Rotorji so ena najbolj kritičnih komponent v strojih in opremi z rotorji. Te natančne komponente se vrtijo pri izjemno visokih hitrostih in morajo vzdržati znatne obremenitve v širokem razponu servisnih časov.
Za doseganje te stopnje zanesljivosti morajo proizvajalci zagotoviti, da so komponente primerne za uporabo. Strog nadzor sestave, mehanskih lastnosti in obdelave zagotavlja, da so deli sprejemljivi.
Ti pregledi, preverjanja in zaščitni ukrepi povečajo življenjsko dobo in hkrati zmanjšajo tveganje katastrofalne okvare.
Vendar bo obraba zaradi normalnega delovanja sčasoma povzročila dovolj škode, da bo potrebno popravilo ali zamenjava. Nakopičene poškodbe so običajno površinske, popravilo pa zagotavlja stroškovne in časovne prednosti pred zamenjavo celotnega rotorja, hkrati pa povečuje minimalno tveganje, povezano s postopkom popravila.
Tipični postopki popravil vključujejo barvanje, galvanizacijo, obločno varjenje, varjenje s plazmo in lasersko varjenje. Vsak postopek ima prednosti in slabosti, odvisno od različnih dejavnikov, vključno z lokacijo in obsegom poškodbe, delovnimi pogoji, okoljem uporabe, zahtevanim substratom in materialom za popravilo ter sprejemanjem strank.
Ta članek se osredotoča posebej na popravila z laserskim varjenjem in na to, kako lahko postopek laserskega varjenja koristi popravilom kompresorjev in turbinskih gredi, vključno z vprašanji, ki jih je treba obravnavati.
Razprava vključuje območja gredi, ki se najpogosteje popravljajo, tveganja laserskega varjenja na teh lokacijah in vrste preskusov, ki bi jih bilo treba zahtevati za validacijo postopka.
Varjenje z laserskim žarkom
Pred pojavom varjenja z laserskim žarkom (LBW) je bil najpogostejši postopek popravila gredi varjenje pod praškom (SAW), predvsem zaradi njegove robustnosti in visoke stopnje nanašanja.
Vendar pa ta proces vključuje velik vnos toplote, kar lahko povzroči deformacijo gredi in visoke preostale napetosti. Zaradi popačenja popravila SAW pogosto zahtevajo odstranitev vseh štrlečih elementov iz območja popravila, rekonstrukcijo teh elementov in obsežno prekrivanje, da se zagotovi zadostna obdelava za obnovitev dimenzij.
Poleg tega zaradi visokih preostalih napetosti, ki nastanejo pri varjenju, popravila vedno zahtevajo toplotno obdelavo po varjenju (PWHT) pred končno obdelavo, ki razbremeni preostale napetosti in tako zmanjša aksialno gibanje (popačenje) med postopki strojne obdelave.
Varjenje (vključno z oblogo), rezanje in toplotna obdelava se lahko izvajajo z uporabo fokusiranih laserjev. Čeprav LBW obstaja že od sedemdesetih let prejšnjega stoletja, so izboljšave v tehnologiji in cenovna dostopnost razširile njegovo industrijsko uporabo tako, da zdaj vključuje mehansko popravilo rotorja rotorja.
Glavna prednost LBW je, da gre za postopek z visoko energijsko gostoto in ga je zato mogoče variti z zelo nizkim vnosom toplote, s čimer se zmanjša razgradnja osnovne kovine, velikost toplotno prizadetega območja (HAZ), preostale napetosti in popačenje, hkrati pa omogoča zelo hitro hitrosti varjenja.
Hkrati je manjša toplotno prizadeta cona prav tako koristna, ker ima manjši del aksialne prostornine škodljive lastnosti, ki jih povzroča toplota, ki nastane pri procesu fuzije.
To je še posebej pomembno v primeru zlitin, ki jih je mogoče toplotno obdelati, kot so kaljena in popuščena jekla, ki se običajno uporabljajo v rotorjih strojev z rotorjem. Primer nastavitve laserskega varjenja je prikazan na sliki 1.
Poleg nizkega vnosa toplote postopek LBW proizvaja visokokakovostne talilne zvare z metalurškim lepljenjem (brez razslojevanja, adhezije, ki se lahko pojavi v prevlekah), enostavno avtomatizacijo, doslednostjo in ponovljivostjo ter visoko geometrijsko natančnostjo.
