روتورها یکی از حیاتی ترین قطعات در ماشین آلات و تجهیزات پروانه هستند. این اجزای دقیق با سرعت های بسیار بالا می چرخند و باید تنش های قابل توجهی را در محدوده وسیعی از زمان های سرویس تحمل کنند.
برای دستیابی به این سطح از قابلیت اطمینان، تولیدکنندگان باید اطمینان حاصل کنند که قطعات برای کاربرد مناسب هستند. کنترل های دقیق بر روی ترکیب، خواص مکانیکی و پردازش تضمین می کند که قطعات قابل قبول هستند.
این بررسیها، راستیآزماییها و پادمانها عمر سرویس را به حداکثر میرسانند در حالی که خطر خرابی فاجعهبار را به حداقل میرسانند.
با این حال، فرسودگی و پارگی ناشی از عملکرد عادی در نهایت باعث آسیب کافی برای نیاز به تعمیر یا تعویض می شود. آسیب انباشته معمولاً سطحی است و تعمیر مزایای هزینه و زمان را نسبت به جایگزینی کل روتور فراهم می کند و در عین حال حداقل خطر مرتبط با فرآیند تعمیر را افزایش می دهد.
فرآیندهای تعمیر معمولی شامل رنگ آمیزی، آبکاری، جوشکاری قوس الکتریکی، جوشکاری پلاسما و جوشکاری لیزری است. هر فرآیند بسته به عوامل مختلفی از جمله محل و میزان آسیب، شرایط عملیاتی، محیط استفاده، زیرلایه و مواد تعمیر مورد نیاز و پذیرش مشتری، مزایا و معایبی دارد.
این مقاله به طور خاص بر تعمیرات جوشکاری لیزری و اینکه چگونه فرآیند جوش لیزری میتواند برای تعمیرات کمپرسور و شفت توربین مفید باشد، از جمله مسائلی که باید به آنها پرداخته شود، تمرکز دارد.
بحث شامل نواحی شفت که معمولاً تعمیر میشوند، خطرات جوشکاری لیزر در این مکانها، و انواع آزمایشهایی که باید برای تأیید این روش مورد نیاز باشد، میشود.
جوشکاری پرتو لیزر
قبل از ظهور جوشکاری پرتو لیزر (LBW)، رایجترین فرآیند تعمیر شفت، جوشکاری زیر آب (SAW) بود که در درجه اول به دلیل استحکام و نرخ رسوب بالای آن بود.
با این حال، این فرآیند شامل گرمای ورودی بالایی است که میتواند منجر به اعوجاج شفت و تنشهای پسماند بالا شود. به دلیل اعوجاج، تعمیرات SAW اغلب نیاز به حذف تمام ویژگیهای بیرون زده از ناحیه تعمیر، بازسازی این ویژگیها و روکش گسترده دارند تا از ماشینکاری کافی برای بازیابی ابعاد اطمینان حاصل شود.
علاوه بر این، به دلیل تنشهای پسماند زیاد تولید شده توسط جوشکاری، تعمیرات همیشه نیاز به عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) قبل از ماشینکاری نهایی دارد که تنشهای پسماند را کاهش میدهد و در نتیجه حرکت محوری (اعوجاج) را در طول عملیات ماشینکاری به حداقل میرساند.
جوشکاری (از جمله روکش)، برش و عملیات حرارتی را می توان با استفاده از لیزرهای متمرکز انجام داد. اگرچه LBW از دهه 1970 وجود داشته است، اما پیشرفت در فناوری و مقرون به صرفه بودن، کاربردهای صنعتی آن را گسترش داده و اکنون شامل تعمیر روتور مکانیکی پروانه می شود.
مزیت اصلی LBW این است که یک فرآیند با چگالی انرژی بالا است و بنابراین می توان آن را با ورودی گرمای بسیار کم جوش داد، بنابراین تخریب فلز پایه، اندازه منطقه متاثر از گرما (HAZ)، تنش های پسماند و اعوجاج را به حداقل می رساند، در حالی که امکان بسیار سریع را فراهم می کند. سرعت های جوشکاری
در عین حال، یک منطقه تحت تأثیر حرارت کوچکتر نیز مفید است زیرا حجم کمتری از محوری دارای خواص مضر ناشی از گرمای تولید شده توسط فرآیند همجوشی است.
