涡轮机械：激光焊接

激光熔覆技术在涡轮机和压缩机轴的修复中越来越受欢迎，这导致客户对激光熔覆方案的需求增加，也使得提供各种解决方案的激光焊接供应商数量增加。

因此，了解激光熔覆工艺的基本能力、局限性和潜在缺陷，以及如何对该工艺进行鉴定以确保激光焊接修复满足给定应用的要求，是非常重要的。

与任何焊接工艺一样，理想的焊接结果是获得冶金性能良好的焊缝，其质量应达到或超过最低应用设计标准。焊丝合金的选择、形状和输送方式都会对焊缝的质量和适用性产生显著影响。

涡轮机械设备中最关键的部件之一是转子。这些精密组件以极高的速度旋转，并且必须承受巨大的应力才能长时间正常运行。

为了达到这种可靠性水平，制造商必须确保零部件适用于特定应用。对成分、机械性能和加工工艺的严格控制，确保了零部件的质量合格。

这些检查、验证和保障措施最大限度地延长了设备的使用寿命，同时最大限度地降低了发生灾难性故障的风险。

然而，正常运转造成的磨损最终会导致足够的损坏，需要维修或更换。累积的损坏通常只是表面性的，与更换整个转子相比，维修在成本和时间上都更具优势，而且维修过程带来的风险也极小。

典型的修复工艺包括喷涂、电镀、电弧焊、等离子焊和激光焊。每种工艺都有其优缺点，具体取决于多种因素，包括损伤的位置和程度、运行条件、使用环境、基材和所需的修复材料以及客户的接受程度。

本文重点介绍激光焊接修复，以及激光焊接工艺如何有利于压缩机和涡轮轴的修复，包括需要考虑的因素。

讨论内容包括最常见的轴修复区域、在这些位置进行激光焊接的风险，以及为验证该工艺应要求进行的测试类型。

激光束焊接

在激光束焊接（LBW）出现之前，轴修复最常用的工艺是埋弧焊（SAW），主要是因为该工艺稳定可靠，且熔敷率高。

然而，该工艺需要高热输入，可能导致轴变形和高残余应力。由于变形的存在，埋弧焊修复通常需要去除修复区域的所有凸起部分，重建这些凸起部分，并进行大量的堆焊，以确保有足够的加工余量来恢复尺寸。

此外，由于焊接产生的残余应力较高，修复工作总是需要在最终加工之前进行焊后热处理 (PWHT)，以消除残余应力，从而最大限度地减少加工过程中轴的移动（变形）。

聚焦激光技术的应用使其能够进行焊接（包括熔覆）、切割和热处理。尽管激光束焊接技术早在20世纪70年代就已出现，但技术的进步和成本的降低使其工业应用范围不断扩大，如今已涵盖涡轮机械转子修复等领域。

LBW 的主要优点是它是一种高能量密度工艺，因此能够以非常低的热输入进行焊接，从而最大限度地减少母材劣化、热影响区 (HAZ) 的尺寸、残余应力和变形，同时还能实现非常快的焊接速度。

同时，较小的热影响区也有好处，因为较小的轴体积可能会因熔合过程的热量而产生有害特性。

对于可热处理合金（例如淬火回火钢）而言，这一点尤为重要，这类合金常用于涡轮机械转子。图 1 显示了一个激光焊接装置示例。

图1. 激光焊接装置。（图片：Elliott Group。）

除了热输入低之外，LBW工艺还能产生高质量的熔焊，形成冶金结合（不会像基于粘附的涂层那样出现分层），易于自动化以实现一致性和可重复性，并且具有很高的几何精度。

例如，本研究中使用的激光光斑尺寸可以从直径 0.2 毫米（用于小型焊接）到直径 2.0 毫米（用于更高沉积速率的堆焊）不等。

为了充分发挥 LBW 工艺的优势，必须使工艺能力与应用相匹配，并且在实施 LBW 进行转子修复之前，必须考虑以下概述的其他因素。

填充金属输送

激光焊接工艺有两种截然不同的方法。一种使用粉末状焊丝（LBW-P），另一种使用丝状焊丝（LBW-W）。在LBW-P工艺中，粉末由送粉器通过管道和一个或多个喷嘴，在惰性气体的喷射下进入熔池。

