Turbomaschinen: Laserschweißen

04. April 2023

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

Das Laserauftragschweißen wird bei der Restaurierung von Turbinen- und Kompressorwellen immer beliebter, was zu einer erhöhten Kundennachfrage nach Laserauftragschweißoptionen und einer größeren Zahl von Laserschweißanbietern geführt hat, die eine Vielzahl von Lösungen anbieten.

Daher ist es wichtig, die grundlegenden Fähigkeiten, Einschränkungen und potenziellen Fallstricke des Laserauftragschweißprozesses zu verstehen und zu verstehen, wie der Prozess qualifiziert werden sollte, um sicherzustellen, dass Laserschweißreparaturen den Anforderungen für die jeweilige Anwendung entsprechen.

Wie bei jedem Schweißverfahren ist das gewünschte Ergebnis eine metallurgisch einwandfreie Abscheidung, die die Mindestkriterien für die Anwendungsgestaltung erfüllt oder übertrifft. Auswahl, Form und Liefermethoden der Zusatzwerkstofflegierung können einen erheblichen Einfluss auf die Qualität und Eignung des Schweißguts haben.

Eine der kritischsten Komponenten der Turbomaschinenausrüstung ist der Rotor. Diese Präzisionsbaugruppen rotieren mit extrem hohen Geschwindigkeiten und müssen für lange Betriebszeiten erheblichen Belastungen standhalten.

Um dieses Maß an Zuverlässigkeit zu erreichen, müssen Hersteller sicherstellen, dass die Komponenten für die Anwendung geeignet sind. Strenge Kontrollen der Zusammensetzung, der mechanischen Eigenschaften und der Verarbeitung stellen sicher, dass die Teile akzeptabel sind.

Diese Inspektionen, Überprüfungen und Sicherheitsmaßnahmen maximieren die nutzbare Lebensdauer und minimieren gleichzeitig das Risiko eines katastrophalen Ausfalls.

Allerdings führt der Verschleiß durch den normalen Betrieb irgendwann zu ausreichenden Schäden, die eine Reparatur oder einen Austausch erfordern. Akkumulierte Schäden sind im Allgemeinen oberflächlich, und die Reparatur bietet im Vergleich zum Austausch des gesamten Rotors einen Kosten- und Zeitvorteil, bei gleichzeitig minimalem Risiko im Zusammenhang mit dem Reparaturprozess.

Zu den typischen Reparaturverfahren gehören Sprühbeschichten, Plattieren, Lichtbogenschweißen, Plasmaschweißen und Laserschweißen. Jeder dieser Prozesse hat Vor- und Nachteile, die von einer Vielzahl von Faktoren abhängen, darunter Ort und Ausmaß des Schadens, Betriebsbedingungen, Betriebsumgebung, Untergrund und gewünschtes Reparaturmaterial sowie Kundenakzeptanz.

Dieser Artikel konzentriert sich speziell auf Reparaturen durch Laserschweißen und darauf, wie der Laserschweißprozess bei Reparaturen von Kompressor- und Turbinenwellen vorteilhaft sein kann, einschließlich der zu berücksichtigenden Überlegungen.

Die Diskussion umfasst die am häufigsten reparierten Schachtbereiche, die mit dem Laserschweißen an diesen Stellen verbundenen Risiken und die Arten von Tests, die zur Qualifizierung des Verfahrens erforderlich sein sollten.

Vor der Einführung des Laserstrahlschweißens (LBW) war das Unterpulverschweißen (SAW) das gebräuchlichste Verfahren zur Wellenreparatur, vor allem weil das Verfahren robust ist und eine hohe Abschmelzleistung bietet.

Allerdings ist dieser Prozess mit einem hohen Wärmeeintrag verbunden, der zu einem Verzug der Welle und hohen Eigenspannungen führen kann. Aufgrund von Verzerrungen müssen bei SAW-Reparaturen in der Regel alle hervorstehenden Elemente aus dem Reparaturbereich entfernt, diese Elemente neu aufgebaut und umfangreiche Überlagerungen vorgenommen werden, um sicherzustellen, dass ausreichend Bearbeitungsmaterial zur Wiederherstellung der Abmessungen vorhanden ist.

Aufgrund der hohen Eigenspannung beim Schweißen erfordern Reparaturen vor der endgültigen Bearbeitung immer eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT), die Eigenspannungen abbaut und die Wellenbewegung (Verzerrung) während des Bearbeitungsvorgangs minimiert.

