Turbomaschinen: Laserschweißen für die Rotorrestaurierung von Turbomaschinen: Teil zwei

Sonderserie gesponsert von PSG11. April 2023

Geschrieben von Michael W. Kuper, PhD., Werkstoffingenieur, Elliott Group und Michael J. Metzmaier, Schweißingenieur IV, Werkstofftechnik, Elliott Group

Für Wellenreparaturen ist LBW-W im Allgemeinen besser geeignet als LBW-P. Der erste Grund hierfür besteht darin, dass bei LBW-W die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass sich Defekte, insbesondere Porosität, bilden, die nach der Endbearbeitung zu fehlerhaften Oberflächenfehlern führen können.

Zweitens reduziert die Möglichkeit, eine gepulste Laserquelle in LBW-W zu verwenden, den Wärmeeintrag, was dazu beiträgt, Verformungen, Restspannungen und die Größe der HAZ zu minimieren [8].

Drittens ist Drahtfüllmetall billiger und leichter verfügbar als Pulver im Allgemeinen und möglicherweise die einzige verfügbare Option für Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle, die üblicherweise als Wellenmaterialien für Turbomaschinen verwendet werden.

Für die Rotorreparatur mittels konventionellem Lichtbogenschweißen ist im Allgemeinen ein PWHT erforderlich. Erstens ist die Eigenspannung beim Lichtbogenschweißen groß genug, um nach der Endbearbeitung zu Wellenbewegungen zu führen, insbesondere während des für Turbinenrotoren erforderlichen Wärmestabilitätstests.

Das PWHT baut Restspannungen ab, um Wellenbewegungen während der Bearbeitung zu minimieren. Da es sich bei Rotoren in der Regel um vergütete martensitische Stähle handelt, entsteht beim Schweißen außerdem harter und spröder, nicht angelassener Martensit im Schweißgut und in der HAZ.

Unvergüteter Martensit verringert die Schlagzähigkeit und liegt möglicherweise unter den Anforderungen des Grundmaterials, insbesondere für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen.

Das PWHT vergütet den beim Schweißen entstandenen frischen Martensit, wodurch die Schlagzähigkeit der Welle wiederhergestellt wird. Leider kann das PWHT auch das Grundmaterial überhitzen, was in manchen Fällen zu einem Festigkeitsverlust führen kann.

Auch die Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist ein kostspieliger und zeitaufwändiger Vorgang. Abbildung 4 zeigt den Aufbau für ein PWHT, das auf einen Rotor angewendet wird.

Für diesen Vorgang muss die Welle vertikal aufgehängt sein, um Verformungen zu minimieren. Mit anderen Worten, wenn der Rotor horizontal wärmebehandelt würde, würde sich der Rotor zwischen den Stützen verbiegen und durchhängen, was nach der Wärmebehandlung dauerhaft wäre.

Nach der vertikalen Aufhängung des Schachts werden Heizdecken und Thermoelemente hinzugefügt, die eine intensive und dennoch präzise Wärme (im Allgemeinen über 1000 °F) liefern müssen, und diese Wärme muss gleichmäßig verteilt werden.

Wenn die Wärme ungleichmäßig zugeführt wird, wird die Spannung ungleichmäßig abgebaut, was zu schädlichen Verformungen führen kann.

Heiz-/Kühlraten und Haltezeiten müssen sorgfältig kontrolliert und überwacht werden. Insgesamt ist der Prozess relativ komplex, zeitaufwändig und kostspielig.

Oftmals behaupten Laserschweißanwender, dass für ihren Prozess kein PWHT erforderlich sei, da die Schweißablagerungen und die WEZ, die durch das Laserschweißen entstehen, so klein sind, dass ihr Vorhandensein einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Gesamteigenschaften der Welle hat.

Es gibt jedoch nur wenige wissenschaftliche Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften von Laserschweißreparaturen in Turbomaschinenanwendungen.

Auch wenn die Schweißablagerungen und die HAZ gering sein können, ist es gefährlich anzunehmen, dass sie die Betriebstauglichkeit der Welle nicht beeinträchtigen, insbesondere wenn es sich bei dem Wellenmaterial um vergüteten Stahl handelt, der am häufigsten verwendete Wellenmaterial.

