плътност и следователно може да се заварява с много ниско входяща топлина, като по този начин се минимизира разграждането на основния метал, размера на засегнатата от топлината зона (HAZ), остатъчните напрежения и изкривяването, като същевременно позволява много бързо скорости на заваряване.
В същото време по-малка зона, засегната от топлина, също е полезна, тъй като по-малка част от аксиалния обем има вредни свойства, причинени от топлината, генерирана от процеса на синтез.
Това е особено важно в случай на термично обработваеми сплави, като закалени и закалени стомани, които обикновено се използват в ротори на машини с работно колело. Пример за настройка за лазерно заваряване е показан на фигура 1.
В допълнение към ниското подаване на топлина, процесът LBW произвежда висококачествени заварки чрез стопяване с металургично свързване (без разслояване, адхезия, която може да възникне в покрития), лесна автоматизация, последователност и повторяемост и висока геометрична точност.
Например, размерите на лазерното петно, използвани в това изследване, могат да варират от малък заваръчен шев с диаметър {{0}}.2 mm до наслагване с висока скорост на отлагане с диаметър 2,0 mm.
За да се възползвате напълно от процеса LBW, възможностите на процеса трябва да бъдат съобразени с приложението и другите съображения, описани по-долу, трябва да бъдат разгледани преди прилагането на LBW за ремонт на ротор.
Метален пълнеж
Има два различни процеса за лазерно заваряване. Единият използва напълнен с прах метал (LBW-P), а другият използва напълнен метал с тел (LBW-W). В LBW-P прахът се доставя от подаващо устройство за прах през тръба и една или повече дюзи чрез струя инертен газ, която транспортира праха в заваръчната вана.
При LBW-W присадъчният метал се доставя от ръчно или механизирани телоподаващи устройства, които подават телта в заваръчната вана.
Между двата метода има металургични и логистични разлики, които трябва да се вземат предвид при определяне на най-подходящия процес за конкретен ремонт. Това е особено вярно, като се има предвид, че ASME BPVC все още не е взело предвид тези разлики.
Сред основните променливи са подробности, свързани с прахообразния пълнежен метал, включително размер на прахообразния метал, плътност и скорост на подаване. Въпреки това не се споменават параметри на линията за запълване.
Това показва, че текущата спецификация разглежда само приложения за прахово лазерно заваряване. От това също следва, че характеризирането на процеса е приложимо само за прахообразно лазерно заваряване.
Това е една от причините, поради които заваряването с лазерен лъч може да изисква допълнителни изисквания за характеризиране на процеса.
Лазерни източници
За лазерно заваряване могат да се използват различни източници на лазерна светлина. Тази статия се фокусира върху двата най-разпространени лазерни източника за заваряване, Nd:YAG лазер и лазер с влакна.
Nd:YAG лазерите се състоят от легирани с неодим кристали итрий-алуминиев гранат, които се възбуждат от ксеноново фенерче, за да произведат лазерен лъч, докато фибровлакнестите лазери се състоят от набор от диоди, които възбуждат влакно, легирано с редкоземни елементи, за да произведат лазер лъч.
Докато и двата лазерни източника могат да се използват за ремонт на ротори, и двата предлагат компромиси, включително качество на лъча, размер на лъча, честота на лъча, живот, цена и ефективност.
Изборът на най-добрия лазер зависи от приложението. Въпреки това, когато съответствието на ASME BPVC е проблем, фибролазерите са по-добър избор.
Причината за това е разликата в начина на генериране на лазерния лъч и неговата стабилност във времето. В Nd:YAG лазерите ксеноновата светкавица се разгражда с времето и потъмнява с възрастта.
Затъмняването на крушката води до намаляване на възбуждането на Nd:YAG кристала, което намалява интензитета на получения лазерен лъч. Резултатът е, че изходната мощност на дадена лазерна настройка намалява през целия живот на фенерчето, въпреки че скоростта на затихване може да е неизвестна.
Това е проблематично за съответствие, тъй като според ASME BPVC раздел IX таблица QW-264 мощността на лазера е критична променлива, която не може да се променя по време на даден процес на заваряване.