این امر به ویژه در مورد آلیاژهای قابل عملیات حرارتی، مانند فولادهای کوئنچ شده و گرم شده، که معمولاً در روتورهای ماشین آلات پروانه استفاده می شوند، اهمیت دارد. نمونه ای از نصب جوش لیزری در شکل 1 نشان داده شده است.
علاوه بر گرمای ورودی کم، فرآیند LBW جوش های همجوشی با کیفیت بالا با اتصال متالورژیکی (بدون لایه لایه شدن، چسبندگی که می تواند در پوشش ها ایجاد شود)، اتوماسیون آسان، ثبات و تکرارپذیری و دقت هندسی بالا تولید می کند.
برای مثال، اندازههای لکه لیزری مورد استفاده در این مطالعه میتواند از یک جوش کوچک با قطر {0}}.2 میلیمتر تا یک روکش با نرخ رسوب بالا با قطر 2.0 میلیمتر متغیر باشد.
به منظور استفاده کامل از فرآیند LBW، قابلیت های فرآیند باید با برنامه کاربردی مطابقت داشته باشد و سایر ملاحظات ذکر شده در زیر باید قبل از اجرای LBW برای تعمیر روتور بررسی شوند.
پر کردن فلز
دو فرآیند متفاوت برای جوشکاری لیزری وجود دارد. یکی از فلز پر شده با پودر (LBW-P) و دیگری از فلز پر شده با سیم (LBW-W) استفاده می کند. در LBW-P، پودر از طریق یک لوله و یک یا چند نازل توسط یک جت گاز بی اثر، که پودر را به حوضچه جوش منتقل می کند، از یک تغذیه کننده پودر وارد می شود.
در LBW-W، فلز پرکننده توسط فیدرهای سیمی دستی یا مکانیزه که سیم را به حوضچه جوش تغذیه می کند، تحویل داده می شود.
تفاوتهای متالورژیکی و لجستیکی بین این دو روش وجود دارد که باید هنگام تعیین مناسبترین فرآیند برای یک تعمیر خاص در نظر گرفته شود. این به ویژه با توجه به اینکه ASME BPVC هنوز این تفاوت ها را در نظر نگرفته است صادق است.
در میان متغیرهای اساسی، جزئیات مربوط به فلز پرکننده پودر، از جمله اندازه فلز پودر، چگالی، و نرخ خوراک است. با این حال، هیچ اشاره ای به پارامترهای خط پر نشده است.
این نشان می دهد که مشخصات فعلی فقط کاربردهای جوش لیزر پودری را در نظر می گیرد. همچنین به این نتیجه می رسد که خصوصیات فرآیند فقط مربوط به جوشکاری لیزری مبتنی بر پودر است.
این یکی از دلایلی است که چرا جوشکاری پرتو لیزر ممکن است به الزامات مشخصه فرآیند اضافی نیاز داشته باشد.
منابع لیزری
برای جوشکاری لیزر می توان از انواع منابع نور لیزر استفاده کرد. این مقاله بر روی دو منبع لیزر جوشکاری رایج، لیزر Nd:YAG و لیزر فیبر تمرکز دارد.
لیزرهای Nd:YAG متشکل از کریستالهای گارنت آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با نئودیمیم است که توسط یک چراغ قوه زنون برای تولید پرتو لیزر برانگیخته میشود، در حالی که لیزرهای فیبری شامل مجموعهای از دیودها هستند که فیبر آلاییدهشده با عناصر کمیاب را برای تولید لیزر تحریک میکنند. پرتو.
در حالی که هر دو منبع لیزر را می توان برای تعمیر روتور استفاده کرد، هر دوی آنها معاوضه هایی از جمله کیفیت پرتو، اندازه پرتو، فرکانس پرتو، طول عمر، هزینه و کارایی را ارائه می دهند.