Na primer, velikosti laserskih točk, uporabljenih v tej študiji, se lahko gibljejo od majhnega zvara s premerom {{0}},2 mm do prekrivnega sloja z visoko stopnjo nanosa s premerom 2,0 mm.
Da bi v celoti izkoristili proces LBW, je treba zmogljivosti postopka uskladiti z aplikacijo, pred uvedbo LBW za popravilo rotorja pa je treba preučiti druge vidike, ki so opisani spodaj.
Kovinsko polnjenje
Obstajata dva različna postopka laserskega varjenja. Ena uporablja kovino, polnjeno s prahom (LBW-P), druga pa kovino, polnjeno z žico (LBW-W). Pri LBW-P se prah dovaja iz podajalnika prahu skozi cev in eno ali več šob s curkom inertnega plina, ki transportira prah v zvarni bazen.
Pri LBW-W se dodajna kovina dovaja z ročnimi ali mehaniziranimi podajalniki žice, ki dovajajo žico v zvarni bazen.
Med metodama obstajajo metalurške in logistične razlike, ki jih je treba upoštevati pri določanju najprimernejšega postopka za posamezno popravilo. To še posebej velja, če upoštevamo, da ASME BPVC teh razlik še ni upošteval.
Med osnovnimi spremenljivkami so podrobnosti, povezane s prašno polnilno kovino, vključno z velikostjo praškaste kovine, gostoto in hitrostjo podajanja. Vendar ni omenjenih parametrov črte za polnjenje.
To pomeni, da trenutna specifikacija upošteva le aplikacije laserskega varjenja v prahu. Iz tega tudi sledi, da je karakterizacija postopka pomembna samo za lasersko varjenje na osnovi praška.
To je eden od razlogov, zakaj lahko varjenje z laserskim žarkom zahteva dodatne zahteve za karakterizacijo postopka.
Laserski viri
Za lasersko varjenje se lahko uporabljajo različni viri laserske svetlobe. Ta članek se osredotoča na dva najpogostejša varilna laserska izvora, laser Nd:YAG in laser z vlakni.
Laserji Nd:YAG so sestavljeni iz kristalov itrijevega aluminijevega granata, dopiranega z neodimom, ki jih vzbuja ksenonska svetilka, da proizvedejo laserski žarek, medtem ko so laserji z vlakni sestavljeni iz niza diod, ki vzbujajo vlakna, dopirana z redkimi zemeljskimi elementi, da proizvedejo laser žarek.
Medtem ko se oba laserska vira lahko uporabljata za popravilo rotorja, oba nudita kompromise, vključno s kakovostjo žarka, velikostjo žarka, frekvenco žarka, življenjsko dobo, ceno in učinkovitostjo.
Izbira najboljšega laserja je odvisna od aplikacije. Ko pa je skladnost z ASME BPVC težava, so laserji z vlakni boljša izbira.
Razlog za to je razlika v načinu generiranja laserskega žarka in njegovi stabilnosti skozi čas. Pri Nd:YAG laserjih se ksenonska žarnica s časom razgradi in s staranjem zatemni.
Zatemnitev žarnice povzroči, da se vzbujanje kristala Nd:YAG zmanjša, kar zmanjša intenzivnost nastalega laserskega žarka. Posledica tega je, da se izhodna moč dane laserske nastavitve zmanjšuje skozi celotno življenjsko dobo svetilke, čeprav je stopnja upadanja morda neznana.
To je problematično za skladnost, ker je v skladu s tabelo QW-264 oddelka IX ASME BPVC moč laserja kritična spremenljivka, ki je ni mogoče spremeniti med danim postopkom varjenja.
Vzdrževanje te zahteve je za laserje Nd:YAG skoraj nemogoče, čeprav to dejstvo v kodi ni omenjeno. V nasprotju z izvori Nd:YAG laserski viri z vlakni nimajo tega problema, ker vzbujanje izvaja dioda.
Zato so vlakneni laserji boljši in nedvomno potrebni v situacijah, ko je zahtevana skladnost s kodo.
Kontinuirani ali pulzni laserji
Nekateri laserski sistemi lahko zdaj delujejo v impulznem in neprekinjenem načinu delovanja. Prednost uporabe impulznih laserjev je, da je mogoče zmanjšati vnos toplote, da se zmanjša velikost HAZ, preostalih napetosti in aberacij.
