激光熔覆在修復(fù)渦輪機和壓縮機軸方面越來越受歡迎?？蛻魧す馊鄹策x項的需求增加也使越來越多的激光焊接供應(yīng)商樂于提供各種解決方案。

了解激光熔覆工藝的基本能力、局限性和潛在缺陷，以及該工藝怎么才能合格并確保激光焊接修復(fù)滿足給定應(yīng)用的要求變得尤為重要。

與其它焊接工藝一樣，理想的結(jié)果是沉積物冶金性能良好，達到或超過最低應(yīng)用設(shè)計標準。填充材料合金的選擇、形式和輸送方法會對熔敷金屬的質(zhì)量和適用性產(chǎn)生重大影響。

渦輪機械設(shè)備最關(guān)鍵的部件之一是轉(zhuǎn)子。這些精密組件以極高的速度旋轉(zhuǎn)，并且必須在很長的服務(wù)時間內(nèi)承受巨大的壓力。

為了達到這種可靠性水平，制造商必須確保組件適合應(yīng)用。對成分、機械性能和加工的嚴格控制確保部件是合格的。這些檢查、驗證和保障措施最大限度地延長了使用壽命，同時最大限度地降低了災(zāi)難性故障的風險。

但是，正常操作造成的磨損最終仍然會造成一定程度的損壞，需要維修或更換。累積的損壞通常是表面的，與更換整個轉(zhuǎn)子相比，維修提供了成本和時間優(yōu)勢。

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。這些工藝各有優(yōu)缺點，這取決于各種因素，包括損壞的位置和程度、操作條件、服務(wù)環(huán)境、基材和所需的修復(fù)材料以及客戶接受度。

Elliott集團材料工程師Michael W.Kuper博士和該集團四級材料工程焊接工程師Michael J.Metzmier共同撰寫了一篇研究論文，特別關(guān)注了激光焊接修復(fù)以及激光焊接工藝如何有益于壓縮機和渦輪機軸修復(fù)，包括需要解決的問題。論文還對最常維修的軸區(qū)域及在該區(qū)域進行激光焊接的相關(guān)風險，以及評定程序所需的測試類型等內(nèi)容展開討論。

《激光制造商情》小編特此編譯該論文以饗讀者。開始之前先看看相關(guān)的命名法：HAZ=熱影響區(qū)；LBW=激光束焊接；LBW-P=激光束焊接（粉末填充金屬）；LBW-W=激光束焊接（焊絲金屬）；PWHT=焊后熱處理；SAW=埋弧焊；WPS=焊接工藝規(guī)范。

一、焊接設(shè)備配套

1.激光束焊接(LBW)

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)——該工藝堅固耐用且熔敷率高，但是，該工藝涉及高熱輸入，這會導(dǎo)致軸變形和高殘余應(yīng)力。由于變形，SAW 修復(fù)往往需要從修復(fù)區(qū)域移除所有突出特征，重建這些特征，并進行大量覆蓋以確保有足夠的機加工余量來恢復(fù)尺寸。

此外，由于焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力很高，在最終機加工之前，必須進行焊后熱處理 (PWHT)，這可以消除殘余應(yīng)力，從而最大限度地減少機加工過程中軸的變形。

使用激光束可以進行焊接（包括熔覆）、切割和熱處理。盡管 LBW 自 1970 年代就已存在，但技術(shù)的改進和可承受性已經(jīng)擴大了其工業(yè)應(yīng)用范圍，包括渦輪機械轉(zhuǎn)子修復(fù)。

LBW 的主要優(yōu)點是：它是一種高能量密度工藝，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、限制熱影響區(qū) (HAZ) 的大小、殘余應(yīng)力和變形，同時還能實現(xiàn)非?？斓暮附铀俣取?/section>

同時，較小的熱影響區(qū)（HAZ）也是有益的，因為細小的軸體可能會因熔化過程中的熱量而產(chǎn)生有害的特性。這對于通常用于渦輪機轉(zhuǎn)子的調(diào)質(zhì)鋼（如淬火和回火鋼）等可熱處理合金尤為重要。激光焊接設(shè)置示例如圖1所示。

圖1. 激光焊接設(shè)置。

除了低熱輸入外，LBW工藝還可以產(chǎn)生具有冶金結(jié)合的高質(zhì)量熔焊（無分層——涂層中可能會因附著力而發(fā)生分層），易于自動化以實現(xiàn)一致性和可重復(fù)性，并且具有高幾何精度。

例如，用于本研究的激光器的光斑尺寸范圍從用于小焊縫的直徑0.2毫米到用于更高沉積速率堆焊的直徑2.0毫米。

為了利用LBW工藝的優(yōu)勢，工藝能力必須與應(yīng)用相匹配，并且在實施 LBW轉(zhuǎn)子修復(fù)之前還必須探索下面其他注意事項。

2.填充金屬的輸送

有兩種不同的激光焊接工藝。一種使用粉末基填充金屬(LBW-P)，另一種使用線基填充金屬(LBW-W)。在LBW-P中，粉末通過管道和一個或多個噴嘴通過惰性氣體射流從送粉器輸送，惰性氣體將粉末輸送到熔池中。