在 LBW-W 中，填充金属是通过手工或机械送丝机将焊丝送入熔池来输送的。

这两种方法在冶金和工艺方面都存在差异，在确定特定维修的最佳工艺时必须考虑这些差异。尤其需要注意的是，ASME BPVC 标准尚未考虑这些差异。

激光束焊接的焊接工艺规程 (WPS) 的变量由 ASME BPVC 第 IX 节表 QW-264 和 QW-264.1 涵盖。

关键变量包括与粉末填充金属相关的具体参数，例如粉末金属的粒径、密度和进给速度。然而，文中并未提及填充丝的参数。

这表明现行规范仅考虑粉末激光焊接应用。由此可知，工艺评定也仅适用于粉末激光焊接。

这也是激光束焊接可能需要额外工艺资质要求的原因之一。

激光源

激光焊接可使用多种激光光源。本文重点介绍两种最常用的焊接激光光源：Nd:YAG激光器和光纤激光器。

Nd:YAG 激光器由掺钕钇铝石榴石晶体组成，该晶体由氙气闪光灯激发以产生激光束；而光纤激光器由二极管阵列组成，该二极管阵列激发掺杂稀土元素的光纤以产生激光束。

虽然这两种激光源都可以用于转子修复，但它们各自都有优缺点，包括光束质量、光束尺寸、光束频率、寿命、成本和效率。

选择最佳激光器取决于具体应用。但如果需要考虑 ASME BPVC 合规性，则光纤激光器是更佳选择。

造成这种差异的原因在于激光束的产生方式及其长期稳定性不同。在Nd:YAG激光器中，氙气闪光灯泡会随着时间推移而老化，亮度也会逐渐降低。

较暗的灯泡会导致Nd:YAG晶体的激发强度降低，从而降低产生的激光束强度。其结果是，在给定的激光设置下，闪光灯的功率输出在其使用寿命期间会逐渐降低，但衰减速率可能未知。

这对于合规性而言是个问题，因为根据 ASME BPVC 第 IX 节表 QW-264，激光功率是给定焊接工艺中不可更改的关键变量。

尽管规范中并未提及，但对于Nd:YAG激光器而言，满足这一要求几乎是不可能的。与Nd:YAG光源不同，光纤激光器不存在这个问题，因为它是由二极管进行激发的。

因此，在需要符合规范的情况下，光纤激光器具有极大的优越性，而且可以说是必要的。

连续激光或脉冲激光

目前一些激光系统能够同时以脉冲模式和连续模式运行。使用脉冲激光的优势在于可以降低热输入，从而最大限度地减小热影响区尺寸、残余应力和变形量。

除了上述普遍优势外，脉冲焊接在某些特定情况下也很有用，例如在精加工零件上进行焊接，而此时无法进行焊后热处理 (PWHT)。这是因为脉冲功率的热输入低于连续功率。

然而，脉冲激光操作主要局限于激光束波束（LBW-W）技术，因为激光束波束脉冲（LBW-P）系统在连续功率下运行效率最高。这是因为在粉末基应用中，粉末是连续输送的，如果脉冲间隔时间过长，会导致大量粉末浪费或因热量不足而造成熔融不足。

对于线材焊接系统，送丝机由设备精确控制，以维持稳定的焊接条件。值得注意的是，焊接模式本身也会影响焊接过程的熔敷率，但这很大程度上取决于系统类型以及修复条件。

总的来说，焊接模式的选择应根据填充金属的输送方式，但也要根据修复类型和所需的焊接性能来选择。

联合设计

为最大限度减少缺陷的可能性，接头设计必须与所使用的焊接系统类型相匹配。与粉末焊接系统相比，丝材焊接系统通常对尖角和深槽的容忍度更高。

这是因为焊丝焊接系统不需要气体输送系统将填充材料输送到焊接区域。而在粉末焊接系统中，由于基材几何形状（例如V形坡口）引起的载气湍流，会导致粉末输送速率降低和保护效果不佳。

粉末输送速率不足会导致焊接效率低下，过多的热量传递到基材；而保护不良则会导致气孔和氧化物夹杂物的形成。此外，对于激光束粉末焊接（LBW-P），未熔化的粉末也会在焊缝中积聚。

在这些松散的粉末上进行焊接会导致严重的缺陷，包括未熔合、气孔或裂纹。因此，在坡口内输送粉末状填充金属需要更大的坡口角度，这虽然能更好地接触焊缝，但也增加了坡口的体积。