Der Zugriff auf einen fokussierten Laser ermöglicht Schweißen (einschließlich Plattieren), Schneiden und Wärmebehandlung. Obwohl es LBW bereits seit den 1970er Jahren gibt, haben Fortschritte in der Technologie und Erschwinglichkeit das Spektrum der industriellen Anwendungen erweitert, zu denen nun auch die Rotorsanierung von Turbomaschinen gehört.

Der Hauptvorteil von LBW besteht darin, dass es sich um ein Verfahren mit hoher Energiedichte handelt und daher mit sehr geringem Wärmeeintrag geschweißt werden kann, wodurch die Verschlechterung des Grundmetalls, die Größe der Wärmeeinflusszone (HAZ), Eigenspannung und Verformung minimiert werden. und ermöglicht gleichzeitig sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten.

Unterdessen hat die kleinere HAZ auch den Vorteil, dass weniger Schachtvolumen das Potenzial für schädliche Eigenschaften aufweist, die durch die Wärme aus dem Fusionsprozess verursacht werden.

Dies ist besonders wichtig im Fall von wärmebehandelbaren Legierungen wie vergüteten Stählen, die üblicherweise für Rotoren von Turbomaschinen verwendet werden. Ein Beispiel für einen Laserschweißaufbau ist in Abbildung 1 dargestellt.

Neben der geringen Wärmezufuhr erzeugt das LBW-Verfahren qualitativ hochwertige Schmelzschweißnähte mit einer metallurgischen Bindung (keine Delaminierung, die bei auf Adhäsion basierenden Beschichtungen auftreten kann), lässt sich für Konsistenz und Wiederholbarkeit leicht automatisieren und weist eine hohe geometrische Präzision auf.

Beispielsweise kann die Punktgröße des für diese Studie verwendeten Lasers zwischen 0,2 mm Durchmesser für kleine Schweißnähte und 2,0 mm Durchmesser für Überlagerungen mit höherer Abscheidungsrate liegen.

Um die Vorteile des LBW-Prozesses nutzen zu können, müssen die Prozessfähigkeiten an die Anwendung angepasst werden und zusätzliche Überlegungen, die unten aufgeführt sind, müssen untersucht werden, bevor LBW für die Rotorwiederherstellung implementiert wird.

Es gibt zwei unterschiedliche Laserschweißverfahren. Einer verwendet pulverbasierten Zusatzwerkstoff (LBW-P) und einen, der drahtbasierten Zusatzwerkstoff (LBW-W) verwendet. Beim LBW-P wird Pulver von einem Pulverzuführer über Rohre und eine oder mehrere Düsen durch einen Inertgasstrahl gefördert, der das Pulver in das Schweißbad befördert.

Beim LBW-W erfolgt die Zufuhr des Zusatzwerkstoffes durch die Zuführung des Drahtes in das Schweißbad, entweder von Hand oder mit einem mechanisierten Drahtvorschubgerät.

Diese beiden Methoden weisen sowohl metallurgische als auch logistische Unterschiede auf, die bei der Bestimmung des am besten geeigneten Verfahrens für eine bestimmte Reparatur berücksichtigt werden müssen. Dies gilt insbesondere, wenn man bedenkt, dass diese Unterschiede in ASME BPVC noch nicht berücksichtigt sind.

Variablen für Schweißverfahrensspezifikationen (WPS) für das Laserstrahlschweißen werden durch ASME BPVC Abschnitt IX Tabelle QW-264 und QW-264.1 abgedeckt.

Zu den wesentlichen Variablen gehören Besonderheiten im Zusammenhang mit den Pulverzusatzwerkstoffen, einschließlich der Größe, Dichte und Zufuhrgeschwindigkeit des Pulvermetalls. Allerdings werden die Zusatzdrahtparameter nicht erwähnt.

Dies weist darauf hin, dass der aktuelle Code nur pulverbasierte Laserschweißanwendungen berücksichtigt. Daraus folgt, dass die Verfahrensqualifizierung dann auch nur für das pulverbasierte Laserschweißen relevant wäre.

Dies ist ein Grund dafür, dass beim Laserstrahlschweißen möglicherweise zusätzliche Verfahrensqualifikationsanforderungen erforderlich sind.

