Rotori su jedna od najkritičnijih komponenti u strojevima i opremi rotora. Ove precizne komponente vrte se iznimno velikim brzinama i moraju izdržati značajna naprezanja u širokom rasponu vremena servisiranja.
Kako bi se postigla ova razina pouzdanosti, proizvođači moraju osigurati da su komponente prikladne za primjenu. Stroge kontrole sastava, mehaničkih svojstava i obrade osiguravaju da su dijelovi prihvatljivi.
Ove provjere, verifikacije i zaštitne mjere maksimiziraju životni vijek dok minimaliziraju rizik od katastrofalnog kvara.
Međutim, istrošenost i habanje uslijed normalnog rada na kraju će uzrokovati dovoljno štete da zahtijeva popravak ili zamjenu. Akumulirana oštećenja obično su površinska, a popravak daje prednosti u pogledu troškova i vremena u odnosu na zamjenu cijelog rotora, dok istovremeno povećava minimalni rizik povezan s postupkom popravka.
Tipični procesi popravka uključuju bojanje, oplata, elektrolučno zavarivanje, plazma zavarivanje i lasersko zavarivanje. Svaki proces ima prednosti i nedostatke ovisno o nizu čimbenika uključujući mjesto i opseg oštećenja, radne uvjete, okruženje uporabe, podlogu i potreban materijal za popravak te prihvaćanje korisnika.
Ovaj se članak posebno usredotočuje na popravke laserskim zavarivanjem i na to kako proces laserskog zavarivanja može koristiti popravcima osovine kompresora i turbine, uključujući pitanja koja treba riješiti.
Rasprava uključuje područja osovine koja se najčešće popravljaju, rizike laserskog zavarivanja na tim mjestima i vrste testova koji bi se trebali zahtijevati za validaciju postupka.
Zavarivanje laserskom zrakom
Prije pojave zavarivanja laserskim snopom (LBW), najčešći postupak popravka vratila bilo je zavarivanje pod praškom (SAW), prvenstveno zbog njegove robusnosti i visoke stope taloženja.
Međutim, ovaj proces uključuje veliki unos topline, što može dovesti do iskrivljenja osovine i visokih zaostalih naprezanja. Zbog izobličenja, SAW popravci često zahtijevaju uklanjanje svih izbočenih dijelova iz područja popravka, rekonstrukciju tih dijelova i opsežno preklapanje kako bi se osiguralo dovoljno dopuštenja strojne obrade za vraćanje dimenzija.
Osim toga, zbog visokih zaostalih naprezanja koja nastaju zavarivanjem, popravci uvijek zahtijevaju toplinsku obradu nakon zavarivanja (PWHT) prije završne strojne obrade, koja ublažava zaostala naprezanja i time minimizira aksijalno pomicanje (iskrivljenje) tijekom operacija strojne obrade.
Zavarivanje (uključujući oblaganje), rezanje i toplinska obrada mogu se izvesti pomoću fokusiranih lasera. Iako LBW postoji od 1970-ih, poboljšanja u tehnologiji i pristupačnost proširili su njegovu industrijsku primjenu tako da sada uključuje mehanički popravak rotora impelera.
Glavna prednost LBW je u tome što je to proces visoke gustoće energije i stoga se može zavarivati s vrlo niskim unosom topline, čime se minimalizira degradacija osnovnog metala, veličina zone utjecaja topline (HAZ), zaostala naprezanja i izobličenje, dok se također omogućuje vrlo brzo brzine zavarivanja.
U isto vrijeme, manja zona utjecaja topline također je korisna jer manji dio aksijalnog volumena ima štetna svojstva uzrokovana toplinom generiranom procesom fuzije.
Ovo je osobito važno u slučaju legura koje se mogu toplinski obraditi, kao što su kaljeni i poboljšani čelici, koji se obično koriste u rotorima strojeva s rotorima. Primjer postavke laserskog zavarivanja prikazan je na slici 1.
Osim malog unosa topline, LBW proces proizvodi visokokvalitetne fuzijske zavare s metalurškim spajanjem (bez delaminacije, prianjanja koje se može pojaviti u premazima), jednostavnom automatizacijom, dosljednošću i ponovljivošću te visokom geometrijskom točnošću.