在LBW-W中，通過手動或機械送絲機將焊絲送入熔池來輸送填充金屬。

這兩種方法在冶金和輸送方面存在差異，在確定給定維修的最合適工藝時必須考慮這些差異?？紤]到ASME BPVC（ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范）中尚未考慮這些差異，這一點尤其正確。

ASME BPVC第IX節(jié)表QW-264和QW-264.1涵蓋了用于激光束焊接的焊接工藝規(guī)范 (WPS) 的變量。

基本變量包括與粉末填充金屬相關(guān)的細節(jié)，包括粉末金屬尺寸、密度和進料速度。但是，沒有提及填充焊絲參數(shù)。

這表明當前規(guī)范僅考慮基于粉末的激光焊接應(yīng)用。因此，程序鑒定也將僅與基于粉末的激光焊接相關(guān)。

這就是為什么激光束焊接可能需要額外的程序鑒定要求的原因之一。

3.激光源

多種激光源可用于激光焊接。本文重點介紹用于焊接Nd:YAG激光器和光纖激光器的兩種最常見的激光源。

Nd:YAG激光器由摻釹釔鋁石榴石晶體組成，由氙閃光燈激發(fā)產(chǎn)生激光束，而光纖激光器由二極管陣列組成，激發(fā)摻雜稀土元素的光纖產(chǎn)生激光束。

雖然這些激光源中的任何一個都可用于轉(zhuǎn)子修復(fù)，但它們都需要權(quán)衡取舍，包括光束質(zhì)量、光束尺寸、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。如果重視ASME BPVC合規(guī)性，光纖激光器則是更好的選擇。

其原因在于激光束的產(chǎn)生方式及其隨時間的穩(wěn)定性不同。在Nd:YAG激光器中，氙閃光燈燈泡會隨著時間的推移而退化，并隨著時間的推移變得更暗。

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)生的激光束的強度。結(jié)果導(dǎo)致給定激光設(shè)置的功率輸出會在閃光燈的整個使用壽命期間降低，盡管降低的速度可能是未知的。

這對于合規(guī)性來說是有問題的——因為根據(jù)ASME BPVC第IX節(jié)表QW-264，激光功率是一個關(guān)鍵變量，對于給定的焊接程序不能改變。對于Nd:YAG激光器來說，保證這點幾乎是不可能的，盡管規(guī)范中沒有提到這一點。

與Nd:YAG源相比，光纖激光源沒有這個問題，因為激發(fā)是由二極管執(zhí)行的。因此，在需要符合規(guī)范的情況下，光纖激光器非常優(yōu)越，而且可以說是必要的。

4.連續(xù)或脈沖激光

現(xiàn)在的一些激光系統(tǒng)能夠在脈沖模式和連續(xù)模式下運行。使用脈沖激光的優(yōu)點是可以減少熱輸入，從而最大限度地減小HAZ的尺寸、殘余應(yīng)力量和變形量。

除了一般優(yōu)點外，脈沖在特定情況下也很有用，例如在無法進行PWHT的精加工零件上進行焊接。這是因為脈沖功率比連續(xù)功率具有更低的熱輸入。

然而，脈沖激光操作主要限于LBW-W，因為LBW-P系統(tǒng)使用連續(xù)功率操作最有效。這是因為在基于粉末的應(yīng)用中，粉末是連續(xù)輸送的，這會導(dǎo)致大量粉末浪費或由于脈沖之間的熱量不足而導(dǎo)致未熔合。

對于基于焊絲的系統(tǒng)，送絲機由設(shè)備精確控制以保持穩(wěn)定的焊接條件。值得注意的是，作為獨立變量的焊接模式也會對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)類型以及修復(fù)條件。

總的來說，焊接模式的選擇應(yīng)基于填充金屬的類型，還應(yīng)基于修復(fù)類型和所需的焊接性能。

二、焊接工藝要素

1.焊縫設(shè)計

為了盡量減少潛在的缺陷，焊縫設(shè)計必須適合所用焊接系統(tǒng)的類型?；诤附z的焊接系統(tǒng)通常比粉末系統(tǒng)更能容忍尖角和深槽。

這是因為焊絲系統(tǒng)不需要氣體輸送系統(tǒng)來將填充材料輸送到焊接區(qū)。在基于粉末的焊接系統(tǒng)中，用于將粉末輸送到熔池的載氣中由基板幾何形狀（例如V形槽）引起的湍流會導(dǎo)致粉末輸送率低和屏蔽不良。

粉末輸送率低會導(dǎo)致焊接效率低下和過多的熱量到達基材，而屏蔽不良會導(dǎo)致孔隙率和氧化物夾雜物的形成。此外，對于LBW-P，多余的未熔融粉末也會積聚在焊縫中。

在這種松散的粉末上進行焊接會導(dǎo)致嚴重的缺陷，包括未熔合、氣孔或開裂。因此，在坡口中輸送粉末基填充金屬需要更寬的坡口角度，這樣可以更接近焊縫，但也會增加坡口的體積。