Um PWHT zu vermeiden, müssen Vorkehrungen getroffen werden, um sicherzustellen, dass die Reparatur die erforderlichen Eigenschaften ohne PWHT erfüllt. Zu diesen Vorsichtsmaßnahmen gehören die später in diesem Artikel empfohlenen Tests sowie die Berücksichtigung der Kompatibilität mit den Erosions- und Korrosionsanforderungen der Betriebsumgebung.

Wie oben erwähnt, unterscheidet die aktuelle ASME BPVC nicht zwischen LBW-P und LBW-W und berücksichtigt auch nicht die unvermeidliche zeitliche Änderung der Ausgangsleistung von Nd:YAG-Lasern.

Hier muss in Zukunft Abhilfe geschaffen werden, um den Unterschieden in den typischen Anwendungen und der Qualifikation dieser Prozesse Rechnung zu tragen. Hinsichtlich der Verfahrensqualifikation würden Nutschweißnähte gemäß ASME BPVC Abschnitt IX Tabelle QW-451.1 qualifiziert.

Bei der Rotorsanierung werden LBW-Reparaturen jedoch typischerweise an oberflächlichen Schäden durchgeführt und gelten daher als Schweißüberlagerungen. Die Verfahrensqualifikationsanforderungen für Overlays gemäß ASME BPVC Abschnitt IX Tabelle QW-453 finden Sie in der folgenden Tabelle 1 zusammen mit den Anforderungen für Nutschweißnähte.

Obwohl für Aufpanzerungen Härtewerte erforderlich sind, listet ASME keine Akzeptanzkriterien auf.

Daher sollten die Härtegrenzen auf der Grundlage der Anwendungs- und Betriebsumgebungsbedingungen im Einzelfall angewendet werden.

Wie bereits erwähnt, gelten die meisten Rotorreparaturen als Auftragsschweißungen, aber zusätzlich zu den oben genannten Anforderungen können in einigen Fällen weitere Tests für das Laserstrahlschweißen erforderlich sein.

Im Allgemeinen sollten auch die kritischen Designfaktoren für Wellen berücksichtigt werden, die davon abhängen, welcher Teil der Welle repariert werden muss.

Zu den häufigsten Schadensstellen an einer Welle, die einer Restaurierung unterzogen wird, zählen die Kupplungspassungen, Lagerzapfen, Sondenbereiche, Dichtungsbereiche und das Hauptgehäuse.

Aufgrund der Art des Reparaturprozesses (Verschmelzung des Schweißguts und Bildung der HAZ) wird davon ausgegangen, dass die Eigenschaften der reparierten Bereiche nicht mit den Eigenschaften des ursprünglichen Wellenmaterials übereinstimmen.

Darüber hinaus gelten für jeden Teil einer Welle eigene Konstruktionskriterien. Daher ist es wichtig sicherzustellen, dass die wiederhergestellten Bereiche an jedem Reparaturstandort die Mindestanforderungen an die Gestaltung erfüllen.

Vor diesem Hintergrund finden Sie im Folgenden eine Diskussion der kritischen Eigenschaften, die für jeden Bereich des Schafts berücksichtigt werden sollten. Eine Zusammenfassung dieser Informationen finden Sie in Tabelle 2.

Reparaturen am Hauptwellenkörper finden in der Regel in den Bereichen mit der geringsten Belastung statt, wo eine Anpassung der Materialzusammensetzung und -eigenschaften der Welle im Allgemeinen nicht erforderlich ist. An diesen Stellen besteht das Ziel der Reparatur darin, die Abmessungen wiederherzustellen, ohne dass es an anderer Stelle zu Verzerrungen kommt.

Da der Hauptkörper des Schachts mit dem Prozessgas in Kontakt steht, müssen Schweißreparaturen an Geräten, die für den Wasserstoffbetrieb verwendet werden (über 100 psig Wasserstoffpartialdruck), auf eine maximale Streckgrenze von 120 ksi und eine Härte von 34 Rockwell beschränkt werden C, um die Anforderungen von API 617 zu erfüllen.

Dementsprechend sind weitere Analysen erforderlich, um festzustellen, ob und wie LBW für die Rotorreparatur im Wasserstoffbetrieb eingesetzt werden kann.

Zapfen, Dichtungen und Sondenbereiche haben im Allgemeinen einen kleineren Durchmesser als der Hauptkörper der Welle, daher sind die Spannungen an diesen Stellen mäßig hoch und sollten bei der Auswahl einer Reparaturmethode berücksichtigt werden.

