本文作者：Michael W. Kuper、Michael Metzmaier

轉(zhuǎn)子是葉輪機(jī)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(shí)間內(nèi)承受顯著的應(yīng)力。

為了實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的可靠性，制造商必須確保組件適合應(yīng)用。嚴(yán)格控制成分，機(jī)械性能和加工，確保零件是可接受的。

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

然而，正常操作的磨損最終會(huì)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(gè)轉(zhuǎn)子相比，修復(fù)提供了成本和時(shí)間優(yōu)勢(shì)，同時(shí)增加與修復(fù)過程相關(guān)的最小風(fēng)險(xiǎn)。

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(diǎn)，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(jī)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(jìn)行激光焊接的風(fēng)險(xiǎn)，以及驗(yàn)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?yàn)樵摴に噲?jiān)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(jìn)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(yùn)動(dòng)(扭曲)。 

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

LBW的主要優(yōu)勢(shì)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(jìn)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(shí)還可以實(shí)現(xiàn)非?？斓暮附铀俣?。 

同時(shí)，較小的熱影響區(qū)也是有益的，因?yàn)檩^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(jī)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(dòng)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(shì)，工藝能力必須與應(yīng)用相匹配，在實(shí)施LBW進(jìn)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(gè)或多個(gè)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(dòng)或機(jī)械化送絲機(jī)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(shí)必須考慮到這一點(diǎn)?？紤]到ASME BPVC還沒有考慮到這些差異，這一點(diǎn)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(xì)節(jié)，包括粉末金屬尺寸、密度和進(jìn)料速率。然而，沒有提到填充線參數(shù)。

這表明當(dāng)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(dāng)ASME BPVC合規(guī)性是一個(gè)問題時(shí)，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(shí)間的穩(wěn)定性。在Nd:YAG激光器中，氙氣閃光燈燈泡隨著時(shí)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(qiáng)度。其結(jié)果是，在手電筒的整個(gè)使用壽命中，給定激光設(shè)置的輸出功率會(huì)下降，盡管衰減的速度可能是未知的。 

這對(duì)于合規(guī)性是有問題的，因?yàn)楦鶕?jù)ASME BPVC Section IX表QW-264，激光功率是一個(gè)關(guān)鍵變量，在給定的焊接過程中不能改變。 

對(duì)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(shí)。與Nd:YAG光源相比，光纖激光光源不存在這個(gè)問題，因?yàn)榧ぐl(fā)是由二極管進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)外，脈沖在特殊情況下也很有用，例如在無法進(jìn)行PWHT的精加工零件上的焊接。這是因?yàn)槊}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?yàn)長BW-P系統(tǒng)使用連續(xù)功率才能最有效地運(yùn)行。這是因?yàn)樵诨诜勰┑膽?yīng)用中，粉末是連續(xù)輸送的，這將導(dǎo)致大量的浪費(fèi)粉末或由于脈沖之間的熱量不足而導(dǎo)致缺乏融合。 

對(duì)于以絲為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，送絲機(jī)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(gè)獨(dú)立變量也會(huì)對(duì)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(jì)

為了盡量減少潛在的缺陷，接頭設(shè)計(jì)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?dú)怏w運(yùn)輸系統(tǒng)來將填充材料運(yùn)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(huì)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(huì)導(dǎo)致焊接效率低和多余的熱量到達(dá)基體，而較差的屏蔽性能會(huì)導(dǎo)致孔隙率和氧化物夾雜物的形成。此外，對(duì)于LBW-P，多余的未熔合粉末也會(huì)積聚在接合處。 

在這種松散的粉末上焊接會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)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(shí)，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(shí)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(hù)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(duì)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(huì)使用LBW，因?yàn)槠渌に嚲哂懈叩某练e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(dāng)焊接接近可能導(dǎo)致粉末工藝湍流的步驟或特征時(shí)，應(yīng)采取謹(jǐn)慎措施。

然而，焊接工藝資格要求對(duì)于LBW-P來說可能是不可能的或不切實(shí)際的，而且LBW-P在孔隙度不可接受的情況下也可能會(huì)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?yàn)榉勰┥a(chǎn)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素之一是基于粉末的增材制造，對(duì)于更奇特的材料來說，它的成本效益比最高。 

正因?yàn)槿绱?，很難找到粉末形式的碳和低合金鋼，因?yàn)檫@些材料足夠便宜，對(duì)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(jī)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(gè)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(gè)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(huì)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(duì)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(hù)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(hù)氣體覆蓋不良會(huì)導(dǎo)致氣孔，這通常是由于不正確對(duì)齊的氣體透鏡或焊池附近的湍流造成的。 

這可能是因?yàn)楣袒赋氐目焖傺趸a(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(huì)導(dǎo)致孔隙率。 

在有機(jī)物質(zhì)(油，油脂，污垢，氧化物等)上焊接會(huì)導(dǎo)致在焊接過程中脫氣，當(dāng)它凝固時(shí)被困在焊接池中。 

缺少熔合的特征是填充金屬與母材金屬?zèng)]有熔合的位置。當(dāng)熱源產(chǎn)生的熱量不足以使填料和賤金屬結(jié)合時(shí)，就會(huì)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(jìn)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(dú)有的，因?yàn)樗婕胺勰?，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(diǎn)。

這通常是因?yàn)榧す鉀]有足夠的時(shí)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(jì)、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(xué)(Ohio State University)材料科學(xué)與工程學(xué)士學(xué)位、碩士學(xué)位和博士學(xué)位。他過去的經(jīng)驗(yàn)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(gè)技術(shù)會(huì)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(tuán)材料工程部的一名焊接工程師。他擁有賓夕法尼亞理工學(xué)院(Pennsylvania College of Technology)焊接與制造工程技術(shù)學(xué)士學(xué)位。他曾在Elliott Group擔(dān)任多個(gè)職位，包括制造工程師、轉(zhuǎn)子部門主管和焊接工程師。