Turbomacchine: Saldatura Laser

04 aprile 2023

Scritto da Michael W. Kuper, PhD., Ingegnere dei materiali, Elliott Group e Michael J. Metzmaier, Ingegnere di saldatura IV, Ingegneria dei materiali, Elliott Group

Il rivestimento laser sta guadagnando consensi per il ripristino degli alberi di turbine e compressori, il che ha comportato una maggiore domanda da parte dei clienti per opzioni di rivestimento laser e un numero maggiore di fornitori di saldatura laser che offrono una varietà di soluzioni.

Pertanto, è importante comprendere le capacità di base, i limiti e le potenziali insidie ​​del processo di rivestimento laser e in che modo il processo dovrebbe essere qualificato per garantire che le riparazioni tramite saldatura laser soddisfino i requisiti per la determinata applicazione.

Come con qualsiasi processo di saldatura, il risultato desiderato è un deposito metallurgicamente sano che soddisfi o superi i criteri minimi di progettazione dell'applicazione. La selezione, la forma e i metodi di distribuzione della lega del materiale d'apporto possono avere un impatto significativo sulla qualità e sull'idoneità del deposito di saldatura.

Uno dei componenti più critici delle apparecchiature turbomacchine è il rotore. Questi gruppi di precisione ruotano a velocità estremamente elevate e devono resistere a sollecitazioni significative per lunghi periodi di servizio.

Per raggiungere questo livello di affidabilità, i produttori devono garantire che i componenti siano adatti all’applicazione. Controlli rigorosi sulla composizione, sulle proprietà meccaniche e sulla lavorazione garantiscono che le parti siano accettabili.

Tali ispezioni, verifiche e misure di salvaguardia massimizzano la durata utile riducendo al minimo il rischio di guasti catastrofici.

Tuttavia, l'usura dovuta al normale funzionamento finirà per causare danni tali da richiedere la riparazione o la sostituzione. Il danno accumulato è generalmente superficiale e la riparazione offre un vantaggio in termini di costi e tempo rispetto alla sostituzione dell'intero rotore, aggiungendo al contempo un rischio minimo correlato al processo di riparazione.

I processi di riparazione tipici includono rivestimento a spruzzo, placcatura, saldatura ad arco, saldatura al plasma e saldatura laser. Ciascuno di questi processi presenta vantaggi e svantaggi, a seconda di una varietà di fattori, tra cui la posizione e l'entità del danno, le condizioni operative, l'ambiente di servizio, il substrato e il materiale di riparazione desiderato, nonché l'accettazione da parte del cliente.

Questo articolo si concentra specificamente sulle riparazioni tramite saldatura laser e su come il processo di saldatura laser possa essere utile per le riparazioni di compressori e alberi di turbine, comprese le considerazioni da affrontare.

La discussione include le aree dell'albero riparate più comunemente, i rischi associati alla saldatura laser in queste posizioni e i tipi di test che dovrebbero essere richiesti per qualificare la procedura.

Prima dell’avvento della saldatura a raggio laser (LBW), il processo più comune per la riparazione degli alberi era la saldatura ad arco sommerso (SAW), principalmente perché il processo è robusto e offre un elevato tasso di deposito.

Tuttavia, questo processo comporta un elevato apporto di calore, che può causare distorsioni dell’albero ed elevate tensioni residue. A causa della distorsione, le riparazioni SAW tendono a richiedere la rimozione di tutte le caratteristiche sporgenti dall'area di riparazione, la ricostruzione di tali caratteristiche e un'ampia sovrapposizione per garantire materiale di lavorazione sufficiente per ripristinare le dimensioni.

Inoltre, a causa dell'elevato stress residuo derivante dalla saldatura, le riparazioni richiedono sempre un trattamento termico post saldatura (PWHT) prima della lavorazione finale, che allevia le sollecitazioni residue che riducono al minimo il movimento dell'albero (distorsione) durante l'operazione di lavorazione.

L'accesso a un laser focalizzato consente la saldatura (compreso il rivestimento), il taglio e il trattamento termico. Sebbene LBW esista dagli anni '70, i miglioramenti nella tecnologia e nell'accessibilità economica hanno ampliato la sua gamma di applicazioni industriali che ora includono il ripristino dei rotori delle turbomacchine.

Il vantaggio principale di LBW è che si tratta di un processo ad alta densità di energia, ed è quindi in grado di saldare con un apporto di calore molto basso, riducendo al minimo la degradazione del metallo di base, la dimensione della zona interessata dal calore (HAZ), lo stress residuo e la distorsione, consentendo inoltre velocità di saldatura molto elevate.