Zugfestigkeit und Zähigkeit sollten Teil der Reparaturbewertung in diesen Bereichen sein. Zapfenbereiche müssen außerdem in der Lage sein, die Anforderungen an die Oberflächenrauheit nach der Endbearbeitung und dem Schleifen zu erfüllen (typischerweise 32 Mikrozoll oder besser), was bedeutet, dass Porosität an diesen Stellen ein Problem darstellen könnte.

Reparaturen in Sondenbereichen müssen gleichmäßige Mikrostrukturen aufweisen, um fehlerhafte elektrische Rundlaufmessungen zu verhindern. Sondenbereiche werden normalerweise geschliffen und brüniert, um die Präzision und Genauigkeit der Sonde zu maximieren.

Das Füllmaterial muss auch als Zielmaterial für die Wirbelstromsonde dienen und möglicherweise müssen Änderungen an der Sondenkalibrierung in Betracht gezogen werden.

Obwohl die Härte für Lagerzapfen und Sondenbereiche kein großes Problem darstellt, stehen die Dichtungsbereiche mit dem Prozessgas in Kontakt und müssen die oben genannten maximalen Festigkeits- und Härteanforderungen erfüllen, wenn der Rotor im Wasserstoffbetrieb betrieben wird.

Der Kupplungsbereich hat in der Regel einen der kleinsten Durchmesser der gesamten Welle und ist daher den höchsten Belastungen ausgesetzt. Dieser Bereich kann auch zusätzliche Spannungskonzentratoren wie Keilnuten, Nuten oder Presspassungen enthalten.

Sofern keine anderen hochbeanspruchten integralen Elemente am Rotor vorhanden sind, wie z. B. Turbinenscheiben, wird die Festigkeit der gesamten Welle auf Grundlage dieses Elements ausgewählt.

Dieser Teil der Welle kann auch hohen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt sein, die durch die den Rotor antreibenden Geräte induziert werden können, so dass die Dauerfestigkeit berücksichtigt werden muss.

Bei der Bestimmung der Dauerfestigkeit ist Vorsicht geboten, da oberflächenbehandeltes Material im Vergleich zum Grundmaterial um bis zu 50 % verringerte Dauerfestigkeit aufweisen kann.

Daher ist neben den Zugeigenschaften auch eine direkte Prüfung der Ermüdungseigenschaften erforderlich. Überlegungen zur Ermüdung bei der Kupplungsreparatur sind komplex und erfordern zusätzliche Überlegungen und Tests, die weit über die ASME BPVC-Richtlinien hinausgehen.

Aufgrund der Kritikalität und Komplexität des Entwurfs und der Bewertung von Kupplungsreparaturen werden Reparaturen in diesem Bereich in diesem Artikel nicht berücksichtigt.

Basierend auf den in diesem Abschnitt identifizierten kritischen Eigenschaften reichen die von ASME BPVC Abschnitt IX geforderten Tests allein nicht aus, um die Eignung der Reparatur für alle gängigen Reparaturstellen mit Ausnahme des Hauptkörpers der Welle zu beurteilen.

Um diese Diskrepanz zu beheben, wird empfohlen, mindestens für alle Reparaturqualifizierungen in den Bereichen Lagerzapfen, Sonde und Dichtung zusätzliche Zug- und Schlagprüfungen durchzuführen.

Härtemessungen müssen auch für Hauptkörper- und Dichtungsreparaturen durchgeführt werden, wenn der Wasserstoffbetrieb die Streckgrenze des Rotors begrenzt. Darüber hinaus erfordern Kopplungsbereiche zusätzliche Überlegungen im Zusammenhang mit Ermüdungstests, die nicht Gegenstand dieses Artikels sind.

Im folgenden Abschnitt werden beispielhafte Testergebnisse aus LBW-Leistungsqualifizierungen für niedriglegierte Stähle aufgeführt, die üblicherweise für Wellen verwendet werden.

Jedes dieser Grundmetalle wurde mit AWS A5.28 Klasse ER120S-1 geschweißt. Die in dieser Studie verwendeten Materialien, einschließlich der in diesem Dokument verwendeten Abkürzungen, der relevanten Industriestandards und Zusammensetzungsgrenzen für primäre Legierungselemente in jedem Material sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Alle Schweißkonstruktionen wurden mit einem 900-Watt-Pulslaserschweißsystem mit einer Faserlaserquelle hergestellt. Die für diese Studie verwendeten Schweißparameter gelten als geistiges Eigentum und können nicht im Detail weitergegeben werden.