Поддържането на това изискване е почти невъзможно за Nd:YAG лазери, въпреки че не се споменава този факт в кода. За разлика от Nd:YAG източниците, фибролазерните източници нямат този проблем, тъй като възбуждането се извършва от диод.
Следователно, фибролазерите са по-добри и вероятно необходими в ситуации, когато се изисква съответствие с кода.
Непрекъснати или импулсни лазери
Някои лазерни системи вече имат способността да работят както в импулсен режим, така и в непрекъснат режим на работа. Предимството на използването на импулсни лазери е, че входящата топлина може да бъде намалена, за да се минимизира размерът на HAZ, остатъчните напрежения и аберациите.
В допълнение към общите предимства, пулсирането може да бъде полезно в специални случаи, като заваряване на готови части, където PWHT не е възможно. Това се дължи на факта, че импулсната мощност има по-ниско входяща топлина от непрекъснатата мощност.
Импулсната лазерна работа обаче е до голяма степен ограничена до LBW-W, тъй като системите LBW-P използват непрекъсната мощност, за да работят най-ефективно. Това се дължи на факта, че при приложения, базирани на прах, прахът се доставя непрекъснато, което би довело до значително количество изхабен прах или липса на топене поради недостатъчна топлина между импулсите.
При системи, базирани на тел, телоподаващото устройство се контролира прецизно от оборудването, за да се поддържат постоянни условия на заваряване. Важно е да се отбележи, че режимът на заваряване като независима променлива може също да има ефект върху скоростта на наслояване в процеса на заваряване, но това силно зависи от вида на системата, както и от условията на ремонта.
Като цяло, изборът на модел на заваръчния шев трябва да се основава на вида на доставения добавъчен метал, но също и на вида на ремонта и желаните свойства на заваръчния шев.
Проектиране на заварени съединения
За да се сведат до минимум потенциалните дефекти, дизайнът на съединението трябва да е подходящ за вида на използваната система за заваряване. Системите за заваряване с тел обикновено са по-толерантни към остри ъгли и дълбоки канали, отколкото системите за прахово заваряване.
Това се дължи на факта, че телените системи не изискват система за транспортиране на газ за пренасяне на пълнежния материал до зоната на заваряване. В системите за заваряване на базата на прах, турбулентността в газа-носител, използван за транспортиране на праха към разтопения басейн, причинена от геометрията на субстрата (напр. V-скосен), води до по-лоши скорости на подаване на праха и по-лошо екраниране.
Лошите скорости на подаване на прах могат да доведат до неефективно заваряване и излишна топлина, достигаща до субстрата, докато лошите екраниращи свойства могат да доведат до порьозност и образуване на оксидни включвания. В допълнение, с LBW-P, излишъкът от нестопен прах може да се натрупа във фугата.
Заваряването върху такъв насипен прах може да доведе до сериозни дефекти, включително липса на топене, порьозност или напукване. В резултат на това доставката на прахообразен добавъчен метал при скосяването изисква по-широк ъгъл на скосяване, което създава повече заварени съединения, но също така увеличава обема на скосяването.
В резултат на това, когато се използва LBW-P, обемът на v-браздата, необходим за извличане на образеца, е много голям в сравнение с типичните размери на лазерна заварка, което прави непрактично изработването на образец за характеризиране на процеса.
В случай на доставяне на добавъчен метал на основата на тел, наклонените стени на жлеба представляват геометрични предизвикателства за подаването на защитен газ и тел, което увеличава вероятността от порьозност и увеличава податливостта към липса на дефекти на топене.
Въпреки това скосяването е възможно при LBW заваряване. Освен това, за повечето ремонти на валове, където е приложим LBW, ремонтът често е наслагване на заваръчен шев и не изисква заваряване с наклон.
Фигура 2 показва общи типове ремонти на валове, включително наслагване, натрупване и ремонт на щифтове. Въпреки че ремонтите на щифтове изискват скосено заваряване, LBW обикновено не се използва, тъй като други процеси имат по-високи нива на отлагане.
По отношение на типовете добавъчни материали, LBW-P и LBW-W могат да се използват за общ ремонт на валове, но трябва да се внимава, когато се заварява близо до стъпала или елементи, които могат да причинят турбуленция в процеса на прах.