因此，與激光焊縫的典型尺寸相比，使用LBW-P時提取試樣所需的V形槽體積非常大，這使得制造用于工藝鑒定的試樣不切實際。

在基于焊絲的填充金屬輸送的情況下，凹槽的傾斜壁為保護氣體和焊絲輸送帶來了幾何挑戰(zhàn)，這增加了孔隙率的可能性并增加了缺乏熔合缺陷的敏感性。

但是，LBW可以進行坡口焊接。此外，對于適用LBW的大多數(shù)軸修復(fù)，修復(fù)往往是堆焊，不需要坡口焊。

圖2顯示了常見的軸修復(fù)類型，包括覆蓋、堆積和短軸修復(fù)。雖然短管修復(fù)需要坡口焊，但通常不會使用LBW進行，因為其他工藝具有更高的沉積速率。

關(guān)于填充材料類型，LBW-P和LBW-W可用于一般的軸修復(fù)，但當焊縫靠近可能在粉末工藝中引起湍流的臺階或特征時應(yīng)小心。

但是，對于LBW-P，焊接工藝資格要求或許是不可能或不切實際的，并且LBW-P在孔隙率不可接受的情況下也可能會遇到困難。

圖 2. 常見的軸維修

2.填充金屬成本和可用性

選擇填充金屬的能力取決于相關(guān)材料的可用性。通常，線材和粉末材料均適用于各種材料。

然而，線材材料往往僅限于常用的焊接合金，而粉末材料往往適用于高合金鋼和特種合金。

這是因為粉末生產(chǎn)的主要驅(qū)動力之一是基于粉末的增材制造，它對于更奇特的材料具有最高的成本效益比。

因此，很難找到粉末形式的碳鋼和低合金鋼，因為這些材料足夠便宜，因此粉末形式的使用對于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用來說并不具有成本效益。

由于碳鋼和低合金鋼在渦輪機械行業(yè)中大量使用，因此基于線材的激光焊接系統(tǒng)往往是更好的選擇，因為這些材料的可用性更高。此外，線材形式的填充金屬通常也比粉末形式便宜。

3.缺陷

從應(yīng)用的角度來看，基于粉末和基于線材的激光焊接之間的一個主要區(qū)別是缺陷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通常具有最少的少量孔隙率。無論如何，次優(yōu)的焊接參數(shù)、焊縫形狀或條件都會產(chǎn)生缺陷。

激光焊接中出現(xiàn)的典型缺陷包括以下幾種：

·孔隙率

·缺乏融合

·未融合的粒子

·開裂

示例如圖3所示，圖3顯示了LBW-P堆焊層中的缺陷。

圖3. 激光焊接中出現(xiàn)的典型缺陷。這些缺陷是在使用基于粉末的填充金屬輸送制成的焊縫中發(fā)現(xiàn)的?？梢钥吹娇紫堵噬⒉荚诿總€圖像上。

孔隙率的特征是焊縫內(nèi)出現(xiàn)空隙，這些空隙是由凝固過程中捕獲的逸出氣體產(chǎn)生的。

對于LBW，有幾種方式可以導(dǎo)致氣體引入熔池，但主要理論包括捕獲保護氣體或金屬蒸汽、不穩(wěn)定的小孔焊接引起的氣蝕以及霧化過程中粉末顆粒中捕獲的氣體并在焊接過程中釋放。

此外，焊接過程中保護氣體覆蓋不良也可能會導(dǎo)致氣孔，這通常是由于氣體透鏡對準不當或焊池附近的湍流造成的。

這可能是由于正在凝固的熔池快速氧化產(chǎn)生的湍流，或者是由于空氣中的氧氣燃燒產(chǎn)生的氣體。最后，基底金屬和填充材料清潔度不足也會導(dǎo)致孔隙率增加。

在有機物（油、油脂、污垢、氧化物等）上進行焊接會導(dǎo)致焊接過程中放氣，凝固時氣體會被困在熔池中。

未熔合的特征在于填充金屬未與母材熔合的位置。當熱源產(chǎn)生的熱量不足以使填料和基底金屬聚結(jié)時，就會發(fā)生這種情況。

造成這種情況的典型原因包括焊接角度不良、填充材料進給速度過快和/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化粉末的殘余物。

這種缺陷是LBW-P獨有的，因為它涉及粉末，而LBW-W則沒有。未熔合顆粒的原因是沒有足夠的熱量使填充材料與基材完全熔化和熔合。

這通常是因為激光沒有時間、功率和/或正確定位來熔化焊接區(qū)域中的所有填充金屬。

開裂的特征是焊縫金屬因應(yīng)力而斷裂。開裂可能由多種因素引起，但常見的例子包括高度受限的焊縫設(shè)計、快速冷卻速率、填充金屬敏感性、污染、焊道輪廓和/或不正確的焊接參數(shù)。