Poleg splošnih prednosti je lahko pulziranje uporabno v posebnih primerih, kot je varjenje končnih delov, kjer PWHT ni mogoča. To je posledica dejstva, da ima impulzna moč manjši vnos toplote kot neprekinjena moč.
Vendar je impulzno lasersko delovanje v veliki meri omejeno na LBW-W, saj sistemi LBW-P za najučinkovitejše delovanje uporabljajo neprekinjeno moč. To je posledica dejstva, da se pri aplikacijah na osnovi prahu prah dovaja neprekinjeno, kar bi povzročilo znatno količino izgubljenega prahu ali pomanjkanje fuzije zaradi nezadostne toplote med impulzi.
Pri sistemih, ki temeljijo na žici, je podajalnik žice natančno nadzorovan z opremo za vzdrževanje doslednih pogojev varjenja. Pomembno je poudariti, da lahko tudi način varjenja kot neodvisna spremenljivka vpliva na hitrost nanašanja varilnega procesa, vendar je to močno odvisno od vrste sistema in pogojev popravila.
Na splošno mora izbira vzorca zvara temeljiti na vrsti dobavljene polnilne kovine, pa tudi na vrsti popravila in želenih lastnostih zvara.
Oblikovanje zvarnega spoja
Da bi zmanjšali morebitne napake, mora biti oblika spoja primerna za vrsto varilnega sistema, ki se uporablja. Žični varilni sistemi so na splošno bolj tolerantni na ostre vogale in globoke utore kot prašni varilni sistemi.
To je posledica dejstva, da žični sistemi ne potrebujejo sistema za transport plina za prenos polnilnega materiala v območje zvara. Pri varilnih sistemih na osnovi prahu turbulenca v nosilnem plinu, ki se uporablja za transport prahu v bazo staline, ki jo povzroči geometrija substrata (npr. v-poševnina), povzroči nižje hitrosti dovajanja prahu in slabšo zaščito.
Slabe hitrosti dovajanja prahu lahko povzročijo neučinkovito varjenje in odvečno toploto, ki doseže podlago, medtem ko lahko slabe zaščitne lastnosti povzročijo poroznost in nastanek oksidnih vključkov. Poleg tega se lahko pri LBW-P v spoju nabere odvečni nezlit prah.
Varjenje na tak prah lahko povzroči resne napake, vključno s pomanjkanjem taljenja, poroznostjo ali razpokami. Posledično dostava dodajnega materiala na osnovi prahu na poševnem robu zahteva širši kot poševnega poševnega roba, kar ustvari več zvarjenih spojev, a tudi poveča volumen poševnega poševnega roba.
Posledično je pri uporabi LBW-P prostornina v-utora, potrebna za ekstrakcijo vzorca, zelo velika v primerjavi s tipičnimi dimenzijami laserskega zvara, zaradi česar je izdelava vzorca za karakterizacijo postopka nepraktična.
V primeru dovajanja dodajnega materiala na osnovi žice nagnjene stene utora predstavljajo geometrijske izzive za dovajanje zaščitnega plina in žice, kar poveča verjetnost poroznosti in poveča dovzetnost za pomanjkanje fuzijskih napak.
Pri LBW varjenju pa je poševni rob možen. Poleg tega je pri večini popravil gredi, kjer je uporabna LBW, popravilo pogosto prekrivanje z varjenjem in ne zahteva poševnega varjenja.
Slika 2 prikazuje običajne vrste popravil gredi, vključno s popravili prekrivanja, nabiranja in čepov. Čeprav popravila čepov zahtevajo poševno varjenje, se LBW običajno ne uporablja, ker imajo drugi postopki višje stopnje nanašanja.
Kar zadeva vrste dodajnega materiala, se lahko LBW-P in LBW-W uporabljata za splošna popravila gredi, vendar je potrebna previdnost pri varjenju v bližini stopnic ali elementov, ki lahko povzročijo turbulenco v postopku praška.
Vendar pa so lahko zahteve glede kvalifikacij varilnega postopka nemogoče ali nepraktične za LBW-P, LBW-P pa lahko naleti tudi na težave, če je poroznost nesprejemljiva.
Cena in razpoložljivost dodajnih kovin
Možnost izbire dodajne kovine je odvisna od razpoložljivosti obravnavanega materiala.
