本文作者：Michael W. Kuper、Michael Metzmaier
轉子是葉輪機械設備中最關鍵的部件之一。這些精密組件以極高的速度旋轉，必須在廣泛的使用時間內承受顯著的應力。
為了實現這種級別的可靠性，制造商必須確保組件適合應用。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，需要修復或更換。累積的損傷通常是表面的，與更換整個轉子相比，修復提供了成本和時間優勢，同時增加與修復過程相關的最小風險。
典型的修復工藝包括噴涂、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、使用環境、基材和所需的修復材料以及客戶接受度。
本文特別關注激光焊接維修，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。
討論內容包括最常修復的軸區域，在這些位置進行激光焊接的風險，以及驗證該程序應要求的測試類型。
激光束焊接
在激光束焊接(LBW)出現之前，最常見的軸修復工藝是埋弧焊(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，這可能導致軸的變形和高殘余應力。由于變形，SAW維修往往需要從維修區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尺寸。
此外，由于焊接產生的高殘余應力，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年代就已經存在，但技術和經濟能力的提高擴大了其工業應用范圍，現在包括葉輪機械轉子修復。
LBW的主要優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(HAZ)的大小、殘余應力和變形，同時還可以實現非常快的焊接速度。
同時，較小的熱影響區也是有益的，因為較少的軸體積具有由聚變過程產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子。激光焊接設置示例如圖1所示。
圖一、激光焊接
除了低熱輸入外，LBW工藝還可以生產具有冶金結合的高質量熔焊(沒有分層，涂層中可能發生的附著)，易于自動化，具有一致性和可重復性，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工藝的優勢，工藝能力必須與應用相匹配，在實施LBW進行轉子修復之前，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的最合適工藝時必須考慮到這一點。考慮到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范(WPS)的變量由ASME BPVC Section IX表QW-264和QW-264.1規定。
其中基本變量是與粉末填充金屬有關的細節，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。
這表明當前的規范只考慮粉末激光焊接應用。由此可見，工藝鑒定也只與粉末基激光焊接相關。
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，由氙氣手電筒激發產生激光束，而光纖激光器由一組二極管組成，激發摻稀土元素的光纖產生激光束。
雖然這兩種激光源都可以用于轉子修復，但它們都提供了折衷方案，包括光束質量、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用。然而，當ASME BPVC合規性是一個問題時，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生方式的不同，以及它隨時間的穩定性。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。
調光燈泡導致Nd:YAG晶體的激發減弱，從而降低了產生的激光束的強度。其結果是，在手電筒的整個使用壽命中，給定激光設置的輸出功率會下降，盡管衰減的速度可能是未知的。
這對于合規性是有問題的，因為根據ASME BPVC Section IX表QW-264，激光功率是一個關鍵變量，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越的，并且可以說是必要的。
連續或脈沖激光器
一些激光系統現在有能力在脈沖模式和連續工作模式下工作。使用脈沖激光的優點是可以減少熱輸入，以最大限度地減小HAZ的大小、殘余應力和畸變量。
除了一般的優點外，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系統使用連續功率才能最有效地運行。這是因為在基于粉末的應用中，粉末是連續輸送的，這將導致大量的浪費粉末或由于脈沖之間的熱量不足而導致缺乏融合。
對于以絲為基礎的系統，送絲機由設備精確控制，以保持穩定的焊接條件。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生影響，但這在很大程度上取決于系統的類型，以及修復的條件。
總的來說，焊接模式的選擇應基于填充金屬交付的類型，也基于修復的類型和所需的焊接性能。
焊口設計
為了盡量減少潛在的缺陷，接頭設計必須適合所使用的焊接系統類型。線基焊接系統通常比粉末焊接系統更能容忍尖角和深槽。
這是由于導線系統不需要氣體運輸系統來將填充材料運送到焊接區。在基于粉末的焊接系統中，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線輸送帶來了幾何挑戰，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，對于大多數適用LBW的軸修復，修復往往是焊接覆蓋，不需要坡口焊接。
圖2顯示了常見的軸修復類型，包括覆蓋、堆積和存根修復。雖然存根修復需要坡口焊接，但通常不會使用LBW，因為其他工藝具有更高的沉積速率。
關于填充材料類型，LBW-P和LBW-W可用于一般的軸修復，但當焊接接近可能導致粉末工藝湍流的步驟或特征時，應采取謹慎措施。
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。
這是因為粉末生產的關鍵驅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，對于大多數工業應用來說，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，次優的焊接參數、接頭幾何形狀或條件都會在任何一種工藝中產生缺陷。
激光焊接中出現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的空隙，由凝固過程中被困住的氣體逃逸而產生。
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生的湍流，或由于燃燒空氣中的氧氣而產生的氣體。最后，母材和填充材料潔凈度的缺乏也會導致孔隙率。
在有機物質(油，油脂，污垢，氧化物等)上焊接會導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。當熱源產生的熱量不足以使填料和賤金屬結合時，就會發生這種情況。
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、激光焊接中出現的典型缺陷。這些缺陷是在使用粉末填充金屬的焊接中發現的。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域的所有填充金屬。
裂紋的特征是焊縫金屬因應力而斷裂。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。
關于作者
Michael W. Kuper博士是Elliott Group產品和技術組的材料工程師。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。他目前發表了5篇論文，在十多個技術會議上發表了研究成果，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學士學位。他曾在Elliott Group擔任多個職位，包括制造工程師、轉子部門主管和焊接工程師。
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