4.粉末與線材填充金屬傳送

對于軸的修復(fù)，LBW-W通常比LBW-P更適用。原因是LBW-W形成缺陷的可能性較低，即孔隙率，可能導(dǎo)致最終加工后出現(xiàn)不合格的表面跡象。

其次，在LBW-W中使用脈沖激光源減少了熱輸入，這有助于最大限度地減少變形、殘余應(yīng)力和HAZ的尺寸。

第三，線材填充金屬比一般的粉末更便宜、更容易獲得，它可能是通常用作渦輪機械軸材料的碳鋼和低合金鋼的唯一選擇。

5.焊后熱處理

對于使用傳統(tǒng)電弧焊進行的轉(zhuǎn)子修復(fù)，通常需要PWHT。首先，電弧焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大到足以在最終機加工后引起軸移動，特別是在渦輪轉(zhuǎn)子所需的熱穩(wěn)定性測試期間。

PWHT消除了殘余應(yīng)力，最大限度地減少加工過程中的軸運動。此外，由于轉(zhuǎn)子通常是淬火和回火馬氏體鋼，因此焊接會在焊縫和HAZ中產(chǎn)生硬而脆的未回火馬氏體——未回火的馬氏體會降低沖擊韌性，可能低于基礎(chǔ)材料要求，尤其是對于低溫服務(wù)。

PWHT對焊接過程中形成的新鮮馬氏體進行回火處理，從而恢復(fù)軸的沖擊韌性。不幸的是，PWHT也會使基材過度回火，這在某些情況下可能會導(dǎo)致強度損失。

焊后熱處理也是一項昂貴且耗時的操作。圖4顯示了應(yīng)用于轉(zhuǎn)子的PWHT的設(shè)置。

圖 4. 焊后熱處理設(shè)置

對于這個過程，軸必須垂直懸掛以盡量減少變形。換句話說，如果對轉(zhuǎn)子進行水平熱處理，則轉(zhuǎn)子會在熱處理后在支撐件之間形成永久性的彎曲和下垂。

豎直懸掛軸后，添加加熱毯和熱電偶，它們必須提供強烈而精確的熱量（通常超過1000 °F），并且這種熱量必須均勻分布。

如果不均勻地加熱，則應(yīng)力將不均勻地釋放，這可能導(dǎo)致有害的變形。

必須仔細控制和監(jiān)測加熱/冷卻速率和保持時間?？傮w而言，該過程相對復(fù)雜、費時且成本高。

通常，激光焊接涂敷器聲稱其工藝不需要進行焊后熱處理，因為激光焊接產(chǎn)生的熔敷和熱影響區(qū)足夠小，它們的存在對整體軸性能的影響可以忽略不計。

然而，關(guān)于激光焊接修復(fù)在渦輪機械應(yīng)用中的機械性能的學(xué)術(shù)研究很少。

雖然焊縫和HAZ可能很小，但假設(shè)它們不會影響軸的適用性是危險的，特別是當軸材料為最常用的軸材料——調(diào)質(zhì)鋼時。

為了避免PWHT，必須采取預(yù)防措施以確保在沒有PWHT的情況下修復(fù)將滿足所需的性能。這些預(yù)防措施包括本文后面推薦的測試，以及考慮與操作環(huán)境的侵蝕和腐蝕要求的兼容性。

6.當前的鑒定標準

如上所述，當前的ASME BPVC沒有區(qū)分LBW-P和LBW-W，也沒有說明Nd:YAG 激光器輸出功率隨時間不可避免的變化。

這將需要在未來進行補充，以解決這些過程在典型應(yīng)用和鑒定方面的差異。關(guān)于工藝鑒定，坡口焊縫將根據(jù)ASME BPVC第IX節(jié)表QW-451.1進行鑒定。

然而，對于轉(zhuǎn)子修復(fù)，LBW修復(fù)通常是對表面損壞進行的，因此將被視為堆焊。ASME BPVC第IX節(jié)表QW-453中對堆焊的工藝鑒定要求以及對坡口焊縫的要求可在如下表1中找到。

表 1：根據(jù) ASME BPVC第IX節(jié)對堆焊和坡口焊的工藝鑒定測試要求。

盡管硬面覆蓋層需要硬度讀數(shù)，但ASME并未列出驗收標準。

因此，硬度限值應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用和使用環(huán)境條件應(yīng)用。

