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。

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…