Allerdings wurden in dieser Studie die gleichen Schweißparameter verwendet, mit einer durchschnittlichen Laserleistung von 522 W. Diese Leistung entspricht etwa 58 % der Leistungsfähigkeit des Lasersystems und stellt somit eine mittlere Abschmelzleistung dar (ungefähr 0,10 lb/h).

Für jedes Grundmaterial wurde zum Schweißen eine V-Nut in eine 1 Zoll (25,4 mm) dicke Platte eingearbeitet.

Die Nut wurde mit einem eingeschlossenen Winkel von 25° (12,5° pro Seite) bis zu einer Tiefe von 0,625 Zoll (15,9 mm) bearbeitet.

Die Tiefe wurde bis zum Boden der Nut gemessen, die mit einem Radius von 0,1875 Zoll (4,76 mm) bearbeitet wurde.

Nach dem Schweißen wurde die Schweißverbindung einer Eindringprüfung auf Oberflächenfehler unterzogen, anschließend wurden Testproben für mechanische Tests entnommen.

Zusätzlich zur Fugennaht wurden Zugproben, die vollständig aus Schweißgut bestehen, durch das Aufbringen und Stapeln von Schweißgutschichten erstellt, die jeweils aus einem Polster aus Schweißperlen bestehen (ähnlich wie bei der additiven Fertigung).

Die Stäbe waren etwa 0,5 Zoll breit, 0,5 Zoll hoch und 5 Zoll lang. Zum Testen wurden jeweils zwei Zugproben entnommen. Eine Testprobe wurde im geschweißten Zustand getestet, während die andere nach drei PWHT-Tests getestet wurde Stunden bei 1200 °F.

Die folgende Liste fasst die mechanischen Tests zusammen, die für die LBW-W-Verfahrensqualifikation jedes in dieser Studie geschweißten Grundmetalls durchgeführt wurden, wobei alle Proben aus der V-Nut-Schweißnaht entnommen wurden, sofern nicht anders angegeben.

Alle Schweißnähte haben die Eindringprüfung und die Seitenbiegeprüfung bestanden. Auch der Makrotest hat die Prüfung bestanden, was bedeutet, dass er bei 5-facher Vergrößerung keine sichtbaren Risse aufwies.

Abbildung 5 zeigt einen Querschnitt einer LBW-Auflage, der die geringe Größe der HAZ in der LBW-Auflage hervorhebt, die in dieser Studie durchschnittlich 0,00975 Zoll dick war. Darüber hinaus war die LBW-Schweißablagerung sauber und ohne erkennbare Porosität. Die dunklen Flecken auf der Das Bild weist auf leichten Oberflächenrost hin.

Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse der Zugversuche für alle Schweißnähte, einschließlich Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Flächenreduzierung

Versagen.

In dieser Tabelle sind die experimentellen Werte für die Proben im geschweißten Zustand und für PWHT-Proben aufgeführt und enthalten die Eigenschaftsanforderungen des Zusatzdrahts gemäß AWS A5.28.

Die Ergebnisse der Nutschweißzugversuche sind für jedes der vier verwendeten Grundmetalle in Tabelle 5 aufgeführt. Zu den Testergebnissen gehören Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Flächenverringerung und Bruchstelle.

Die Tabelle enthält auch die mechanischen Eigenschaftenanforderungen aus den Grundmetallnormen.

Die Ergebnisse des Kerbschlagbiegeversuchs nach Charpy sind in Tabelle 6 aufgeführt.

Zu den Testergebnissen gehören die Testtemperatur, die durchschnittliche Schlagzähigkeit, die durchschnittliche seitliche Ausdehnung und die durchschnittliche prozentuale Scherung.

Sofern zutreffend, sind auch die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften aus den Grundmetallspezifikationen enthalten.

Die Ergebnisse der Härteprüfung für jede der Nutschweißnähte finden Sie in Tabelle 7.

Tabelle 7 enthält auch die gemessene Dicke des Schweißguts und der HAZ jeder Schweißnaht.