如前所述，大多數(shù)轉(zhuǎn)子維修符合堆焊要求，但除了上述要求外，在某些情況下可能還需要對激光束焊接進行進一步測試。

通常，還應(yīng)考慮軸的關(guān)鍵設(shè)計因素，這取決于軸的哪一部分需要維修。

三、轉(zhuǎn)子不同修復(fù)位置的關(guān)鍵特性

修復(fù)軸上最常見的損壞位置包括聯(lián)軸器配合、軸頸、探頭區(qū)域、密封區(qū)域和主體。

由于修復(fù)過程的性質(zhì)（熔敷焊縫和HAZ的形成），據(jù)了解，修復(fù)區(qū)域的特性將與原始軸材料的特性不匹配。

此外，軸的每個部分都有自己的一套設(shè)計標準。因此，確保修復(fù)區(qū)域滿足每個修復(fù)位置的最低設(shè)計要求非常重要。

考慮到這一點，下面討論了軸的每個區(qū)域應(yīng)考慮的關(guān)鍵特性。此信息的摘要見表 2。

表 2：基于修復(fù)位置的關(guān)鍵材料屬性。

1.主軸體

主軸體維修通常位于應(yīng)力最低的區(qū)域，通常不需要匹配軸材料成分和性能。在這些位置，修復(fù)的目的是恢復(fù)尺寸而不在其他地方造成扭曲。

由于軸的主體與工藝氣體接觸，因此對用于氫氣服務(wù)（氫氣分壓超過100 psig）的設(shè)備進行的焊接修復(fù)必須限制在120 ksi的最大屈服強度和34洛氏C的硬度，以滿足API 617的要求。

因此，需要進一步分析以確定是否以及如何將LBW應(yīng)用于將在氫氣服務(wù)中運行的轉(zhuǎn)子修復(fù)。

2.軸頸、密封件和探頭區(qū)域

與軸的主體相比，軸頸、密封件和探頭區(qū)域的直徑通常較小，因此這些位置的應(yīng)力適中，在選擇修復(fù)方法時應(yīng)考慮在內(nèi)。

抗拉強度和韌性應(yīng)該是這些區(qū)域修復(fù)的評估內(nèi)容。軸頸區(qū)域還必須能夠滿足最終機加工和研磨后的表面粗糙度要求（通常為32微英寸或更高），這意味著這些位置的孔隙率可能是一個問題。

位于探頭區(qū)域的維修必須具有統(tǒng)一的微觀結(jié)構(gòu)，以防止電氣跳動讀數(shù)不穩(wěn)定。探頭區(qū)域通常經(jīng)過研磨和拋光，以最大限度地提高探頭精度和準確度。

填充材料還必須作為渦流探頭的目標材料，并且可能需要考慮探頭校準的變化。

雖然硬度不是軸頸和探針區(qū)域的主要問題，但密封區(qū)域?qū)⑴c工藝氣體接觸，如果轉(zhuǎn)子在氫氣環(huán)境中運行，則必須滿足上述最大強度和硬度要求。

3.聯(lián)軸器

聯(lián)軸器區(qū)域通常是整個軸上直徑最小的區(qū)域之一，這意味著它承受著最高的應(yīng)力。該區(qū)域還可能包含額外的應(yīng)力集中點，例如鍵槽、凹槽或壓縮配合。

除非轉(zhuǎn)子上有其他高應(yīng)力的整體特征，如渦輪盤，否則整軸的強度都是根據(jù)這個特征來選擇的。

軸的這一部分也可能承受非常高的交變應(yīng)力，這可能是由驅(qū)動轉(zhuǎn)子的設(shè)備引起的，這意味著必須考慮耐久極限。

確定耐久極限時應(yīng)小心，因為與基礎(chǔ)材料相比，經(jīng)過表面處理的材料可能會降低達50%的耐久極限。

因此，除了拉伸性能外，還需要直接測試疲勞特性。聯(lián)軸器修復(fù)的疲勞因素是復(fù)雜的，需要額外的考慮和測試，遠遠超出ASME BPVC指南。

由于聯(lián)軸器維修設(shè)計和評估的重要性和復(fù)雜性，本文不考慮這方面的維修。

根據(jù)本節(jié)中確定的關(guān)鍵特性，僅ASME BPVC第IX節(jié)要求的測試不足以評估除軸主體外的所有常見維修位置的維修適用性。

為了彌補這種差異，建議至少對軸頸、探頭和密封區(qū)域中的所有維修鑒定進行補充拉伸試驗和沖擊試驗。

在氫氣環(huán)境限制轉(zhuǎn)子屈服強度的情況下，還必須對主體和密封件進行硬度測量。此外，耦合區(qū)域需要與疲勞試驗相關(guān)的額外考慮，這超出了本文的范圍。

四、激光焊接修復(fù)鑒定

1.機械測試

以下章節(jié)詳細介紹了通常用于軸的低合金鋼的LBW性能鑒定的示例測試結(jié)果。這些基材金屬中的每一種都是使用 AWS A5.28 等級ER120S-1焊接的。本研究中使用的材料，包括本文中使用的縮寫、相關(guān)行業(yè)標準以及每種材料中主要合金元素的成分限制，可在表 3 中找到。

表 3：本節(jié)所述材料的縮寫、行業(yè)標準和主要合金元素的組成。

所有焊件均使用帶有光纖激光源的900瓦脈沖激光焊接系統(tǒng)制造的。用于這項研究的焊接參數(shù)被認為是知識產(chǎn)權(quán)，不能詳細分享。

然而，在整個研究中使用了相同的焊接參數(shù)，平均激光功率為522 W。該功率約為激光系統(tǒng)能力的58%，因此代表中等沉積速率（約0.10 lb/hr）。