انتخاب بهترین لیزر بستگی به کاربرد دارد. با این حال، هنگامی که انطباق با ASME BPVC مشکل است، لیزرهای فیبر انتخاب بهتری هستند.
دلیل این امر تفاوت در نحوه تولید پرتو لیزر و پایداری آن در طول زمان است. در لیزرهای Nd:YAG، لامپ فلاش زنون با گذشت زمان تحلیل می رود و با افزایش سن کم می شود.
کم نور کردن لامپ باعث کاهش تحریک کریستال Nd:YAG می شود که شدت پرتو لیزر حاصل را کاهش می دهد. نتیجه این است که توان خروجی یک دستگاه لیزر معین در طول عمر چراغ قوه کاهش مییابد، اگرچه میزان پوسیدگی ممکن است ناشناخته باشد.
این برای انطباق مشکل ساز است زیرا، طبق ASME BPVC بخش IX جدول QW{0}}، توان لیزر یک متغیر حیاتی است که نمی توان آن را در طول یک فرآیند جوشکاری مشخص تغییر داد.
حفظ این نیاز برای لیزرهای Nd:YAG تقریبا غیرممکن است، اگرچه هیچ اشاره ای به این واقعیت در کد وجود ندارد. بر خلاف منابع Nd:YAG، منابع لیزر فیبر این مشکل را ندارند زیرا تحریک توسط یک دیود انجام می شود.
بنابراین، لیزرهای فیبر در شرایطی که رعایت کد مورد نیاز است، برتر و مسلماً ضروری هستند.
لیزرهای پیوسته یا پالسی
اکنون برخی از سیستم های لیزری این قابلیت را دارند که هم در حالت پالسی و هم در حالت کار مداوم کار کنند. مزیت استفاده از لیزرهای پالسی این است که حرارت ورودی را می توان کاهش داد تا اندازه HAZ، تنش های پسماند و انحرافات به حداقل برسد.
علاوه بر مزایای کلی، پالس می تواند در موارد خاص مانند جوشکاری روی قطعات تمام شده که PWHT امکان پذیر نیست، مفید باشد. این به این دلیل است که توان پالسی ورودی گرمای کمتری نسبت به توان پیوسته دارد.
با این حال، عملکرد لیزر پالسی تا حد زیادی به LBW-W محدود می شود، زیرا سیستم های LBW-P از توان پیوسته برای کارآمدترین عملکرد استفاده می کنند. این به این دلیل است که در کاربردهای مبتنی بر پودر، پودر به طور مداوم تحویل داده می شود که منجر به مقدار قابل توجهی پودر هدر رفته یا عدم همجوشی به دلیل گرمای ناکافی بین پالس ها می شود.
برای سیستم های مبتنی بر سیم، فیدر سیم دقیقاً توسط تجهیزات کنترل می شود تا شرایط جوشکاری ثابت حفظ شود. توجه به این نکته حائز اهمیت است که حالت جوش به عنوان یک متغیر مستقل نیز می تواند بر میزان رسوب فرآیند جوشکاری تأثیر داشته باشد، اما این امر به شدت به نوع سیستم و همچنین شرایط تعمیر بستگی دارد.
به طور کلی، انتخاب الگوی جوش باید بر اساس نوع فلز پرکننده تحویلی، و همچنین بر اساس نوع تعمیر و خواص جوش مورد نظر باشد.
طراحی اتصالات جوش
برای به حداقل رساندن عیوب احتمالی، طراحی اتصال باید متناسب با نوع سیستم جوشکاری مورد استفاده باشد. سیستم های جوشکاری مبتنی بر سیم معمولاً نسبت به سیستم های جوش پودری نسبت به گوشه های تیز و شیارهای عمیق تحمل بیشتری دارند.
این به دلیل این واقعیت است که سیستم های سیمی برای حمل مواد پرکننده به منطقه جوش نیازی به سیستم انتقال گاز ندارند. در سیستمهای جوشکاری مبتنی بر پودر، تلاطم در گاز حامل مورد استفاده برای انتقال پودر به حوضچه مذاب ناشی از هندسه بستر (به عنوان مثال، مخروطی v) منجر به نرخ تحویل پودر ضعیفتر و محافظ ضعیفتر میشود.
