היישום של טכנולוגיית ריתוך לייזר בתיקון הרוטור המכני של האימפלר

רוטורים הם אחד המרכיבים הקריטיים ביותר במכונות ובציוד האימפלרים. רכיבים מדויקים אלו מסתובבים במהירויות גבוהות במיוחד וחייבים לעמוד בלחצים משמעותיים על פני מגוון רחב של זמני שירות.
כדי להגיע לרמת אמינות זו, היצרנים חייבים לוודא שהרכיבים מתאימים ליישום. בקרות קפדניות על הרכב, תכונות מכניות ועיבוד מבטיחות שהחלקים קבילים.
בדיקות, אימותים והגנה אלו ממקסמים את חיי השירות תוך מזעור הסיכון לכשל קטסטרופלי.
עם זאת, בלאי כתוצאה מפעולה רגילה יגרום בסופו של דבר מספיק נזק כדי לדרוש תיקון או החלפה. הנזק המצטבר הוא בדרך כלל שטחי, והתיקון מספק יתרונות עלות וזמן על פני החלפת הרוטור כולו תוך הגדלת הסיכון המינימלי הכרוך בתהליך התיקון.
תהליכי תיקון אופייניים כוללים צביעה, ציפוי, ריתוך קשת, ריתוך פלזמה וריתוך לייזר. לכל תהליך יש יתרונות וחסרונות בהתאם למגוון גורמים לרבות מיקום והיקף הנזק, תנאי ההפעלה, סביבת השימוש, המצע וחומר התיקון הנדרש וקבלת הלקוח.
מאמר זה מתמקד במיוחד בתיקוני ריתוך בלייזר וכיצד תהליך ריתוך הלייזר יכול להועיל לתיקוני מדחס וציר טורבינה, כולל בעיות שיש לטפל בהן.
הדיון כולל את אזורי הפיר המתוקנים בדרך כלל, הסיכונים של ריתוך לייזר במקומות אלו, וסוגי הבדיקות שיש להידרש לאימות ההליך.

ריתוך קרן לייזר
לפני הופעת ריתוך קרן לייזר (LBW), תהליך תיקון הפיר הנפוץ ביותר היה ריתוך קשת שקוע (SAW), בעיקר בגלל הקשיחות שלו וקצב השקיעה הגבוה שלו.
עם זאת, תהליך זה כרוך בהזנת חום גבוהה, מה שעלול להוביל לעיוות פיר וללחצים שיוריים גבוהים. עקב עיוות, תיקוני SAW מצריכים לעתים קרובות הסרה של כל המאפיינים הבולטים מאזור התיקון, שחזור של מאפיינים אלה ושכבת-על נרחבת כדי להבטיח קצב עיבוד מספיק כדי לשחזר מידות.
בנוסף, בשל הלחצים השיוריים הגבוהים הנוצרים בריתוך, תיקונים תמיד דורשים טיפול בחום לאחר ריתוך (PWHT) לפני העיבוד הסופי, אשר מקל על הלחצים השיוריים ובכך ממזער תנועה צירית (עיוות) במהלך פעולות העיבוד.
ניתן לבצע ריתוך (כולל חיפוי), חיתוך וטיפול בחום באמצעות לייזרים ממוקדים. למרות ש-LBW קיימת מאז שנות ה-70, שיפורים בטכנולוגיה ובמחיר סביר הרחיבו את היישומים התעשייתיים שלה לכלול כעת תיקון רוטור מכני של אימפלר.
היתרון העיקרי של LBW הוא שמדובר בתהליך בצפיפות אנרגיה גבוהה ולכן ניתן לרתך אותו עם כניסת חום נמוכה מאוד, ובכך למזער את השפלת מתכת הבסיס, גודל האזור המושפע בחום (HAZ), מתחים ועיוותים שיוריים, ובמקביל גם מאפשר מהיר מאוד מהירויות ריתוך.
יחד עם זאת, אזור מושפע חום קטן יותר מועיל גם מכיוון שלפחות מהנפח הצירי יש תכונות מזיקות הנגרמות מהחום שנוצר בתהליך ההיתוך.
זה חשוב במיוחד במקרה של סגסוגות הניתנות לטיפול בחום, כגון פלדה מרווה ומחוסמת, המשמשות בדרך כלל ברוטורים של מכונות אימפלר. דוגמה להגדרת ריתוך לייזר מוצגת באיור 1.