對于每種基材，將v形槽加工成1英寸（25.4 mm）的板用于焊接。

凹槽加工成25° 夾角（每側(cè)12.5°），深度為0.625英寸（15.9 毫米）。

測量凹槽底部的深度，凹槽的加工半徑為 0.1875 英寸（4.76 毫米）。

焊接后，對焊件進行表面缺陷液體滲透測試，然后提取試樣進行機械測試。

除了坡口焊縫外，通過沉積和堆疊焊縫金屬層創(chuàng)建了完全由焊縫金屬組成的拉伸試樣，每層焊縫金屬由一個焊珠墊組成（類似于增材制造）。

鋼筋大約0.5英寸寬、0.5英寸高和5英寸長。從每個試樣中提取兩個拉伸試樣用于測試。一個試樣在焊接狀態(tài)下進行測試，而另一個試樣在1200 °F下接受三小時的焊后熱處理測試。

下表總結(jié)了為本研究中焊接的每種母材進行LBW-W工藝鑒定所進行的機械測試，所有試樣均取自v形槽坡口焊縫，除非另有說明。

●兩次橫向拉伸試驗

●六項夏比沖擊試驗

·三個來自焊縫金屬

·三個來自HAZ

●硬度掃描（每個壓痕五個）

·焊縫

·熱影響區(qū)

·基底金屬

●四側(cè)彎曲試驗

●兩次縱向拉伸試驗（從全焊縫金屬堆積中提取

·一個處于焊接狀態(tài)

·PWHT之后的一次）

2.測試結(jié)果

所有焊縫均通過液體滲透檢測和側(cè)彎檢測。宏觀測試也通過了檢查，這意味著它在放大5倍的情況下沒有可見裂紋。

圖5顯示了LBW堆焊層的橫截面，突出顯示了LBW覆蓋層中HAZ的小尺寸，在本研究中平均厚度為0.00975英寸。此外，LBW焊縫沉積物干凈，沒有可檢測到的孔隙。圖像上的深色斑點來自輕微的表面銹蝕。

圖 5. LBW 覆蓋層的橫截面

表4顯示了全焊縫拉伸試驗的結(jié)果，包括屈服強度、拉伸強度、斷裂伸長率和斷面收縮率。

表 4：在焊接和PWHT條件下從全焊接金屬 (ER120S-1) 堆積中提取的試樣的拉伸試驗結(jié)果。

此表列出了焊接樣品和PWHT樣品的實驗值，并包括AWS A5.28中填充焊絲的性能要求。

表5是所用四種基底金屬的坡口焊縫拉伸試驗結(jié)果。測試結(jié)果包括屈服強度、抗拉強度、斷裂伸長率、斷面收縮率和斷裂位置。

該表還包括基底金屬標準的機械性能要求。

表 5：使用 ER120S-1 焊絲在各種基材上進行的 V 形槽焊縫的平均拉伸試驗結(jié)果以及每種基材的機械性能要求。

夏比v型缺口沖擊試驗的結(jié)果見表 6。

表 6：用 ER120S-1 在各種基材上制成的 V 形槽焊縫的平均沖擊試驗結(jié)果以及每種基材的沖擊韌性要求。

測試結(jié)果包括測試溫度、平均沖擊韌性、平均橫向膨脹和平均剪切百分比。

如果適用，還包括基底金屬規(guī)范中的機械性能要求。

各坡口焊縫的硬度測量結(jié)果見表 7。表7還包含每個焊縫的焊縫沉積物和HAZ 的測量厚度。

表 7：用 ER120S-1 焊接的每種材料的平均維氏硬度 (HV10) 和焊縫金屬、HAZ 和母材的厚度。

3.修復(fù)示例

除了為工藝鑒定進行的機械測試外，還對兩個損壞的軸進行了焊補。

如圖6所示，第一根軸在密封件、探頭和軸頸區(qū)域受到廣泛的點蝕損壞。該圖還顯示了焊接后和最終機加工后修復(fù)后的軸。

圖 6. 大面積點蝕損壞的軸

探頭區(qū)域也經(jīng)過打磨和拋光，并進行了電氣跳動測量。如圖 7 所示。

圖 7. 修復(fù)后燒焦的探針區(qū)域示例（左）。由于基體金屬和焊縫金屬之間的差異，修復(fù)區(qū)域看起來很暗；然而，修復(fù)滿足了探針區(qū)域所需的幾何公差、表面光潔度和電氣跳動（右）。

修復(fù)區(qū)域和軸的其余部分之間的顏色差異是由于拋光過程中基材的硬度差異造成的，但是，機械和電氣跳動讀數(shù)在要求的公差范圍內(nèi)。

圖8顯示的是一個被美工刀劃傷的軸。劃痕深約 0.003 英寸，使用單個焊縫進行了局部修復(fù)，如圖 8 所示。修復(fù)后，將軸磨回幾何規(guī)格、檢查并安裝以供使用。