Zusätzlich zu den mechanischen Prüfungen zur Verfahrensqualifizierung wurden Reparaturschweißungen an zwei beschädigten Wellen durchgeführt.

Die erste Welle wurde durch ausgedehnte Lochfraßkorrosion in den Dichtungs-, Sonden- und Lagerbereichen beschädigt (siehe Abbildung 6). Die Abbildung zeigt auch die reparierte Welle nach dem Schweißen und nach der Endbearbeitung.

Der Sondenbereich wurde ebenfalls geschliffen und brüniert, was zusammen mit den elektrischen Rundlaufmessungen in Abbildung 7 zu sehen ist.

Der Farbunterschied zwischen dem reparierten Bereich und dem Rest der Welle resultierte aus der unterschiedlichen Härte der Substrate beim Polieren, die mechanischen und elektrischen Rundlauffehler lagen jedoch innerhalb der erforderlichen Toleranzen.

Abbildung 7. Beispiel eines brünierten Sondenbereichs nach der Reparatur (links). Der Reparaturbereich erscheint aufgrund eines Unterschieds zwischen Grund- und Schweißgut dunkel; Bei der Reparatur wurden jedoch die für einen Sondenbereich erforderlichen geometrischen Toleranzen, die Oberflächengüte und der elektrische Rundlauffehler (rechts) eingehalten.

Die zweite Welle wurde beim Auspacken zur Montage durch einen Teppichschneider beschädigt, siehe Abbildung 8.

Der Kratzer war etwa 0,003 Zoll tief und wurde lokal mit einer einzelnen Schweißraupe repariert, was auch in Abbildung 8 zu sehen ist. Nach der Reparatur wurde die Welle wieder auf die geometrischen Spezifikationen geschliffen, inspiziert und für die Wartung installiert.

Abbildung 8. Der Kratzer (eingekreist) in einem Journalbereich (links); der gleiche Kratzer nach der LBW-Reparatur (Mitte); und der reparierte Bereich nach der Endbearbeitung (rechts).

Der in dieser Studie verwendete ER120S-1 im geschweißten Zustand übertraf die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften der AWS-Drahtnorm um 26,7 %, 14,2 % bzw. 21,4 % in Bezug auf Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung in den vollständig geschweißten Zugproben .

Es wird vermutet, dass diese hervorragenden Werte auf die Kornverfeinerung zurückzuführen sind, die durch die schnelle Erstarrung des Laserschweißprozesses verursacht wird.

Bezüglich der Schweißkonstruktionen zeigten die von jeder V-Nut getesteten Proben, dass die mechanischen Eigenschaften in allen Fällen mit Ausnahme von BM4 die Anforderungen des jeweiligen Grundmaterials übertrafen.

Daher können BM1, BM2 und BM3 mit ER120S-1 mit dem in dieser Studie verwendeten Verfahren geschweißt werden, ohne dass man sich Gedanken über die Einhaltung der mechanischen Eigenschaften des Grundmetalls machen muss.

Der Grund dafür, dass die BM4-Schweißkonstruktion die BM4-Grundmetallanforderungen nicht erfüllte, liegt darin, dass dieses Grundmaterial dem Schweißmaterial überlegen ist. ER120S-1 hat eine Mindestzugfestigkeit von 120 ksi, während BM4 eine Mindestzugfestigkeit von 175 ksi hat.

Trotzdem zeigte die Schweißkonstruktion eine hervorragende Leistung und erreichte im Test eine Zugfestigkeit von 142,3 ksi. Die hier im Vergleich zu den anderen Schweißnähten höhere Festigkeit wurde wahrscheinlich durch die Verdünnung des Grundmetalls verursacht.

Trotz hervorragender mechanischer Eigenschaften im geschweißten Zustand zeigte die Testprobe, die einem PWHT unterzogen wurde, eine Abnahme der Zug- und Streckgrenze um 41 % bzw. 28 %, was im Vergleich zu allen in dieser Studie verwendeten Grundmaterialien inakzeptabel wäre .

Daher sollte dieser Fülldraht nicht in Situationen verwendet werden, in denen ein PWHT erforderlich ist, es sei denn, der erwartete Festigkeitsabfall ist aus konstruktiver Sicht akzeptabel.