בנוסף להזנת חום נמוכה, תהליך LBW מייצר ריתוך איחוי באיכות גבוהה עם מליטה מתכתית (ללא דלמינציה, הידבקות שיכולה להתרחש בציפויים), אוטומציה קלה, עקביות וחזרתיות ודיוק גיאומטרי גבוה.
לדוגמה, גדלי כתמי הלייזר המשמשים במחקר זה יכולים לנוע בין ריתוך קטן בקוטר של {{0}}.2 מ"מ ועד לשכבת על של קצב השקיעה גבוה בקוטר של 2.0 מ"מ.
על מנת לנצל את מלוא היתרונות של תהליך ה-LBW, יש להתאים את יכולות התהליך לאפליקציה, ולבחון את שאר השיקולים המפורטים להלן לפני יישום LBW לתיקון הרוטור.

מילוי מתכת
ישנם שני תהליכים שונים לריתוך בלייזר. האחד משתמש במתכת במילוי אבקה (LBW-P) והשני משתמש במתכת מלאה על בסיס תיל (LBW-W). ב-LBW-P, אבקה מועברת ממזין אבקה דרך צינור וחריר אחד או יותר על ידי סילון גז אינרטי, המעביר את האבקה אל בריכת הריתוך.
ב-LBW-W, מתכת המילוי מועברת על ידי מזיני חוטים ידניים או ממוכנים המזינים את החוט לתוך בריכת הריתוך.
ישנם הבדלים מתכתיים ולוגיסטיים בין שתי השיטות, אותם יש לקחת בחשבון בעת ​​קביעת התהליך המתאים ביותר לתיקון מסוים. זה נכון במיוחד בהתחשב בכך ש-ASME BPVC עדיין לא לקחה בחשבון את ההבדלים הללו.

בין המשתנים הבסיסיים ניתן למצוא פרטים הקשורים למתכת מילוי האבקה, לרבות גודל מתכת אבקה, צפיפות וקצב הזנה. עם זאת, אין אזכור לפרמטרים של קו מילוי.
זה מצביע על כך שהמפרט הנוכחי מתייחס רק ליישומי ריתוך לייזר באבקה. מכאן גם שאפיון התהליך רלוונטי רק לריתוך לייזר מבוסס אבקה.
זו אחת הסיבות לכך שריתוך קרן לייזר עשוי לדרוש דרישות אפיון תהליך נוספות.

מקורות לייזר
ניתן להשתמש במגוון מקורות אור לייזר לריתוך בלייזר. מאמר זה מתמקד בשני מקורות הלייזר לריתוך הנפוצים ביותר, הלייזר Nd:YAG ולייזר הסיבים.
לייזרים Nd:YAG מורכבים מגבישי נופך אלומיניום איטריום מסוממים בניאודימיום, הנמרצים על ידי פנס קסנון להפקת קרן לייזר, בעוד שלייזרי סיבים מורכבים מקבוצה של דיודות המעוררות סיב מסומם-יסודות אדמה נדירים כדי לייצר לייזר קֶרֶן.
בעוד שני מקורות הלייזר יכולים לשמש לתיקון הרוטור, שניהם מציעים פשרות כולל איכות קרן, גודל קרן, תדירות קרן, משך חיים, עלות ויעילות.
בחירת הלייזר הטוב ביותר תלויה ביישום. עם זאת, כאשר תאימות ASME BPVC היא בעיה, לייזרים סיבים הם בחירה טובה יותר.
הסיבה לכך היא ההבדל באופן יצירת קרן הלייזר וביציבותה לאורך זמן. בלייזרי Nd:YAG, נורת הבזק הקסנון מתכלה עם הזמן ומתעמעמת עם הגיל.
עמעום הנורה גורם לעירור של גביש Nd:YAG להפחית, מה שמפחית את עוצמת קרן הלייזר המתקבלת. התוצאה היא שעוצמת המוצא של מערך לייזר נתון פוחתת לאורך כל חיי הפנס, אם כי ייתכן שקצב ההתפרקות אינו ידוע.
זה בעייתי לתאימות מכיוון שלפי ASME BPVC Section IX Table QW-264, כוח הלייזר הוא משתנה קריטי שלא ניתן לשנות במהלך תהליך ריתוך נתון.
שמירה על דרישה זו היא כמעט בלתי אפשרית עבור לייזרים Nd:YAG, אם כי אין אזכור לעובדה זו בקוד. בניגוד למקורות Nd:YAG, למקורות לייזר סיבים אין בעיה זו מכיוון שהעירור מתבצע על ידי דיודה.
לכן, לייזרים סיבים הם עדיפים וללא ספק נחוצים במצבים שבהם נדרשת תאימות לקוד.