Zum Laserschweißen können verschiedene Laserquellen verwendet werden. Dieser Artikel konzentriert sich auf zwei der häufigsten Laserquellen zum Schweißen mit Nd:YAG-Lasern und Faserlasern.

Nd:YAG-Laser bestehen aus einem mit Neodym dotierten Yttrium-Aluminium-Granatkristall, der von einer Xenon-Blitzlampe angeregt wird, um den Laserstrahl zu erzeugen, während Faserlaser aus einer Reihe von Dioden bestehen, die eine mit Seltenerdelementen dotierte optische Faser anregen, um den Laserstrahl zu erzeugen .

Während jede dieser Laserquellen für die Rotorwiederherstellung verwendet werden kann, bietet jede von ihnen Kompromisse, einschließlich Strahlqualität, Strahlgröße, Strahlfrequenz, Lebensdauer, Kosten und Effizienz.

Die Wahl des besten Lasers hängt von der Anwendung ab. Wenn es jedoch um die Einhaltung der ASME BPVC geht, ist der Faserlaser die bessere Wahl.

Der Grund dafür ist die unterschiedliche Art und Weise, wie der Laserstrahl erzeugt wird, und seine Stabilität über die Zeit. Im Nd:YAG-Laser verliert die Xenon-Blitzlampe mit der Zeit an Qualität und wird mit zunehmendem Alter schwächer.

Die Dimmerlampe führt zu einer geringeren Anregung des Nd:YAG-Kristalls, was die Intensität des erzeugten Laserstrahls verringert. Der Effekt besteht darin, dass die Ausgangsleistung für eine bestimmte Lasereinstellung während der Lebensdauer der Blitzlampe abnimmt, obwohl die Verschlechterungsrate wahrscheinlich unbekannt ist.

Dies ist problematisch für die Einhaltung der Vorschriften, da die Laserleistung gemäß ASME BPVC Abschnitt IX Tabelle QW-264 eine kritische Variable ist, die für ein bestimmtes Schweißverfahren nicht geändert werden darf.

Die Einhaltung dieser Anforderung wäre für einen Nd:YAG-Laser nahezu unmöglich, obwohl dieser Umstand im Code nicht erwähnt wird. Im Gegensatz zu Nd:YAG-Quellen besteht dieses Problem bei Faserlaserquellen nicht, da die Anregung über Dioden erfolgt.

Daher sind Faserlaser in Situationen, in denen die Einhaltung von Vorschriften erforderlich ist, deutlich überlegen und wohl auch notwendig.

Einige Lasersysteme sind mittlerweile in der Lage, sowohl im gepulsten Modus als auch im kontinuierlichen Betriebsmodus zu arbeiten. Der Vorteil der Verwendung eines gepulsten Lasers besteht darin, dass der Wärmeeintrag reduziert werden kann, um die Größe der HAZ, das Ausmaß der Eigenspannung und das Ausmaß der Verformung zu minimieren.

Abgesehen von den allgemeinen Vorteilen ist das Pulsen auch in bestimmten Fällen nützlich, beispielsweise beim Schweißen an einem fertig bearbeiteten Teil, bei dem eine PWHT nicht möglich ist. Dies liegt daran, dass gepulste Leistung einen geringeren Wärmeeintrag hat als kontinuierliche Leistung.

Der gepulste Laserbetrieb ist jedoch meist auf LBW-W beschränkt, da LBW-P-Systeme am effektivsten mit kontinuierlicher Leistung arbeiten. Dies liegt daran, dass bei pulverbasierten Anwendungen das Pulver kontinuierlich zugeführt wird, was zu einer großen Pulververschwendung oder einer mangelnden Verschmelzung aufgrund unzureichender Wärme zwischen den Impulsen führen würde.

Bei drahtbasierten Systemen wird der Drahtvorschub von der Ausrüstung präzise gesteuert, um stabile Schweißbedingungen aufrechtzuerhalten. Es ist zu beachten, dass der Schweißmodus als eigenständige Variable auch einen Einfluss auf die Abschmelzraten des Schweißprozesses haben kann, dies hängt jedoch weitgehend von der Art des Systems sowie den Reparaturbedingungen ab.

Insgesamt sollte der Schweißmodus auf der Grundlage der Art der Zufuhr von Zusatzwerkstoff, aber auch auf der Grundlage der Art der Reparatur und der gewünschten Schweißeigenschaften ausgewählt werden.