圖 8. 劃痕區(qū)域（左）；LBW修復(fù)后的相同劃痕（中）；以及精加工后的修復(fù)區(qū)域（右）。

4.機械性能：拉伸性能和沖擊韌性

本研究中使用的焊態(tài)ER120S-1在所有焊縫拉伸試樣中的屈服強度、抗拉強度和伸長率分別超過AWS線材標準的26.7%、14.2%和21.4%的機械性能要求。

據(jù)推測，這些優(yōu)異的值源于激光焊接過程固有的快速凝固引起的晶粒細化。

對于焊件，從每個V型坡口測試的樣品得知，除BM4外，所有情況下的機械性能均超過相關(guān)基材的要求。

因此，BM1、BM2和BM3可以使用本研究中使用的工藝與ER120S-1焊接，而不必擔心滿足母材機械性能。

BM4焊件不符合BM4母材要求的原因是該母材與焊接材料匹配度過高。ER120S-1的最小抗拉強度為120ksi，而BM4的最小抗拉強度為175ksi。

盡管如此，焊件的性能還是非常出色，在測試時達到了142.3ksi的抗拉強度。與其他焊縫相比，此處顯示的更高強度可能是由于母材稀釋造成的。

盡管在焊接條件下具有出色的機械性能，但接受焊后熱處理的試樣的拉伸強度和屈服強度分別降低了41%和28%，與本研究中使用的所有基材相比，達到了無法接受的水平。

因此，除非從設(shè)計角度來看，預(yù)期的強度下降是可接受的，否則不得在需要焊后熱處理的情況下使用該填充線。

總的來說，沖擊韌性結(jié)果非常出色。所有焊接接頭（有沖擊韌性要求的）的沖擊韌性均遠高于要求值。

此外，橫向膨脹和剪切百分比結(jié)果也非常出色。據(jù)推測，這些優(yōu)異的結(jié)果是由于焊縫金屬的細晶粒尺寸，如圖5所示，但需要進一步的表征和測試來確認。

5.硬度

如前所述，ASME規(guī)范要求對堆焊層進行硬度掃描，但沒有設(shè)定驗收標準。對于轉(zhuǎn)子修復(fù)，最適用的限制是API 617規(guī)定的在富氫環(huán)境中運行的壓縮機軸的最大硬度要求 (34洛氏硬度C)。

這一要求適用于主體和密封件的維修，因為軸的這些區(qū)域會接觸工藝氣體。根據(jù)管理硬度換算的ASTM E140 表 1，34洛氏C等于維氏硬度標度的336。

當最大值為336 HV時，由于HAZ硬度超過規(guī)定的極限，本研究中使用的任何母材在補焊后均不可用于氫環(huán)境。

此外，除BM3焊件外，焊縫金屬在所有情況下都超過了336 HV的硬度限值，該值在335 HV下測量，應(yīng)考慮到可接受性的極限。還應(yīng)指出，BM4在任何情況下都不能用于氫環(huán)境，因為基底金屬硬度也太高。

由于HAZ和焊縫的高硬度，本研究中使用的所有材料均不適用于焊接狀態(tài)下的氫環(huán)境。

使用PWHT可以降低這些區(qū)域的硬度，但是如前所述，本研究中使用的焊縫金屬因熱處理而失去相當大的強度，這對于軸應(yīng)用來說可能是不可接受的。

如果需要PWHT，其他填充金屬可能更合適，但這不在本研究的范圍。此外，HAZ的極高硬度可能需要大量PWHT，以滿足API 617對氫環(huán)境的要求，這可能會使軸的基底金屬過度回火，從而使強度降低到應(yīng)用設(shè)定的極限之外。

值得注意的是，解決這個問題的一個潛在解決方案是使用感應(yīng)加熱進行局部焊后熱處理，這種方法具有趨膚效應(yīng)，可以在不顯著過度回火軸體的情況下回火熱影響區(qū)。

這種可能性尚未被探索，需要進一步研究。無論如何，由于此處概述的原因，在涉及氫款境的情況下，LBW可能不是維修的最佳選擇，尤其是當基材為調(diào)質(zhì)鋼時。

6.修復(fù)完成

由于幾何跳動在焊接和精加工后的允許限度內(nèi) (0.002英寸)，LBW引起的變形微不足道。最終機加工后未發(fā)現(xiàn)表面跡象，這意味著在液體滲透測試期間未檢測到孔隙。

此外，使用標準工藝拋光探頭區(qū)域，從而產(chǎn)生可接受的幾何公差。也在公差范圍內(nèi)，探頭區(qū)域的電氣跳動測試也是可接受的，在這種情況下，探頭不需要重新校準。

據(jù)推測，可接受的電氣跳動可歸因于熔敷層的高度均勻性，這是由機械化 LBW 工藝固有的高精度和控制引起的。

需要進一步研究來評估這一假設(shè)。對于劃痕修復(fù)，最初有人擔心局部焊縫在最終機加工后無法“清理”。

換句話說，據(jù)預(yù)測，在焊接開始或停止時出現(xiàn)凹坑，或沿焊趾咬邊可能會導(dǎo)致最終加工后出現(xiàn)負空間（材料缺失）。然而，焊接后按原始尺寸進行的最終機加工產(chǎn)生了光滑的表面，沒有拓撲缺陷或低點。

