Cánh quạt là một trong những thành phần quan trọng nhất trong máy móc và thiết bị cánh quạt. Các thành phần chính xác này quay ở tốc độ cực cao và phải chịu được các ứng suất đáng kể trong một khoảng thời gian phục vụ rộng.
Để đạt được mức độ tin cậy này, các nhà sản xuất phải đảm bảo rằng các thành phần phù hợp với ứng dụng. Kiểm soát chặt chẽ về thành phần, tính chất cơ học và quá trình xử lý đảm bảo rằng các bộ phận được chấp nhận.
Những hoạt động kiểm tra, xác minh và bảo vệ này tối đa hóa tuổi thọ của dịch vụ đồng thời giảm thiểu nguy cơ hỏng hóc nghiêm trọng.
Tuy nhiên, hao mòn do hoạt động bình thường cuối cùng sẽ gây ra đủ hư hỏng để yêu cầu sửa chữa hoặc thay thế. Hư hỏng tích lũy thường là bề ngoài và việc sửa chữa mang lại lợi thế về chi phí và thời gian so với việc thay thế toàn bộ rôto đồng thời tăng rủi ro tối thiểu liên quan đến quá trình sửa chữa.
Các quy trình sửa chữa điển hình bao gồm sơn, mạ, hàn hồ quang, hàn plasma và hàn laser. Mỗi quy trình đều có ưu điểm và nhược điểm tùy thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm vị trí và mức độ hư hỏng, điều kiện vận hành, môi trường sử dụng, chất nền và vật liệu sửa chữa cần thiết cũng như sự chấp nhận của khách hàng.
Bài viết này tập trung cụ thể vào sửa chữa hàn laze và cách quy trình hàn laze có thể mang lại lợi ích cho việc sửa chữa máy nén và trục tuabin, bao gồm cả các vấn đề cần giải quyết.
Thảo luận bao gồm các khu vực trục thường được sửa chữa nhất, rủi ro khi hàn laze ở những vị trí này và các loại thử nghiệm cần được yêu cầu để xác nhận quy trình.
Hàn chùm tia laze
Trước khi hàn chùm tia laser (LBW) ra đời, quy trình sửa chữa trục phổ biến nhất là hàn hồ quang chìm (SAW), chủ yếu là do độ chắc chắn và tốc độ lắng đọng cao.
Tuy nhiên, quá trình này liên quan đến đầu vào nhiệt cao, có thể dẫn đến biến dạng trục và ứng suất dư cao. Do biến dạng, sửa chữa SAW thường yêu cầu loại bỏ tất cả các tính năng nhô ra khỏi khu vực sửa chữa, xây dựng lại các tính năng này và mở rộng lớp phủ để đảm bảo có đủ dung sai gia công để khôi phục kích thước.
Ngoài ra, do ứng suất dư cao do hàn tạo ra, việc sửa chữa luôn yêu cầu Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) trước khi gia công lần cuối, giúp giảm ứng suất dư và do đó giảm thiểu chuyển động dọc trục (biến dạng) trong quá trình gia công.
Hàn (bao gồm cả lớp phủ), cắt và xử lý nhiệt có thể được thực hiện bằng cách sử dụng tia laze hội tụ. Mặc dù LBW đã xuất hiện từ những năm 1970, nhưng những cải tiến về công nghệ và khả năng chi trả đã mở rộng các ứng dụng công nghiệp của nó đến nay bao gồm cả việc sửa chữa cánh quạt cơ cánh quạt.
Ưu điểm chính của LBW là quy trình có mật độ năng lượng cao và do đó có thể được hàn với lượng nhiệt đầu vào rất thấp, do đó giảm thiểu sự xuống cấp của kim loại cơ bản, kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), ứng suất dư và biến dạng, đồng thời cho phép hàn rất nhanh tốc độ hàn.
Đồng thời, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ hơn cũng có lợi vì thể tích dọc trục có các đặc tính có hại do nhiệt sinh ra từ quá trình nhiệt hạch ít hơn.
Điều này đặc biệt quan trọng trong trường hợp hợp kim có thể xử lý nhiệt, chẳng hạn như thép tôi và tôi luyện, thường được sử dụng trong rôto máy móc cánh quạt. Một ví dụ về thiết lập hàn laser được hiển thị trong Hình 1.
Ngoài đầu vào nhiệt thấp, quy trình LBW tạo ra các mối hàn nóng chảy chất lượng cao với liên kết luyện kim (không tách lớp, bám dính có thể xảy ra trong lớp phủ), tự động hóa dễ dàng, tính nhất quán và khả năng lặp lại cũng như độ chính xác hình học cao.
Ví dụ: kích thước điểm laser được sử dụng trong nghiên cứu này có thể nằm trong phạm vi từ một mối hàn nhỏ có đường kính {{0}}}.2 mm đến lớp phủ có tốc độ lắng đọng cao với đường kính 2 mm.