Na primjer, veličine laserske točke korištene u ovoj studiji mogu se kretati od malog zavara s promjerom od {{0}}.2 mm do sloja visoke stope taloženja s promjerom od 2,0 mm.
Kako bi se u potpunosti iskoristile prednosti LBW procesa, mogućnosti procesa moraju biti usklađene s primjenom, a druga razmatranja navedena u nastavku moraju se ispitati prije implementacije LBW za popravak rotora.
Metalno punjenje
Postoje dva različita postupka za lasersko zavarivanje. Jedan koristi metal punjen prahom (LBW-P), a drugi metal punjen žicom (LBW-W). U LBW-P, prah se isporučuje iz dodavača praha kroz cijev i jednu ili više mlaznica mlazom inertnog plina, koji transportira prah u bazen za zavarivanje.
U LBW-W, dodatni metal se isporučuje ručno ili mehaniziranim dodavačima žice koji dovode žicu u bazen za zavarivanje.
Postoje metalurške i logističke razlike između ove dvije metode, koje se moraju uzeti u obzir pri određivanju najprikladnijeg procesa za određeni popravak. Ovo je osobito istinito s obzirom na to da ASME BPVC još nije uzeo u obzir ove razlike.
Među osnovnim varijablama su detalji koji se odnose na metal za punjenje u prahu, uključujući veličinu metala u prahu, gustoću i brzinu punjenja. Međutim, ne spominju se parametri linije ispune.
To znači da trenutna specifikacija uzima u obzir samo primjene laserskog zavarivanja praha. Također slijedi da je karakterizacija procesa relevantna samo za lasersko zavarivanje na bazi praha.
Ovo je jedan od razloga zašto zavarivanje laserskom zrakom može zahtijevati dodatne zahtjeve za karakterizaciju procesa.
Laserski izvori
Za lasersko zavarivanje mogu se koristiti različiti izvori laserskog svjetla. Ovaj se članak fokusira na dva najčešća izvora lasera za zavarivanje, Nd:YAG laser i fiber laser.
Nd:YAG laseri sastoje se od kristala itrijevog aluminijevog granata dopiranog neodimijem koji se pobuđuju pomoću ksenonske svjetiljke da proizvedu lasersku zraku, dok se vlaknasti laseri sastoje od niza dioda koje pobuđuju vlakno dopirano elementima rijetke zemlje da proizvedu laser greda.
Iako se oba laserska izvora mogu koristiti za popravak rotora, oba nude kompromise uključujući kvalitetu snopa, veličinu snopa, frekvenciju snopa, vijek trajanja, cijenu i učinkovitost.
Odabir najboljeg lasera ovisi o primjeni. Međutim, kada je usklađenost s ASME BPVC problemom, fiber laseri su bolji izbor.
Razlog tome je razlika u načinu generiranja laserske zrake i njezinoj stabilnosti tijekom vremena. U Nd:YAG laserima, ksenonska bljeskalica se s vremenom razgrađuje i slabi sa starenjem.
Prigušivanje žarulje uzrokuje smanjenje ekscitacije Nd:YAG kristala, što smanjuje intenzitet rezultirajuće laserske zrake. Rezultat je da se izlazna snaga date laserske postavke smanjuje tijekom životnog vijeka svjetiljke, iako stopa slabljenja može biti nepoznata.
Ovo je problematično za usklađenost jer je, prema ASME BPVC odjeljak IX tablica QW-264, snaga lasera kritična varijabla koja se ne može mijenjati tijekom određenog procesa zavarivanja.
Održavanje ovog zahtjeva gotovo je nemoguće za Nd:YAG lasere, iako se ta činjenica ne spominje u kodu. Za razliku od Nd:YAG izvora, fiber laserski izvori nemaju ovaj problem jer pobudu vrši dioda.
Stoga su vlaknasti laseri superiorniji i nedvojbeno potrebni u situacijama kada je potrebna usklađenost s kodom.
Kontinuirani ili pulsirajući laseri
Neki laserski sustavi sada imaju mogućnost rada u pulsirajućem i kontinuiranom načinu rada. Prednost korištenja pulsirajućih lasera je u tome što se unos topline može smanjiti kako bi se smanjila veličina ZUT-a, zaostala naprezanja i aberacije.