Im Allgemeinen waren die Ergebnisse der Schlagzähigkeit außergewöhnlich. Die Schlagzähigkeit aller Schweißverbindungen (die Anforderungen an die Schlagzähigkeit stellten) lag deutlich über den geforderten Werten.

Darüber hinaus waren auch die Ergebnisse der seitlichen Ausdehnung und der prozentualen Scherung außergewöhnlich. Es wird vermutet, dass diese hervorragenden Ergebnisse auf die feine Korngröße des Schweißguts zurückzuführen sind, die in Abbildung 5 zu sehen ist. Zur Bestätigung sind jedoch weitere Charakterisierungen und Tests erforderlich.

Wie bereits erwähnt, erfordert der ASME-Code Härtescans für die Qualifizierung von Schweißauflagen, legt jedoch keine Akzeptanzkriterien fest. Für die Wiederherstellung des Rotors gilt als am besten anwendbare Einschränkung die maximale Härteanforderung (34 Rockwell C), die in API 617 für Kompressorwellen festgelegt ist, die in wasserstoffreichen Umgebungen betrieben werden.

Diese Anforderung würde für Hauptkörper- und Dichtungsreparaturen gelten, da diese Bereiche der Welle mit dem Prozessgas in Kontakt kommen. Gemäß Tabelle 1 von ASTM E140, die die Härteumrechnung regelt, entspricht 34 Rockwell C 336 auf der Vickers-Skala.

Bei einer Belastung mit maximal 336 HV wäre keines der in dieser Studie verwendeten Grundmetalle für den Wasserstoffbetrieb nach dem Reparaturschweißen akzeptabel, da die HAZ-Härte den definierten Grenzwert überschreitet.

Außerdem überschreitet das Schweißgut in allen Fällen die Härtegrenze von 336 HV, mit Ausnahme der BM3-Schweißung, die bei 335 HV gemessen wurde und als äußerst akzeptabel angesehen werden sollte. Erwähnenswert ist auch, dass BM4 ohnehin nicht für den Wasserstoffbetrieb eingesetzt werden konnte, da auch die Grundmetallhärte zu hoch war.

Aufgrund der hohen Härte der HAZ und des Schweißguts wäre keines der in dieser Studie verwendeten Materialien im geschweißten Zustand für den Wasserstoffbetrieb geeignet.

Die Härte dieser Bereiche könnte mit einem PWHT reduziert werden, allerdings verliert das in dieser Studie verwendete Schweißgut, wie bereits erwähnt, durch eine Wärmebehandlung erheblich an Festigkeit, was für Wellenanwendungen möglicherweise nicht akzeptabel ist.

Andere Füllmetalle sind möglicherweise besser geeignet, wenn ein PWHT erforderlich ist, dies liegt jedoch außerhalb des Rahmens der aktuellen Arbeit. Darüber hinaus erfordert die extreme Härte der HAZ möglicherweise einen erheblichen PWHT, um die Anforderungen von API 617 für den Wasserstoffbetrieb zu erfüllen, wodurch das Grundmetall der Welle möglicherweise überhitzt wird, wodurch die Festigkeit über die von der Anwendung festgelegten Grenzen hinaus sinken könnte.

Als Randbemerkung sollte erwähnt werden, dass eine mögliche Lösung für dieses Problem darin bestünde, eine lokalisierte PWHT mittels Induktionserwärmung durchzuführen, die einen Skin-Effekt hat, der möglicherweise in der Lage ist, die HAZ zu temperieren, ohne den Großteil der Welle wesentlich zu stark zu temperieren .

Diese Möglichkeit wurde noch nicht untersucht und erfordert weitere Untersuchungen. Unabhängig davon ist LBW aus den hier dargelegten Gründen möglicherweise nicht die beste Option für Reparaturen in Fällen, in denen Wasserstoff betrieben wird, insbesondere wenn das Grundmaterial vergüteter Stahl ist.

Da der geometrische Rundlauf nach dem Schweißen und der Endbearbeitung innerhalb der zulässigen Grenze (0,002 Zoll) lag, war die durch LBW verursachte Verformung unbedeutend. Nach der Endbearbeitung wurden keine Oberflächenmerkmale festgestellt, was bedeutet, dass beim Flüssigkeitseindringtest keine Porosität festgestellt wurde.