نرخهای ضعیف تحویل پودر میتواند منجر به جوشکاری ناکارآمد و رسیدن گرمای اضافی به بستر شود، در حالی که خواص محافظ ضعیف میتواند منجر به تخلخل و تشکیل آخالهای اکسیدی شود. علاوه بر این، با LBW-P، پودر اضافی ذوب نشده می تواند در مفصل جمع شود.
جوشکاری روی چنین پودر شل می تواند منجر به عیوب جدی از جمله عدم ذوب، تخلخل یا ترک شود. در نتیجه، تحویل فلز پرکننده مبتنی بر پودر در قسمت مخروطی نیاز به زاویه اریب وسیعتری دارد، که اتصالات جوشی بیشتری ایجاد میکند، اما حجم مخروطی را نیز افزایش میدهد.
در نتیجه، هنگام استفاده از LBW-P، حجم شیار v مورد نیاز برای استخراج نمونه در مقایسه با ابعاد معمولی جوش لیزری بسیار زیاد است، که ساختن یک نمونه برای مشخصههای فرآیند را غیرعملی میسازد.
در مورد تحویل فلز پرکننده مبتنی بر سیم، دیوارههای شیبدار شیار چالشهای هندسی را برای انتقال گاز و سیم محافظ ایجاد میکنند که احتمال تخلخل را افزایش میدهد و حساسیت به عدم وجود عیوب همجوشی را افزایش میدهد.
با این حال، کج کردن با جوش LBW امکان پذیر است. علاوه بر این، برای اکثر تعمیرات شفت که LBW قابل استفاده است، تعمیر اغلب یک پوشش جوش است و نیازی به جوشکاری اریب ندارد.
شکل 2 انواع متداول تعمیرات شفت را نشان می دهد، از جمله تعمیرات روکش، انباشته، و خرد. اگرچه تعمیرات خرد مستلزم جوشکاری مخروطی است، اما LBW معمولاً استفاده نمی شود زیرا سایر فرآیندها نرخ رسوب بالاتری دارند.
با توجه به انواع مواد پرکننده، LBW-P و LBW-W را می توان برای تعمیر شفت عمومی استفاده کرد، اما هنگام جوشکاری نزدیک به مراحل یا ویژگی هایی که ممکن است باعث تلاطم در فرآیند پودر شوند باید احتیاط کرد.
با این حال، الزامات صلاحیت فرآیند جوشکاری ممکن است برای LBW-P غیرممکن یا غیرعملی باشد، و LBW-P نیز ممکن است در جایی که تخلخل غیرقابل قبول است، با مشکلاتی مواجه شود.
هزینه و در دسترس بودن فلزات پرکننده
توانایی انتخاب یک فلز پرکننده به در دسترس بودن مواد مورد بحث بستگی دارد.
به طور کلی، انواع سیم و پودر برای انواع مواد موجود است.
با این حال، مواد مبتنی بر سیم معمولاً به آلیاژهای جوشکاری معمولی محدود می شوند، در حالی که مواد پودری تمایل دارند به سمت فولادهای آلیاژی بالاتر و آلیاژهای ویژه استفاده شوند.
این به این دلیل است که یکی از محرکهای کلیدی برای تولید پودر، تولید افزودنیهای مبتنی بر پودر است که بالاترین نسبت هزینه به سود را برای مواد عجیبوغریبتر دارد.
به همین دلیل، یافتن فولادهای کربنی و کم آلیاژ به صورت پودر دشوار است، زیرا این مواد به اندازه کافی ارزان هستند که استفاده از فرم پودری برای اکثر کاربردهای صنعتی مقرون به صرفه نیست.