Để tận dụng tối đa quy trình LBW, các khả năng của quy trình phải phù hợp với ứng dụng và các cân nhắc khác được nêu dưới đây phải được kiểm tra trước khi triển khai LBW để sửa chữa rô-to.
điền kim loại
Có hai quy trình khác nhau để hàn laser. Một loại sử dụng kim loại chứa đầy bột (LBW-P) và loại còn lại sử dụng kim loại chứa đầy dây (LBW-W). Trong LBW-P, bột được phân phối từ bộ nạp bột qua một ống và một hoặc nhiều vòi phun bằng tia khí trơ, vận chuyển bột vào vũng hàn.
Trong LBW-W, kim loại phụ được phân phối bằng các bộ cấp dây thủ công hoặc cơ giới để cấp dây vào vũng hàn.
Có sự khác biệt về luyện kim và hậu cần giữa hai phương pháp, phải được tính đến khi xác định quy trình thích hợp nhất cho một sửa chữa cụ thể. Điều này đặc biệt đúng khi ASME BPVC chưa tính đến những khác biệt này.
Trong số các biến cơ bản là các chi tiết liên quan đến kim loại bột, bao gồm kích thước kim loại bột, mật độ và tốc độ nạp. Tuy nhiên, không có đề cập đến các tham số dòng điền.
Điều này chỉ ra rằng thông số kỹ thuật hiện tại chỉ xem xét các ứng dụng hàn laser bột. Cũng theo đó, đặc tính của quy trình chỉ liên quan đến hàn laser dựa trên bột.
Đây là một lý do tại sao hàn chùm tia laze có thể yêu cầu các yêu cầu đặc tính quy trình bổ sung.
nguồn laze
Có thể sử dụng nhiều nguồn ánh sáng laser khác nhau để hàn laser. Bài viết này tập trung vào hai nguồn laser hàn phổ biến nhất, laser Nd:YAG và laser sợi quang.
Laser Nd:YAG bao gồm các tinh thể ngọc hồng lựu nhôm yttrium pha tạp neodymium được kích thích bằng đèn pin xenon để tạo ra chùm tia laze, trong khi đó, laze sợi quang bao gồm một bộ điốt kích thích sợi quang pha tạp nguyên tố đất hiếm để tạo ra tia laze. chùm tia.
Mặc dù cả hai nguồn laser đều có thể được sử dụng để sửa chữa rôto, nhưng cả hai đều mang lại sự đánh đổi bao gồm chất lượng chùm tia, kích thước chùm tia, tần số chùm tia, tuổi thọ, chi phí và hiệu quả.
Việc chọn loại laser tốt nhất phụ thuộc vào ứng dụng. Tuy nhiên, khi vấn đề tuân thủ ASME BPVC, laser sợi quang là lựa chọn tốt hơn.
Lý do cho điều này là sự khác biệt trong cách tạo ra chùm tia laze và sự ổn định của nó theo thời gian. Trong laser Nd:YAG, bóng đèn flash xenon xuống cấp theo thời gian và mờ dần theo tuổi tác.
Việc làm mờ bóng đèn làm giảm sự kích thích của tinh thể Nd:YAG, làm giảm cường độ của chùm tia laze thu được. Kết quả là công suất đầu ra của thiết lập la-de nhất định sẽ giảm trong suốt vòng đời của đèn pin, mặc dù tốc độ suy giảm có thể không xác định.
Đây là một vấn đề đối với việc tuân thủ vì theo ASME BPVC Phần IX Bảng QW-264, công suất laser là một biến số quan trọng không thể thay đổi trong một quy trình hàn nhất định.
Việc duy trì yêu cầu này gần như là không thể đối với laser Nd:YAG, mặc dù không có đề cập đến thực tế này trong mã. Trái ngược với các nguồn Nd:YAG, các nguồn laser sợi quang không gặp phải vấn đề này vì quá trình kích thích được thực hiện bởi một đi-ốt.
Do đó, laser sợi quang vượt trội hơn và được cho là cần thiết trong các tình huống yêu cầu tuân thủ mã.
Laser liên tục hoặc xung
Một số hệ thống laser hiện nay có khả năng hoạt động ở cả chế độ xung và chế độ hoạt động liên tục. Ưu điểm của việc sử dụng laser xung là có thể giảm nhiệt đầu vào để giảm thiểu kích thước của HAZ, ứng suất dư và quang sai.
Ngoài các ưu điểm chung, xung có thể hữu ích trong các trường hợp đặc biệt, chẳng hạn như hàn trên các bộ phận đã hoàn thiện khi không thể thực hiện PWHT. Điều này là do thực tế là nguồn điện xung có đầu vào nhiệt thấp hơn nguồn điện liên tục.