Na splošno so žične in praškaste različice na voljo za različne materiale.
Vendar pa so materiali na osnovi žice običajno omejeni na običajne zlitine za varjenje, medtem ko so praškasti materiali običajno usmerjeni v bolj legirana jekla in posebne zlitine.
To je zato, ker je eno od ključnih gonil za proizvodnjo prahu aditivna proizvodnja na osnovi prahu, ki ima najvišje razmerje med stroški in koristmi za bolj eksotične materiale.
Zaradi tega je težko najti ogljikova in nizkolegirana jekla v obliki prahu, ker so ti materiali dovolj poceni, da uporaba praškaste oblike za večino industrijskih aplikacij ni stroškovno učinkovita.
Ker se ogljikova in nizkolegirana jekla močno uporabljajo v strojni industriji rotorjev, so laserski varilni sistemi z žico pogosto boljša možnost zaradi boljše razpoložljivosti teh materialov. Poleg tega so dodajne kovine v obliki žice običajno cenejše kot v obliki prahu.
Slabosti
Z vidika uporabe je ena od glavnih razlik med laserskim varjenjem na osnovi prahu in laserskim varjenjem na osnovi žice vrsta napak in verjetnost nastanka napak med postopkom varjenja.
LBW-W je sposoben izdelati popolnoma goste zvare brez napak, medtem ko ima LBW-P običajno najmanjšo količino poroznosti. V vsakem primeru lahko neoptimalni varilni parametri, geometrija spoja ali pogoji povzročijo napake v obeh postopkih.
Tipične napake, ki se pojavijo pri laserskem varjenju, vključujejo naslednje, ki prikazujejo napake v prekrivanju LBW-P:
- Poroznost
- Pomanjkanje fuzije
- Nezliti delci
- Razpoke
Za poroznost je značilna prisotnost praznin v zvarnem nanosu, ki nastanejo zaradi uhajanja plinov, ujetih med strjevanjem.
Za LBW obstaja več načinov za uvajanje plinov v zvarni bazen, vendar glavne teorije vključujejo lovljenje zaščitnih plinov ali kovinskih hlapov, kavitacijo, ki jo povzročajo nestabilni zvari z majhnimi luknjami, in pline, ujete v delce prahu med atomizacijo in sproščene med postopek varjenja.
Poleg tega lahko slaba pokritost z zaščitnim plinom med postopkom varjenja povzroči kavitacijo, ki je običajno posledica nepravilno poravnanih plinskih leč ali turbulence v bližini zvarnega bazena.
To je lahko posledica turbulence zaradi hitre oksidacije strjenega zvarnega bazena ali nastajanja plinov zaradi izgorevanja kisika v zraku. Končno lahko k poroznosti prispeva tudi pomanjkanje čistosti osnovnega in polnilnega materiala.
Varjenje na organski material (olje, mast, umazanija, oksidi itd.) lahko privede do izločanja plinov med postopkom varjenja, ujetih v zvarni bazen, ko se strdi.
Za pomanjkanje fuzije je značilno, da dodajna kovina ni zlita z osnovno kovino na določenem mestu. To se zgodi, ko vir toplote ne ustvari dovolj toplote za povezavo polnila in osnovnih kovin.
Tipični vzroki za to stanje vključujejo slabe zvarne kote, visoke hitrosti dodajanja polnilnega materiala in/ali nezadostno moč laserja. Podobno kot za nezlite delce je za nezlite delce značilna prisotnost ostankov nezlitega prahu v zvaru.
Ta vrsta napake je edinstvena za LBW-P, ker vključuje prah, ki ga LBW-W ne. Razlog za nezlite delce je podoben pomanjkanju zlitja, tj. ni dovolj toplote za popolno taljenje in zlitje polnilnega materiala z osnovnim materialom.
To je običajno posledica tega, da laser nima dovolj časa, moči in/ali pravilnega položaja, da bi stopil vso polnilno kovino v območju zvara.
Za razpoke je značilno, da se zvar odlomi zaradi napetosti. Razpoke lahko povzročijo različni dejavniki, pogosti primeri vključujejo zelo omejeno zasnovo spoja, hitro ohlajanje, občutljivost polnilne kovine, kontaminacijo, obliko zvara in/ali nepravilne varilne parametre. Prevedeno z www.DeepL.com/Translator (brezplačna različica)