Darüber hinaus wurde der Sondenbereich mit dem Standardverfahren erfolgreich brüniert, was zu akzeptablen geometrischen Toleranzen führte. Auch der elektrische Rundlauftest im Sondenbereich war innerhalb der Toleranzgrenzen akzeptabel, eine Neukalibrierung der Sonde war in diesem Fall nicht erforderlich.

Es wird angenommen, dass der akzeptable elektrische Schlag auf den hohen Grad an Gleichmäßigkeit des Schweißguts zurückzuführen ist, der sich aus dem hohen Grad an Präzision und Kontrolle ergibt, der dem mechanisierten LBW-Prozess innewohnt.

Zur Beurteilung dieser Hypothese wären weitere Untersuchungen erforderlich. Bei der Kratzerreparatur gab es zunächst Bedenken, dass sich die örtliche Schweißnaht nach der Endbearbeitung nicht „reinigen“ würde.

Mit anderen Worten: Es wurde vorhergesagt, dass Kraterbildung am Anfang oder Ende der Schweißnaht oder eine Unterschneidung entlang der Schweißnahtränder nach der Endbearbeitung zu negativem Abstand (Materialmangel) führen kann. Die abschließende Bearbeitung auf die Originalmaße nach dem Schweißen führte jedoch zu einer glatten Oberfläche ohne topologische Defekte oder Tiefstellen.

Der etwa 0,003 Zoll tiefe Kratzer hätte dazu geführt, dass die Welle ohne einen sinnvollen Reparaturprozess Schrott wäre. Das herkömmliche Lichtbogenschweißen wurde als Option ausgeschlossen, da hierfür ein Schweißen vom Zapfenbereich durch das Kupplungsende der Welle erforderlich gewesen wäre Welle.

Eine Schweißung im Kupplungsbereich war in diesem Fall aufgrund der Festigkeitsanforderungen an dieser Stelle nicht möglich. Stattdessen wurde das Laserschweißverfahren genutzt, um eine lokale Reparatur des Kratzers durchzuführen, wodurch das Schweißen im Verbindungsbereich entfällt und gleichzeitig erhebliche Bearbeitungszeit eingespart wird.

Das abschließende Schleifen des Reparaturbereichs erforderte keinen zusätzlichen Materialabtrag über die ursprüngliche Zeichnungstoleranz hinaus.

Der in Abbildung 6 gezeigte Turbinenrotor wies an den Dichtungs- und Lagerstellen erhebliche Lochfraßschäden auf. Eine herkömmliche Lichtbogenschweißung dieser Bereiche hätte einen mehrstufigen Reparaturprozess erfordert.

Zunächst würden alle Schäden und hervorstehenden Merkmale (z. B. Packungszähne, Ausgleichsringe, Druckscheibe usw.) mit einem zusätzlichen Hinterschnitt aus 0,125 Zoll Radialmaterial von der Welle entfernt.

Anschließend wurde die Welle geschweißt, wobei nach Bedarf Material aufgebaut wurde, um die Geometrie aller Merkmale wiederherzustellen, wobei zusätzliches Material für die Bearbeitung und zur Berücksichtigung von Verformungen durch den Schweißprozess hinzugefügt wurde.

Die Schweißnahtreparatur würde dann eine Spannungsarmglühbehandlung erfordern, um Restspannungen zu beseitigen. Dies ist notwendig, da die Eigenspannung dazu tendieren würde, die Welle während der Bearbeitung zu bewegen, was dazu führen würde, dass die erforderlichen geometrischen Toleranzen mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht eingehalten werden.

Bei Turbinenwellen ist der Abbau von Eigenspannungen entscheidend für das Bestehen der Wärmestabilitätsprüfung. Nach der Spannungsentlastung wird die Welle endbearbeitet und anschließend einer zerstörungsfreien Prüfung unterzogen. Turbinenrotoren würden dann der oben erwähnten Hitzestabilitätsprüfung unterzogen.

Durch den Einsatz von Laserschweißen würde der Reparaturprozess weniger Schritte erfordern. Erstens würden die beschädigten Bereiche unterschnitten, obwohl unbeschädigte Bereiche, einschließlich hervorstehender Merkmale, auf dem Schaft verbleiben können.

Zweitens würde die LBW-Überlagerung durchgeführt, um die Wellenabmessungen mit einem zusätzlichen 0,020-Zoll-Bearbeitungsmaterial wiederherzustellen. Drittens würde die Reparatur maschinell bearbeitet, um den Zeichnungsabmessungen zu entsprechen, und schließlich würde die vorgeschriebene zerstörungsfreie Prüfung durchgeführt, um auf Mängel zu prüfen.