Uz općenite prednosti, pulsiranje može biti korisno u posebnim slučajevima, kao što je zavarivanje gotovih dijelova gdje PWHT nije moguć. To je zbog činjenice da pulsna snaga ima manji unos topline od kontinuirane snage.
Međutim, pulsirajući laserski rad uvelike je ograničen na LBW-W, jer LBW-P sustavi koriste kontinuiranu snagu za najučinkovitiji rad. To je zbog činjenice da se u primjenama koje se temelje na prahu prah isporučuje kontinuirano, što bi rezultiralo značajnom količinom izgubljenog praha ili nedostatkom stapanja zbog nedovoljne topline između impulsa.
Za sustave koji se temelje na žici, dodavač žice je precizno kontroliran opremom kako bi se održali dosljedni uvjeti zavarivanja. Važno je napomenuti da način zavarivanja kao nezavisna varijabla također može imati utjecaj na brzinu taloženja procesa zavarivanja, ali to uvelike ovisi o vrsti sustava, kao i o uvjetima popravka.
Općenito, izbor uzorka zavara trebao bi se temeljiti na vrsti isporučenog dodatnog metala, ali i na vrsti popravka i željenim svojstvima zavara.
Dizajn zavarenog spoja
Kako bi se mogući nedostaci sveli na najmanju moguću mjeru, dizajn spoja mora odgovarati vrsti sustava za zavarivanje koji se koristi. Sustavi zavarivanja temeljeni na žici općenito su tolerantniji na oštre kutove i duboke utore od sustava zavarivanja prahom.
To je zbog činjenice da žičani sustavi ne zahtijevaju sustav za transport plina za prijenos materijala za punjenje u zonu zavarivanja. U sustavima zavarivanja na bazi praha, turbulencija u plinu nosaču koji se koristi za prijenos praha u rastaljenu bazenu uzrokovana geometrijom supstrata (npr. v-kosi) rezultira lošijim brzinama isporuke praha i lošijom zaštitom.
Slaba brzina isporuke praha može dovesti do neučinkovitog zavarivanja i viška topline koja dolazi do podloge, dok loša svojstva zaštite mogu dovesti do poroznosti i stvaranja oksidnih inkluzija. Osim toga, s LBW-P, višak nestopljenog praha može se nakupiti u spoju.
Zavarivanje na takvom rastresitom prahu može dovesti do ozbiljnih nedostataka uključujući nedostatak taljenja, poroznost ili pucanje. Kao rezultat toga, isporuka dodatnog metala na bazi praha na skošenju zahtijeva širi kut skošenja, što stvara više zavarenih spojeva, ali također povećava volumen skošenja.
Kao rezultat toga, kada se koristi LBW-P, volumen v-utora potreban za izvlačenje uzorka je vrlo velik u usporedbi s tipičnim dimenzijama laserskog zavara, što čini nepraktičnim izradu uzorka za karakterizaciju procesa.
U slučaju isporuke metala za punjenje na bazi žice, nagnute stijenke utora predstavljaju geometrijske izazove za zaštitni plin i isporuku žice, što povećava vjerojatnost poroznosti i povećava osjetljivost na nedostatke fuzionih defekata.
Međutim, skošenje je moguće kod LBW zavarivanja. Dodatno, za većinu popravaka vratila gdje je primjenjiv LBW, popravak je često preklapanje zavarivanjem i ne zahtijeva koso zavarivanje.
Slika 2 prikazuje uobičajene vrste popravaka vratila, uključujući popravak preklapanja, nagomilavanja i popravke završetaka. Iako popravci završetaka zahtijevaju koso zavarivanje, LBW se obično ne koristi jer drugi procesi imaju veće stope taloženja.
Što se tiče vrsta dodatnog materijala, LBW-P i LBW-W se mogu koristiti za opće popravke vratila, ali treba biti oprezan pri zavarivanju u blizini stepenica ili elemenata koji mogu uzrokovati turbulencije u procesu praha.
Međutim, zahtjevi za kvalifikaciju procesa zavarivanja mogu biti nemogući ili nepraktični za LBW-P, a LBW-P također može imati poteškoća kada je poroznost neprihvatljiva.
Cijena i dostupnost metala za punjenje
Mogućnost odabira dodatnog metala ovisi o dostupnosti materijala o kojem se raspravlja.
Općenito, verzije od žice i praha dostupne su za različite materijale.