Tuy nhiên, hoạt động của laser xung phần lớn bị giới hạn ở LBW-W, vì các hệ thống LBW-P sử dụng nguồn điện liên tục để hoạt động hiệu quả nhất. Điều này là do thực tế là trong các ứng dụng dạng bột, bột được phân phối liên tục, điều này sẽ dẫn đến một lượng đáng kể bột bị lãng phí hoặc thiếu sự kết hợp do không đủ nhiệt giữa các xung.
Đối với các hệ thống dựa trên dây, bộ cấp dây được thiết bị điều khiển chính xác để duy trì các điều kiện hàn ổn định. Điều quan trọng cần lưu ý là chế độ hàn là một biến độc lập cũng có thể ảnh hưởng đến tốc độ lắng đọng của quá trình hàn, nhưng điều này phụ thuộc nhiều vào loại hệ thống, cũng như các điều kiện sửa chữa.
Nhìn chung, việc lựa chọn kiểu hàn nên dựa trên loại kim loại phụ được cung cấp, cũng như loại sửa chữa và đặc tính mối hàn mong muốn.
Thiết kế mối hàn
Để giảm thiểu các khuyết tật tiềm ẩn, thiết kế mối nối phải phù hợp với loại hệ thống hàn đang được sử dụng. Các hệ thống hàn dựa trên dây nói chung chịu được các góc nhọn và rãnh sâu hơn so với các hệ thống hàn bột.
Điều này là do hệ thống dây không yêu cầu hệ thống vận chuyển khí để mang vật liệu độn đến vùng hàn. Trong các hệ thống hàn dựa trên bột, sự nhiễu loạn trong khí mang được sử dụng để vận chuyển bột đến vũng nóng chảy gây ra bởi hình dạng cơ chất (ví dụ: vát chữ V) dẫn đến tốc độ phân phối bột kém hơn và khả năng che chắn kém hơn.
Tốc độ phân phối bột kém có thể dẫn đến việc hàn không hiệu quả và nhiệt dư thừa truyền đến bề mặt, trong khi đặc tính che chắn kém có thể dẫn đến độ xốp và sự hình thành các tạp chất oxit. Ngoài ra, với LBW-P, bột dư thừa không sử dụng có thể tích tụ trong khớp.
Hàn trên bột rời như vậy có thể dẫn đến các khuyết tật nghiêm trọng bao gồm thiếu nhiệt hạch, rỗ khí hoặc nứt. Do đó, việc cung cấp kim loại phụ gốc bột tại góc vát đòi hỏi góc vát rộng hơn, điều này tạo ra nhiều mối hàn hơn nhưng cũng làm tăng thể tích của góc vát.
Do đó, khi sử dụng LBW-P, thể tích rãnh chữ v cần thiết để trích xuất mẫu thử là rất lớn so với kích thước điển hình của mối hàn laze, khiến việc chế tạo mẫu thử để mô tả đặc điểm quy trình là không thực tế.
Trong trường hợp phân phối kim loại phụ dựa trên dây, các bức tường dốc của rãnh đưa ra những thách thức hình học đối với việc phân phối khí và dây bảo vệ, làm tăng khả năng bị rỗ và tăng khả năng thiếu các khuyết tật nhiệt hạch.
Tuy nhiên, có thể vát mép bằng hàn LBW. Ngoài ra, đối với hầu hết các sửa chữa trục khi áp dụng LBW, việc sửa chữa thường là hàn lớp phủ và không yêu cầu hàn vát.
Hình 2 cho thấy các loại sửa chữa trục phổ biến, bao gồm sửa chữa lớp phủ, lớp phủ và phần gốc. Mặc dù sửa chữa sơ khai yêu cầu hàn vát, nhưng LBW thường không được sử dụng vì các quy trình khác có tốc độ lắng đọng cao hơn.
Đối với các loại vật liệu độn, LBW-P và LBW-W có thể được sử dụng để sửa chữa trục nói chung, nhưng cần thận trọng khi hàn gần các bước hoặc các điểm có thể gây ra nhiễu loạn trong quy trình bột.
Tuy nhiên, các yêu cầu về chất lượng quy trình hàn có thể không khả thi hoặc không thực tế đối với LBW-P và LBW-P cũng có thể gặp khó khăn khi độ xốp không được chấp nhận.
Chi phí và tính sẵn có của kim loại phụ
Khả năng chọn kim loại phụ phụ thuộc vào sự sẵn có của vật liệu đang được thảo luận.
Nói chung, các phiên bản dây và bột có sẵn cho nhiều loại vật liệu.
Tuy nhiên, vật liệu dựa trên dây có xu hướng bị giới hạn ở các hợp kim hàn thông thường, trong khi vật liệu dạng bột có xu hướng hướng đến thép hợp kim cao hơn và hợp kim đặc biệt.