Insgesamt erfordert dieser Prozess deutlich weniger Bearbeitung vor und nach der Schweißnahtreparatur und eliminiert den PWHT. Auch wenn der Rotor mit einem korrosionsbeständigen Material wie Nickelbasislegierungen verkleidet ist, lagert LBW weniger Material ab, was zu Kosteneinsparungen führen kann.

Es ist zu beachten, dass die Zeit für das Auftragsschweißen einer Welle beim LBW länger sein kann als bei herkömmlichen Lichtbogenschweißverfahren wie dem Unterpulverschweißen, aber die schnelleren Bearbeitungszeiten und der Wegfall des PWHT bei der Verwendung von LBW gleichen im Allgemeinen die dabei verlorene Zeit aus Schweißen um ein Vielfaches.

Dies hängt natürlich von einer Vielzahl von Faktoren ab, darunter der Größe des Rotors, dem Umfang der Reparaturen, der Komplexität der Funktionen usw., sodass der beste Schweißreparaturprozess für eine bestimmte Anwendung variieren kann und im Einzelfall ausgewählt werden sollte. Einzelfallbasis.

Dennoch bietet LBW in vielen Fällen klare Vorteile bei der Reparatur oberflächlicher Schäden, die häufig im Laufe der Zeit und unter Einsatzbedingungen auftreten.

Laserschweißen ist bei richtiger Anwendung eine wirksame Methode zur Wiederherstellung von Wellen von Turbomaschinen. Das Verfahren ist bei der Durchführung oberflächlicher Reparaturen schnell und effizient und ermöglicht in einigen Fällen die Reparatur ohne die Notwendigkeit einer PWHT, was weitere Zeit und Kosten spart.

Um jedoch LBW-Reparaturen außerhalb des Hauptkörpers der Welle durchzuführen, ist es wichtig, das Schweißverfahren mit zusätzlichen Tests vollständig zu qualifizieren, um die Integrität der Reparatur im geschweißten Zustand sicherzustellen.

Diese Tests umfassen Zugtests, Schlagtests und Härtetests. Obwohl in diesem Dokument nicht ausführlich darauf eingegangen wird, sind Ermüdungstests auch für Kupplungsreparaturen von entscheidender Bedeutung.

Darüber hinaus müssen diese Anforderungen und die Anerkennung der Unterschiede zwischen der Lieferung von draht- und pulverbasiertem Zusatzwerkstoff bei LBW in Abschnitt IX der ASME BPVC berücksichtigt werden, um die Einhaltung dieser Praktiken als Industriestandard sicherzustellen.

HAZ = Wärmeeinflusszone

LBW = Laserstrahlschweißen

LBW-P = Laserstrahlschweißen (Pulverzusatzwerkstoff)

LBW-W = Laserstrahlschweißen (Drahtzusatzwerkstoff)

PWHT = Wärmebehandlung nach dem Schweißen

SAW = Unterpulverschweißen

WPS = Schweißverfahrensspezifikation

Dr. Michael W. Kuper ist Werkstoffingenieur in der Produkt- und Technologiegruppe der Elliott Group. Er hat einen BA, einen MS und einen Ph.D. in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik von der Ohio State University.

Zu seinen bisherigen Erfahrungen zählen die Analyse unterschiedlicher Metallschweißnähte an 9Cr-1Mo-V-Stahl, der mit Zusatzwerkstoffen auf Nickelbasis geschweißt wurde, sowie die additive Fertigung metallischer Werkstoffe mit hoher Abscheidungsrate.

Derzeit hat er fünf Veröffentlichungen veröffentlicht, Forschungsergebnisse auf mehr als einem Dutzend technischen Konferenzen präsentiert und ist aktiver Peer-Reviewer für die Zeitschrift Welding In the World.

Michael Metzmaier ist Schweißingenieur in der Abteilung Werkstofftechnik der Elliott Group. Er hat einen BS in Schweiß- und Fertigungstechnik vom Pennsylvania College of Technology.

Er hatte verschiedene Positionen innerhalb der Elliott Group inne, unter anderem als Fertigungsingenieur, Leiter der Rotorabteilung und Schweißingenieur.