因此，在使用 LBW-P 时，用于提取测试样品的 V 形槽的体积与激光焊缝的典型尺寸相比非常大，使得制造用于工艺鉴定的测试样品变得不切实际。

对于以焊丝为基础的填充金属输送，沟槽的倾斜壁给保护气体和焊丝输送带来了几何上的挑战，这增加了气孔的可能性，并增加了未熔合缺陷的易感性。

然而，采用激光焊接技术（LBW）也可以进行沟槽焊接。此外，对于大多数适用激光焊接技术的轴修复，修复方式通常是堆焊，这种方式不需要沟槽焊接。

图 2 展示了常见的轴修复类型，包括堆焊、积屑瘤修复和短轴修复。虽然短轴修复需要进行沟槽焊接，但通常不会采用激光焊接 (LBW) 工艺，因为其他工艺的熔敷率更高。

关于填充材料类型，LBW-P 和 LBW-W 可用于一般的轴修复，但当焊缝靠近台阶或特征时，应注意避免粉末工艺中可能出现的湍流。

然而，对于 LBW-P 而言，焊接工艺评定要求可能是不可能的或不切实际的，而且在气孔率不可接受的情况下，LBW-P 也可能难以胜任。

图 2. 常见的轴修复

填充金属成本和供应情况

选择填充金属的能力取决于相关材料的可用性。

一般来说，各种材料都有线材和粉末两种版本可供选择。

然而，线材材料往往仅限于常见的焊接合金，而粉末材料则往往适用于高合金钢和特种合金。

这是因为粉末生产的关键驱动因素之一是粉末增材制造，对于更特殊的材料而言，它具有最高的成本效益比。

正因如此，很难找到粉末状的碳钢和低合金钢，因为这些材料价格低廉，粉末状的使用对于大多数工业应用来说并不经济。

由于碳钢和低合金钢在涡轮机械行业中被广泛使用，而这些材料的供应更为充足，因此基于丝材的激光焊接系统往往是更佳的选择。此外，丝材形式的焊丝通常也比粉末形式的焊丝更经济。

缺陷

从应用角度来看，粉末激光焊接和线材激光焊接的一个主要区别在于缺陷的类型以及焊接过程中形成缺陷的可能性。

激光束焊接（LBW-W）能够产生完全致密、无缺陷的焊缝，而激光束焊接（LBW-P）通常至少会存在少量气孔。然而，无论采用哪种焊接工艺，焊接参数、接头几何形状或焊接条件不佳都可能导致缺陷。

激光焊接中常见的缺陷包括以下几种，图 3 显示了 LBW-P 堆焊中的缺陷示例。

• 孔隙率
• 融合不足
• 未融合粒子
• 裂解

气孔是指焊缝熔敷层内部出现的空隙，是由凝固过程中逸出的气体被困住而形成的。

对于激光焊接，有几种方法可以将气体引入熔池，但主要理论包括捕获保护气体或金属蒸汽、不稳定匙孔焊接引起的空化，以及在雾化过程中被困在粉末颗粒中并在焊接过程中释放的气体。

此外，焊接过程中保护气体覆盖不良也会导致气孔产生，这通常是由于气体透镜对准不当或熔池附近存在湍流造成的。

这可能是由于焊池快速氧化凝固产生的湍流，或是由于燃烧空气中的氧气产生的气体所致。此外，母材和填充材料的洁净度不足也会导致气孔的产生。

在有机物（油、油脂、污垢、氧化物等）上进行焊接时，焊接过程中会产生气体逸出，这些气体在焊池凝固时会被困在焊池中。

未熔合是指填充金属与母材未熔合的部位。这种情况发生在热源产生的热量不足以使填充金属和母材充分熔合时。

造成这种情况的常见原因包括焊接角度不当、焊丝送料速度过快和/或激光功率不足。与未熔合类似，未熔合颗粒的特征是焊缝中存在未熔化的粉末残留物。

这种缺陷是 LBW-P 特有的，因为它涉及粉末，而 LBW-W 则不涉及粉末。未熔合颗粒的成因与熔合不足类似，即热量不足以使填料与基体材料完全熔化和融合。

图 3. 激光焊接中常见的缺陷。这些缺陷是在使用粉末填充金属的焊接过程中发现的。每张图像中都可以看到点状分布的气孔。

这通常是因为激光没有足够的时间、功率和/或正确的定位来熔化焊接区域内的所有填充金属。

裂纹的特征是由于应力作用导致焊缝金属断裂。裂纹的产生可能由多种因素引起，常见因素包括：接头设计约束过强、冷却速度过快、填充金属敏感性、污染、焊缝轮廓和/或焊接参数不当。