Изискванията за квалификация на процеса на заваряване обаче може да са невъзможни или непрактични за LBW-P и LBW-P може също да изпитва затруднения, когато порьозността е неприемлива.
Цена и наличност на добавъчни метали
Възможността за избор на добавъчен метал зависи от наличността на обсъждания материал.
Като цяло се предлагат телени и прахови версии за различни материали.
Въпреки това, материалите на основата на тел са склонни да бъдат ограничени до обикновени заваръчни сплави, докато прахообразните материали са склонни да бъдат насочени към високолегирани стомани и специални сплави.
Това е така, защото един от ключовите двигатели за производството на прах е производството на добавки на основата на прах, което има най-високото съотношение цена-полза за по-екзотичните материали.
Поради това е трудно да се намерят въглеродни и нисколегирани стомани в прахообразна форма, тъй като тези материали са достатъчно евтини, така че не е рентабилно да се използва прахообразна форма за повечето индустриални приложения.
Тъй като въглеродните и нисколегираните стомани са силно използвани в машинната индустрия за работни колела, системите за лазерно заваряване с тел често са по-добър вариант поради по-добрата наличност на тези материали. В допълнение, добавъчните метали под формата на тел също обикновено са по-евтини от прахообразната форма.
Недостатъци
От гледна точка на приложението, една от основните разлики между прахообразното лазерно заваряване и лазерното заваряване с тел е видът на дефектите и вероятността от образуване на дефекти по време на процеса на заваряване.
LBW-W е в състояние да произвежда напълно плътни заварки без дефекти, докато LBW-P обикновено има най-малко количество порьозност. Във всеки случай неоптималните параметри на заваряване, геометрията или условията на съединението могат да доведат до дефекти в двата процеса.
Типичните дефекти, които възникват при лазерно заваряване, включват следното, което показва дефекти в наслагването LBW-P:
- Порьозност
- Липса на синтез
- Некондензирани частици
- Пукнатини
Порьозността се характеризира с наличието на празнини в заваръчния слой, създадени от изтичането на газове, уловени по време на втвърдяването.
За LBW има няколко начина за въвеждане на газове в заваръчната вана, но основните теории включват улавяне на защитни газове или метални пари, кавитация, предизвикана от нестабилни заварки с малки отвори, и газове, уловени в прахообразните частици по време на пулверизиране и освободени по време на процеса на заваряване.
В допълнение, лошото покритие със защитен газ по време на процеса на заваряване може да доведе до кавитация, която обикновено се причинява от неправилно подравнени газови лещи или турбуленция в близост до заваръчната вана.
Това може да се дължи на турбуленция от бързо окисляване на втвърдената заваръчна вана или на газове поради изгаряне на кислород във въздуха. И накрая, липсата на чистота на основата и пълнителите също може да допринесе за порьозността.
Заваряването на органичен материал (масло, грес, мръсотия, оксиди и др.) може да доведе до отделяне на газове по време на процеса на заваряване, уловени в заваръчната вана, докато се втвърдява.
Липсата на сливане се характеризира с това, че добавъчният метал не е слят с основния метал на дадено място. Това се случва, когато източникът на топлина не генерира достатъчно топлина за свързване на пълнителя и основния метал.
Типичните причини за това състояние включват лоши ъгли на заваряване, високи скорости на подаване на пълнежния материал и/или недостатъчна лазерна мощност. Подобно на неразтопените, неразтопените частици се характеризират с наличието на остатъци от неразтопен прах в заваръчния шев.
Този тип дефект е уникален за LBW-P, защото включва прах, който LBW-W не включва. Причината за некондензираните частици е подобна на липсата на топене, т.е. няма достатъчно топлина за пълното стопяване и сливане на пълнежния материал с основния материал.
Това обикновено се дължи на това, че лазерът няма достатъчно време, мощност и/или правилно позициониране, за да разтопи целия добавъчен метал в областта на заварката.
Напукването се характеризира с откъсване на заваръчния метал поради напрежение. Напукването може да бъде причинено от различни фактори, често срещаните примери включват силно ограничен дизайн на съединението, бързи скорости на охлаждане, податливост на добавъчния метал, замърсяване, форма на заваръчния шев и/или неправилни параметри на заваряване. Преведено с www.DeepL.com/Translator (безплатна версия)
