Turbomáquinas: Soldagem a Laser para Restauração de Rotor de Turbomáquinas: Parte dois

Jul 09, 2023

Série de recursos especiais patrocinada pelo PSG11 de abril de 2023

Escrito por Michael W. Kuper, PhD., Engenheiro de Materiais, Elliott Group e Michael J. Metzmaier, Engenheiro de Soldagem IV, Engenharia de Materiais, Elliott Group

Para reparos de eixos, o LBW-W é geralmente mais aplicável que o LBW-P. A primeira razão para isso é que o LBW-W tem menor probabilidade de formar defeitos, nomeadamente porosidade, o que pode resultar em indicações de superfície rejeitáveis ​​após a usinagem final.

Em segundo lugar, a capacidade de usar uma fonte de laser pulsado em LBW-W reduz a entrada de calor, o que ajuda a minimizar a distorção, a tensão residual e o tamanho da ZTA [8].

Terceiro, o metal de adição de arame é mais barato e mais facilmente disponível do que o pó em geral, e pode ser a única opção disponível para os aços carbono e de baixa liga comumente usados ​​como materiais de eixo de turbomáquinas.

Para reparo de rotor usando soldagem a arco convencional, geralmente é necessário um PWHT. Primeiro, a tensão residual da soldagem a arco é grande o suficiente para causar movimento do eixo após a usinagem final, particularmente durante o teste de estabilidade térmica exigido para rotores de turbinas.

O PWHT alivia a tensão residual para minimizar o movimento do eixo durante a usinagem. Além disso, como os rotores são tipicamente aços martensíticos temperados e revenidos, a soldagem cria martensita dura e quebradiça não temperada no depósito de solda e na ZTA.

A martensita não temperada reduz a resistência ao impacto, potencialmente abaixo dos requisitos do material base, especialmente para serviços em baixas temperaturas.

O PWHT tempera a martensita fresca formada durante a soldagem, o que restaura a resistência ao impacto do eixo. Infelizmente, o PWHT também pode superaquecer o material de base, o que pode resultar em perda de resistência em alguns casos.

O tratamento térmico pós-soldagem também é uma operação cara e demorada. A Figura 4 mostra a configuração de um PWHT aplicado a um rotor.

Para este processo, o eixo deve ser suspenso verticalmente para minimizar a distorção. Por outras palavras, se o rotor fosse tratado termicamente horizontalmente, o rotor curvar-se-ia e cederia entre suportes que se tornariam permanentes após o tratamento térmico.

Depois de suspender o eixo verticalmente, são adicionadas mantas de aquecimento e termopares que devem fornecer calor intenso, porém preciso (geralmente acima de 1000 °F), e esse calor deve ser distribuído uniformemente.

Se o calor for adicionado de forma não uniforme, a tensão será aliviada de forma não uniforme, o que poderá resultar em distorção prejudicial.

As taxas de aquecimento/resfriamento e os tempos de espera devem ser controlados e monitorados cuidadosamente. No geral, o processo é relativamente complexo, demorado e caro.

Freqüentemente, os aplicadores de solda a laser afirmam que um PWHT não é necessário em seu processo porque o depósito de solda e a ZTA criados pela soldagem a laser são pequenos o suficiente para que sua presença tenha um efeito insignificante nas propriedades gerais do eixo.

No entanto, poucas pesquisas acadêmicas foram realizadas sobre as propriedades mecânicas de reparos de solda a laser em aplicações de turbomáquinas.

Embora o depósito de solda e a ZTA possam ser pequenos, é perigoso presumir que eles não afetarão a aptidão do eixo para serviço, especialmente quando o material do eixo é aço temperado e revenido, que é o material de eixo mais comumente usado.

Para evitar o PWHT, devem ser tomadas precauções para garantir que o reparo atenda às propriedades exigidas sem o PWHT. Estas precauções incluem os testes recomendados posteriormente neste artigo, bem como considerar a compatibilidade com os requisitos de erosão e corrosão do ambiente operacional.

Como mencionado acima, o ASME BPVC atual não faz distinção entre LBW-P e LBW-W, nem leva em conta a mudança inevitável ao longo do tempo na potência de saída dos lasers Nd:YAG.

Isto terá de ser remediado no futuro para ter em conta as diferenças nas aplicações típicas e na qualificação destes processos. Com relação à qualificação do procedimento, as soldas ranhuradas seriam qualificadas de acordo com ASME BPVC Seção IX Tabela QW-451.1.