Međutim, materijali na bazi žice obično su ograničeni na uobičajene legure za zavarivanje, dok su praškasti materijali usmjereni na visokolegirane čelike i specijalne legure.
To je zato što je jedan od ključnih pokretača proizvodnje praha aditivna proizvodnja na bazi praha, koja ima najveći omjer troškova i koristi za egzotičnije materijale.
Zbog toga je teško pronaći ugljične i niskolegirane čelike u obliku praha jer su ti materijali dovoljno jeftini da nije isplativo koristiti praškasti oblik za većinu industrijskih primjena.
Budući da se ugljični i niskolegirani čelici uvelike koriste u industriji strojeva s rotorima, sustavi laserskog zavarivanja temeljeni na žici često su bolja opcija zbog bolje dostupnosti tih materijala. Osim toga, dodatni metali u obliku žice također su obično jeftiniji od praha.
Nedostaci
Sa stajališta primjene, jedna od glavnih razlika između laserskog zavarivanja na bazi praha i laserskog zavarivanja na bazi žice je vrsta defekata i vjerojatnost nastanka defekata tijekom procesa zavarivanja.
LBW-W može proizvesti potpuno guste zavare bez grešaka, dok LBW-P obično ima najmanju količinu poroznosti. U svakom slučaju, neoptimalni parametri zavarivanja, geometrija spoja ili uvjeti mogu proizvesti nedostatke u oba postupka.
Tipični nedostaci koji se javljaju kod laserskog zavarivanja uključuju sljedeće, koji pokazuju nedostatke u sloju LBW-P:
- Poroznost
- Nedostatak fuzije
- Nestopljene čestice
- Pukotine
Poroznost je karakterizirana prisutnošću šupljina u zavarenom sloju, nastalih ispuštanjem plinova zarobljenih tijekom skrućivanja.
Za LBW postoji nekoliko načina uvođenja plinova u zavareni bazen, ali glavne teorije uključuju hvatanje zaštitnih plinova ili metalnih para, kavitaciju izazvanu nestabilnim varovima s malim rupama i plinove zarobljene u česticama praha tijekom atomizacije i oslobođene tijekom postupak zavarivanja.
Osim toga, loša pokrivenost zaštitnim plinom tijekom procesa zavarivanja može dovesti do kavitacije, koja je obično uzrokovana nepravilno usmjerenim plinskim lećama ili turbulencijama u blizini zavarene kupke.
To može biti zbog turbulencije uslijed brze oksidacije stvrdnute kupke zavarivanja ili stvaranja plina zbog izgaranja kisika u zraku. Konačno, nedostatak čistoće temelja i materijala za punjenje također može pridonijeti poroznosti.
Zavarivanje na organskom materijalu (ulje, mast, prljavština, oksidi itd.) može dovesti do ispuštanja plinova tijekom procesa zavarivanja, zarobljenog u zavarenoj kupki dok se skrućuje.
Nedostatak fuzije je karakteriziran time što dodatni metal nije spojen s osnovnim metalom na određenom mjestu. To se događa kada izvor topline ne stvara dovoljno topline za spajanje punila i osnovnih metala.
Tipični uzroci ovog stanja uključuju loše kutove zavara, velike brzine dodavanja materijala za punjenje i/ili nedovoljnu snagu lasera. Slično nestopljenim, nestopljene čestice karakterizira prisutnost ostataka nestopljenog praha u zavaru.
Ova vrsta greške je jedinstvena za LBW-P jer uključuje prah, što LBW-W ne uključuje. Razlog za nestopljene čestice sličan je nedostatku fuzije, tj. nema dovoljno topline da se potpuno otopi i stopi materijal za punjenje s osnovnim materijalom.
To je obično zbog toga što laser nema dovoljno vremena, snage i/ili odgovarajućeg položaja da otopi sav dodatni metal u području zavara.
Pukotine karakterizira lomljenje metala zavara uslijed naprezanja. Pukotine mogu biti uzrokovane raznim čimbenicima, uobičajeni primjeri uključuju vrlo ograničen dizajn spoja, brze brzine hlađenja, osjetljivost dodatnog metala, kontaminaciju, oblik zavara i/ili netočne parametre zavarivanja. Prevedeno s www.DeepL.com/Translator (besplatna verzija)