از آنجایی که فولادهای کربن و کم آلیاژ به شدت در صنعت ماشین آلات پروانه استفاده می شود، سیستم های جوش لیزری مبتنی بر سیم به دلیل در دسترس بودن بهتر این مواد، اغلب گزینه بهتری هستند. علاوه بر این، فلزات پرکننده به شکل سیم نیز معمولاً ارزانتر از شکل پودری هستند.
معایب
از نقطه نظر کاربرد، یکی از تفاوت های اصلی بین جوش لیزری مبتنی بر پودر و جوش لیزری مبتنی بر سیم، نوع عیوب و احتمال تشکیل عیب در طول فرآیند جوشکاری است.
LBW-W قادر به تولید جوش های کاملا متراکم و بدون عیب است، در حالی که LBW-P معمولاً کمترین میزان تخلخل را دارد. در هر صورت، پارامترهای جوشکاری غیربهینه، هندسه یا شرایط اتصال میتوانند در هر دو فرآیند نقص ایجاد کنند.
عیوب معمولی که در جوشکاری لیزر رخ می دهد شامل موارد زیر است که نشان دهنده نقص در پوشش LBW-P است:
- تخلخل
- عدم فیوژن
- ذرات ذوب نشده
- ترک ها
تخلخل با وجود حفره هایی در رسوب جوش مشخص می شود که در اثر خروج گازهای به دام افتاده در طول انجماد ایجاد می شود.
برای LBW، راههای مختلفی برای وارد کردن گازها به حوضچه جوش وجود دارد، اما تئوریهای اصلی شامل به دام انداختن گازهای محافظ یا بخارات فلزی، کاویتاسیون ناشی از جوشهای ناپایدار با سوراخهای کوچک و گازهایی است که در ذرات پودر در حین اتمیزه شدن به دام افتاده و در طول اتمیزه شدن آزاد میشوند. فرآیند جوشکاری
علاوه بر این، پوشش ضعیف گاز محافظ در طول فرآیند جوشکاری میتواند منجر به کاویتاسیون شود که معمولاً به دلیل تراز نادرست لنزهای گاز یا تلاطم در نزدیکی حوضچه جوش ایجاد میشود.
این می تواند به دلیل تلاطم ناشی از اکسیداسیون سریع حوضچه جوش پخته شده یا گازگرفتگی در اثر احتراق اکسیژن در هوا باشد. در نهایت، عدم تمیزی مواد پایه و پرکننده نیز می تواند به تخلخل کمک کند.
جوشکاری بر روی مواد آلی (روغن، گریس، کثیفی، اکسیدها و غیره) می تواند منجر به خروج گاز در طول فرآیند جوشکاری شود که در حوضچه جوش در حین جامد شدن محبوس می شود.
عدم همجوشی با عدم ذوب فلز پرکننده به فلز پایه در یک مکان مشخص می شود. این زمانی اتفاق می افتد که منبع گرما گرمای کافی برای اتصال پرکننده و فلزات پایه تولید نمی کند.
علل معمول این وضعیت عبارتند از زوایای جوش ضعیف، نرخ بالای تغذیه مواد پرکننده، و/یا توان ناکافی لیزر. مشابه ذرات ذوب نشده، ذرات ذوب نشده با وجود بقایای پودر ذوب نشده در جوش مشخص می شود.
این نوع نقص منحصر به LBW-P است زیرا شامل پودر می شود، که LBW-W ندارد. دلیل ذرات ذوب نشده مشابه عدم همجوشی است، یعنی حرارت کافی برای ذوب کامل و ذوب مواد پرکننده با مواد پایه وجود ندارد.
این معمولاً به این دلیل است که لیزر زمان، قدرت و/یا موقعیت مناسب برای ذوب تمام فلز پرکننده در ناحیه جوش ندارد.
ترک با شکستن فلز جوش در اثر تنش مشخص می شود. ترکخوردگی میتواند توسط عوامل مختلفی ایجاد شود، نمونههای رایج شامل طراحی اتصال بسیار محدود، سرعت خنکسازی سریع، حساسیت فلز پرکننده، آلودگی، شکل جوش و/یا پارامترهای جوشکاری نادرست است. ترجمه شده با www.DeepL.com/Translator (نسخه رایگان)
