ターボ機械: ターボ機械ローター修復のためのレーザー溶接: パート 2

Jul 09, 2023

PSG11主催の特集シリーズ 2023年4月

Michael W. Kuper博士、Elliott Group材料エンジニア、およびMichael J. Metzmaier著、Elliott Group材料工学溶接エンジニアIV

シャフトの修理には、一般に LBW-P よりも LBW-W の方が適しています。 その第一の理由は、LBW-W には欠陥、つまり気孔が形成される可能性が低く、最終機械加工後に不合格の表面兆候が生じる可能性があるためです。

第 2 に、LBW-W でパルス レーザー源を使用できるため、入熱が減少し、歪み、残留応力、HAZ のサイズを最小限に抑えることができます [8]。

第三に、ワイヤフィラーメタルは、一般に粉末よりも安価で容易に入手できるため、ターボ機械のシャフト材料として一般的に使用される炭素鋼および低合金鋼に使用できる唯一の選択肢である可能性があります。

従来のアーク溶接を使用したローター修理には、通常、PWHT が必要です。 まず、アーク溶接による残留応力は、最終機械加工後、特にタービンローターに必要な熱安定性試験中にシャフトの動きを引き起こすほど大きくなります。

PWHT は残留応力を軽減し、加工中のシャフトの動きを最小限に抑えます。 また、ローターは通常、焼き入れおよび焼き戻しされたマルテンサイト鋼であるため、溶接により溶接デポジットおよび HAZ に硬くて脆い非焼き戻しマルテンサイトが生成されます。

焼き戻しされていないマルテンサイトは衝撃靱性を低下させ、特に低温使用の場合、母材の要件を下回る可能性があります。

PWHT は溶接中に形成されたフレッシュマルテンサイトを焼き戻し、シャフトの衝撃靱性を回復します。 残念ながら、PWHT は母材を焼き戻ししすぎる可能性があり、場合によっては強度が低下する可能性があります。

溶接後の熱処理もコストと時間がかかる作業です。 図 4 は、ローターに適用される PWHT のセットアップを示しています。

このプロセスでは、歪みを最小限に抑えるためにシャフトを垂直に吊るす必要があります。 言い換えれば、ローターが水平に熱処理されると、ローターは支持体間で曲がり、たわみ、熱処理後に永久的なものになります。

シャフトを垂直に吊り下げた後、加熱ブランケットと熱電対が追加され、強力かつ正確な熱 (通常は 1000 °F 以上) を提供する必要があり、この熱は均一に分散される必要があります。

熱が不均一に加えられると、応力の緩和も不均一になり、有害な歪みが生じる可能性があります。

加熱/冷却速度と保持時間は注意深く制御および監視する必要があります。 全体として、このプロセスは比較的複雑で、時間とコストがかかります。

多くの場合、レーザー溶接アプリケーターは、レーザー溶接によって生成される溶接付着物と HAZ が十分に小さいため、それらの存在がシャフト全体の特性に与える影響は無視できるため、プロセスに PWHT は必要ないと主張します。

しかし、ターボ機械用途におけるレーザー溶接修復の機械的特性に関する学術研究はほとんど行われていません。

溶接付着物と HAZ は小さいかもしれませんが、特にシャフト材料が最も一般的に使用される焼き入れ焼き戻し鋼である場合、それらがシャフトの使用適性に影響を与えないと仮定するのは危険です。

PWHT を回避するには、PWHT がなくても修理が必要な特性を確実に満たすように予防措置を講じる必要があります。 これらの予防措置には、この記事で後ほど推奨するテストや、動作環境の侵食および腐食要件との互換性の考慮が含まれます。

上で述べたように、現在の ASME BPVC は LBW-P と LBW-W を区別しておらず、Nd:YAG レーザーの出力パワーの時間の経過に伴う避けられない変化も考慮していません。

この点は、これらのプロセスの一般的なアプリケーションと認定の違いを考慮して、将来的には修正する必要があります。 手順の認定に関して、開先溶接は ASME BPVC セクション IX 表 QW-451.1 に認定されます。