五、激光焊接修復(fù)的優(yōu)點

1.劃痕修復(fù)

如果沒有可行的修復(fù)工藝，深度約為 0.003 英寸的劃痕會使軸變成廢料。由于需要從軸頸區(qū)域通過軸的聯(lián)接端進行焊接，因此傳統(tǒng)的電弧焊接派不上用場。

在這種情況下，由于該位置的強度要求，在耦合區(qū)域進行焊接是不可行的。相反，激光焊接工藝用于對劃痕進行局部修復(fù)，無需在耦合區(qū)域進行焊接，同時節(jié)省了大量加工時間。

修復(fù)區(qū)域的最終研磨不需要超出原始圖紙公差的額外切削量。

2.覆蓋修復(fù)

如圖6中所示的渦輪機轉(zhuǎn)子在密封件和軸頸位置遭受了嚴重的點蝕損壞。這些區(qū)域的傳統(tǒng)電弧焊堆焊需要多步過程才能修復(fù)。

首先，所有損壞和突出的特征（即填料齒、平衡環(huán)、止推盤等）都將從軸上加工掉，并附加 0.125英寸徑向毛坯底切。

然后將對軸進行焊接，根據(jù)需要堆積材料，以恢復(fù)所有特征的幾何形狀，并添加額外的材料用于加工，并考慮焊接過程中的變形。

然后，焊接修復(fù)需要進行應(yīng)力消除熱處理，以消除殘余應(yīng)力。這是必要的，因為殘余應(yīng)力會在加工過程中移動軸，這很可能導(dǎo)致無法滿足所需的幾何公差。

對于渦輪機軸，消除殘余應(yīng)力對于通過熱穩(wěn)定性檢查至關(guān)重要。消除應(yīng)力后，將對軸進行最終加工，并進行無損檢測。然后渦輪機轉(zhuǎn)子將接受上述熱穩(wěn)定性檢查。

而使用激光焊接，修復(fù)過程步驟則更少。首先，受損區(qū)域?qū)⒈灰н叄词軗p區(qū)域（包括突出特征）可能會留在軸上。

其次，將執(zhí)行LBW 覆蓋，以使用額外的0.020英寸機加工余量恢復(fù)軸尺寸。第三，根據(jù)圖紙尺寸進行修復(fù)，最后進行規(guī)定的無損檢測以檢查缺陷。

總的來說，這個過程在焊接修復(fù)前后需要的機加工明顯減少，并且消除了焊后熱處理。此外，在轉(zhuǎn)子被諸如鎳基合金等耐腐蝕材料包覆的情況下，LBW沉積的材料更少，從而節(jié)省成本。

應(yīng)注意的是，LBW堆焊軸的時間可能比傳統(tǒng)的電弧焊工藝（如埋弧焊）更長，但使用LBW時加工時間更快，且無需PWHT，往往可以彌補在焊接過程中損失的任何時間。

當然，這取決于多種因素，包括轉(zhuǎn)子尺寸、維修范圍、功能的復(fù)雜性等，因此，針對給定應(yīng)用的最佳焊接修復(fù)工藝可能會有所不同，應(yīng)根據(jù)具體情況進行選擇。

盡管如此，LBW在許多情況下為修復(fù)表面損壞提供了明顯的優(yōu)勢，這種損壞通常會隨著時間的推移和暴露在使用條件下而發(fā)生。

六、結(jié)論

如果應(yīng)用得當，激光焊接是修復(fù)渦輪機械軸的有效方法。該工藝在進行表面修復(fù)時快速高效。在某些情況下，無需進行PWHT即可進行修復(fù)，從而進一步節(jié)省時間和成本。

然而，為了在軸主體外部進行LBW修復(fù)，必須通過補充測試來完全驗證焊接工藝，以確保焊接修復(fù)的完整性。

該測試包括拉伸測試、沖擊測試和硬度測試。雖然本文沒有廣泛討論，但疲勞測試對于聯(lián)軸器維修也至關(guān)重要。

此外，ASME BPVC的第IX節(jié)需要解決這些要求以及對LBW中線材和粉末基填充金屬輸送之間差異的認識，以確保這些做法符合行業(yè)標準。

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激光焊接技術(shù)在修復(fù)渦輪轉(zhuǎn)子上的應(yīng)用

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1.激光束焊接(LBW)

2.填充金屬的輸送

3.激光源

4.連續(xù)或脈沖激光

1.焊縫設(shè)計

2.填充金屬成本和可用性

3.缺陷

4.粉末與線材填充金屬傳送

5.焊后熱處理

6.當前的鑒定標準

1.主軸體

3.聯(lián)軸器

1.機械測試

2.測試結(jié)果

3.修復(fù)示例

4.機械性能：拉伸性能和沖擊韌性

5.硬度

6.修復(fù)完成

1.劃痕修復(fù)

2.覆蓋修復(fù)

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