Điều này là do một trong những động lực chính cho sản xuất bột là sản xuất phụ gia dựa trên bột, có tỷ lệ chi phí-lợi ích cao nhất đối với các vật liệu kỳ lạ hơn.
Do đó, rất khó để tìm thấy carbon và thép hợp kim thấp ở dạng bột vì những vật liệu này rẻ đến mức không hiệu quả về mặt chi phí khi sử dụng dạng bột cho hầu hết các ứng dụng công nghiệp.
Vì carbon và thép hợp kim thấp được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp máy móc cánh quạt, hệ thống hàn laser dựa trên dây thường là một lựa chọn tốt hơn do sự sẵn có tốt hơn của các vật liệu này. Ngoài ra, kim loại phụ ở dạng dây cũng thường rẻ hơn dạng bột.
Nhược điểm
Từ quan điểm ứng dụng, một trong những khác biệt chính giữa hàn laser dựa trên bột và hàn laser dựa trên dây là loại khuyết tật và khả năng hình thành khuyết tật trong quá trình hàn.
LBW-W có khả năng tạo ra các mối hàn hoàn toàn dày đặc, không có khuyết tật, trong khi LBW-P thường có ít độ xốp nhất. Trong bất kỳ trường hợp nào, các thông số hàn, hình dạng hoặc điều kiện hàn không tối ưu có thể tạo ra khuyết tật trong cả hai quá trình.
Các khuyết tật điển hình xảy ra trong hàn laze bao gồm các lỗi sau, cho thấy các khuyết tật trong lớp phủ LBW-P:
- độ xốp
- Thiếu sự hợp nhất
- hạt chưa sử dụng
- vết nứt
Độ xốp được đặc trưng bởi sự hiện diện của các khoảng trống trong lớp lắng đọng mối hàn, được tạo ra do sự thoát ra của khí bị giữ lại trong quá trình hóa rắn.
Đối với LBW, có một số cách để đưa khí vào bể hàn, nhưng các lý thuyết chính bao gồm bẫy khí bảo vệ hoặc hơi kim loại, xâm thực gây ra bởi các mối hàn lỗ nhỏ không ổn định và khí bị giữ lại trong các hạt bột trong quá trình nguyên tử hóa và giải phóng trong quá trình hàn. quá trình hàn.
Ngoài ra, độ bao phủ của khí bảo vệ kém trong quá trình hàn có thể dẫn đến hiện tượng xâm thực, thường xảy ra do các thấu kính khí được căn chỉnh không chính xác hoặc sự nhiễu loạn gần vũng hàn.
Điều này có thể là do sự nhiễu loạn từ quá trình oxy hóa nhanh chóng của vũng hàn đã được xử lý, hoặc thoát khí do đốt cháy oxy trong không khí. Cuối cùng, sự thiếu sạch sẽ của lớp nền và vật liệu độn cũng có thể góp phần tạo nên độ xốp.
Hàn trên vật liệu hữu cơ (dầu, mỡ, bụi bẩn, oxit, v.v.) có thể dẫn đến thoát khí trong quá trình hàn, bị mắc kẹt trong vũng hàn khi nó đông đặc.
Thiếu nhiệt hạch được đặc trưng bởi kim loại phụ không được hợp nhất với kim loại cơ bản tại một vị trí. Điều này xảy ra khi nguồn nhiệt không tạo ra đủ nhiệt để liên kết chất độn và kim loại cơ bản.
Các nguyên nhân điển hình của tình trạng này bao gồm góc hàn kém, tốc độ nạp vật liệu độn cao và/hoặc công suất laser không đủ. Tương tự như bột chưa tan, các hạt chưa tan được đặc trưng bởi sự hiện diện của bột chưa tan trong mối hàn.
Loại lỗi này chỉ có ở LBW-P vì nó liên quan đến bột, điều mà LBW-W không có. Lý do cho các hạt không tan chảy tương tự như thiếu nhiệt hạch, tức là không có đủ nhiệt để làm tan chảy hoàn toàn và kết hợp vật liệu độn với vật liệu cơ bản.
Điều này thường là do tia laser không có đủ thời gian, công suất và/hoặc vị trí thích hợp để làm tan chảy tất cả kim loại phụ trong khu vực mối hàn.
Nứt được đặc trưng bởi kim loại mối hàn bị đứt ra do ứng suất. Nứt có thể do nhiều yếu tố gây ra, ví dụ phổ biến bao gồm thiết kế mối nối có độ bền cao, tốc độ làm nguội nhanh, tính nhạy cảm của kim loại đắp, nhiễm bẩn, hình dạng mối hàn và/hoặc các thông số hàn không chính xác. Được dịch bằng www.DeepL.com/Translator (phiên bản miễn phí)