Um das Fehlerpotenzial zu minimieren, muss die Verbindungskonstruktion für die Art der verwendeten Schweißanlage geeignet sein. Drahtbasierte Schweißsysteme sind typischerweise toleranter gegenüber scharfen Ecken und tiefen Rillen als Pulversysteme.

Dies liegt daran, dass Drahtsysteme kein Gastransportsystem benötigen, um das Zusatzmaterial in die Schweißzone zu transportieren. Bei pulverbasierten Schweißsystemen können Turbulenzen im Trägergas, das zur Förderung des Pulvers in das Schmelzbad verwendet wird und durch die Substratgeometrie, beispielsweise eine V-Nut, verursacht wird, zu schlechten Pulverförderraten und schlechter Abschirmung führen.

Schlechte Pulverabgaberaten führen zu einer geringen Schweißeffizienz und zu übermäßiger Hitze, die das Substrat erreicht, während eine schlechte Abschirmung zu Porosität und der Bildung von Oxideinschlüssen führen kann. Darüber hinaus kann sich bei LBW-P auch überschüssiges, nicht geschmolzenes Pulver im Gelenk ansammeln.

Das Überschweißen dieses losen Pulvers kann zu erheblichen Mängeln führen, einschließlich mangelnder Verschmelzung, Porosität oder Rissbildung. Daher erfordert die Zufuhr von pulverbasiertem Zusatzwerkstoff in eine Nut einen größeren Nutwinkel, was einen besseren Zugang zur Schweißverbindung ermöglicht, aber auch das Volumen der Nut vergrößert.

Daher ist das Volumen der V-Nut, das zum Herausziehen von Testproben bei Verwendung von LBW-P erforderlich ist, im Vergleich zur typischen Größe einer Laserschweißraupe sehr groß, was die Herstellung von Testproben für die Verfahrensqualifizierung unpraktisch macht.

Bei der Zufuhr von drahtbasiertem Zusatzwerkstoff stellt die abgewinkelte Wand der Nut geometrische Herausforderungen für die Zufuhr von Schutzgas und Draht dar, was die Wahrscheinlichkeit von Porosität und die Anfälligkeit für fehlende Schweißfehler erhöht.

Mit LBW ist jedoch das Nutschweißen möglich. Darüber hinaus handelt es sich bei den meisten Wellenreparaturen, bei denen LBW anwendbar ist, meist um Schweißüberlagerungen, die kein Nutschweißen erfordern.

Abbildung 2 zeigt gängige Wellenreparaturarten, einschließlich Überlagerungen, Aufbauten und Stumpfreparaturen. Obwohl eine Stub-Reparatur ein Nutschweißen erfordern würde, würde sie im Allgemeinen nicht mit LBW durchgeführt werden, da andere Prozesse eine höhere Abscheidungsrate aufweisen.

Was die Art der Zusatzwerkstoffe betrifft, sind LBW-P und LBW-W für allgemeine Wellenreparaturen akzeptabel. Allerdings ist Vorsicht geboten, wenn sich Schweißnähte in der Nähe von Stufen oder Merkmalen befinden, die bei einem Pulverprozess Turbulenzen verursachen könnten.

Allerdings können die Anforderungen an die Schweißverfahrensqualifizierung für LBW-P unmöglich oder unpraktisch sein, und LBW-P kann auch Probleme haben, wenn die Porosität nicht akzeptabel ist.

Die Möglichkeit, einen Zusatzwerkstoff auszuwählen, hängt von der Verfügbarkeit des betreffenden Materials ab.

Generell sind sowohl Draht- als auch Pulverversionen für eine Vielzahl von Materialien erhältlich.

Allerdings sind drahtbasierte Materialien tendenziell auf häufig geschweißte Legierungen beschränkt, während Pulvermaterialien eher auf höher legierte Stähle und Speziallegierungen ausgerichtet sind.

Denn einer der wichtigsten Treiber für die Pulverproduktion ist die pulverbasierte additive Fertigung, die bei den exotischeren Materialien das höchste Kosten-Nutzen-Verhältnis aufweist.

Aus diesem Grund ist es schwierig, Kohlenstoff- und niedriglegierten Stahl in Pulverform zu finden, da diese Materialien so billig sind, dass die Verwendung von Pulverform für die meisten industriellen Anwendungen nicht kosteneffektiv ist.

Da Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle in der Turbomaschinenindustrie häufig verwendet werden, sind drahtbasierte Laserschweißsysteme aufgrund der besseren Verfügbarkeit dieser Materialien tendenziell die bessere Option. Darüber hinaus ist Füllmetall in Drahtform im Allgemeinen auch kostengünstiger als Pulverform.

Aus anwendungstechnischer Sicht besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen pulverbasiertem und drahtbasiertem Laserschweißen in der Art der Fehler und der Wahrscheinlichkeit, dass beim Schweißen Fehler entstehen.

LBW-W ist in der Lage, vollständig dichte, fehlerfreie Schweißnähte herzustellen, während LBW-P normalerweise zumindest eine geringe Porosität aufweist. Unabhängig davon können suboptimale Schweißparameter, Verbindungsgeometrien oder Bedingungen bei beiden Prozessen zu Fehlern führen.

Zu den typischen Fehlern, die beim Laserschweißen auftreten, gehören die folgenden. Beispiele sind in Abbildung 3 dargestellt, die Fehler in einer LBW-P-Auflage zeigt.

Charakteristisch für Porosität sind Hohlräume im Schweißgut, die durch austretende Gase entstehen, die während der Erstarrung eingeschlossen werden.

Für LBW gibt es mehrere Methoden, mit denen Gase in das Schweißbad eingeführt werden können. Die wichtigsten Theorien umfassen jedoch das Einfangen von Schutzgas oder Metalldämpfen, durch instabiles Stichlochschweißen verursachte Kavitation und Gase, die während des Zerstäubungsprozesses in den Pulverpartikeln eingeschlossen wurden und beim Schweißen freigesetzt.

Darüber hinaus kann Porosität durch eine schlechte Schutzgasabdeckung beim Schweißen entstehen, die normalerweise durch eine falsch ausgerichtete Gaslinse oder Turbulenzen in der Nähe des Schweißbades verursacht wird.

Dies kann auf Turbulenzen zurückzuführen sein, die durch die schnelle Oxidation des erstarrenden Schweißbades entstehen, oder auf Gase, die bei der Verbrennung des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs entstehen. Schließlich kann auch mangelnde Sauberkeit des Grundmetalls und des Füllmaterials zur Porosität beitragen.

Das Schweißen über organischem Material (Öl, Fett, Schmutz, Oxide usw.) führt beim Schweißen zu Ausgasungen, die beim Erstarren im Schweißbad eingeschlossen werden.

Mangelnde Verschmelzung ist durch Stellen gekennzeichnet, an denen das Zusatzmetall nicht mit dem Grundmetall verschmolzen ist. Dies geschieht, wenn die Wärmequelle nicht genügend Wärme erzeugt, um den Zusatzwerkstoff und die Grundmetalle miteinander zu verschmelzen.

Zu den typischen Ursachen hierfür gehören ein schlechter Schweißwinkel, eine zu hohe Zufuhrgeschwindigkeit des Zusatzmaterials und/oder eine unzureichende Laserleistung. Ähnlich wie bei fehlender Verschmelzung zeichnen sich nicht verschmolzene Partikel dadurch aus, dass in der Schweißnaht Reste von ungeschmolzenem Pulver vorhanden sind.

Diese Art von Defekt tritt ausschließlich bei LBW-P auf, da es sich um Pulver handelt, bei LBW-W jedoch nicht. Die Ursache für nicht verschmolzene Partikel ist ähnlich einer mangelnden Verschmelzung, bei der nicht genügend Wärme vorhanden ist, um das Füllmaterial vollständig zu schmelzen und mit dem Grundmaterial zu verschmelzen.

Dies liegt im Allgemeinen daran, dass der Laser nicht die Zeit, Leistung und/oder die richtige Positionierung hatte, um das gesamte Füllmetall im Schweißbereich zu schmelzen.

Risse sind durch spannungsbedingte Brüche des Schweißgutes gekennzeichnet. Risse können durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden. Zu den häufigsten Beispielen zählen jedoch stark eingeschränkte Verbindungskonstruktionen, schnelle Abkühlraten, Anfälligkeit für Zusatzwerkstoffe, Verunreinigungen, Schweißraupenprofil und/oder falsche Schweißparameter.

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.