לייזרים רציפים או פולסים
לחלק ממערכות הלייזר יש כיום את היכולת לפעול הן במצב דופק והן במצב פעולה מתמשך. היתרון בשימוש בלייזרים פולסים הוא שניתן להפחית את כניסת החום כדי למזער את גודל ה-HAZ, לחצים שיוריים וסטיות.
בנוסף ליתרונות הכלליים, פעימה יכולה להיות שימושית במקרים מיוחדים, כגון ריתוך על חלקים מוגמרים שבהם PWHT אינו אפשרי. זה נובע מהעובדה שלכוח הדופק יש כניסת חום נמוכה יותר מהספק רציף.
עם זאת, פעולת לייזר דופק מוגבלת במידה רבה ל-LBW-W, מכיוון שמערכות LBW-P משתמשות בכוח רציף כדי לפעול בצורה היעילה ביותר. זאת בשל העובדה שבאפליקציות מבוססות אבקה, האבקה מועברת באופן רציף, מה שיגרום לכמות משמעותית של אבקה מבוזבזת או לחוסר איחוי עקב חום לא מספיק בין הפולסים.
עבור מערכות מבוססות חוטים, מזין החוטים נשלט במדויק על ידי הציוד כדי לשמור על תנאי ריתוך עקביים. חשוב לציין כי מצב ריתוך כמשתנה בלתי תלוי יכול להשפיע גם על קצב השקיעה של תהליך הריתוך, אך הדבר תלוי מאוד בסוג המערכת, כמו גם בתנאי התיקון.
באופן כללי, בחירת תבנית הריתוך צריכה להתבסס על סוג מתכת המילוי המסופקת, אך גם על סוג התיקון ותכונות הריתוך הרצויות.

עיצוב מפרק ריתוך
כדי למזער פגמים פוטנציאליים, עיצוב המפרק חייב להיות מתאים לסוג מערכת הריתוך שבה נעשה שימוש. מערכות ריתוך מבוססות תיל סובלניות בדרך כלל יותר לפינות חדות וחריצים עמוקים מאשר מערכות ריתוך אבקה.
זאת בשל העובדה שמערכות תיל אינן דורשות מערכת הובלת גז כדי לשאת חומר מילוי לאזור הריתוך. במערכות ריתוך מבוססות אבקה, מערבולות בגז המוביל המשמש להובלת האבקה לבריכה המותכת הנגרמת על ידי גיאומטריית המצע (למשל, V-bevel) גורמת לשיעורי אספקת אבקה גרועים יותר ולמיגון גרוע יותר.
שיעורי אספקת אבקה ירודים יכולים להוביל לריתוך לא יעיל ולעודף חום המגיע למצע, בעוד שתכונות מיגון גרועות עלולות להוביל לנקבוביות ולהיווצרות תכלילי תחמוצת. בנוסף, עם LBW-P, עודף אבקה לא מאוחה יכול להצטבר במפרק.
ריתוך על אבקה רופפת כזו יכולה להוביל לפגמים חמורים כולל חוסר איחוי, נקבוביות או סדקים. כתוצאה מכך, אספקת מתכת מילוי על בסיס אבקה בשיפוע דורשת זווית שיפוע רחבה יותר, היוצרת חיבורים מרותכים יותר אך גם מגדילה את נפח השיפוע.
כתוצאה מכך, בעת שימוש ב-LBW-P, נפח ה-v-groove הנדרש לחילוץ הדגימה גדול מאוד בהשוואה לממדים האופייניים של ריתוך לייזר, מה שהופך אותו לבלתי מעשי לייצר דגימה לאפיון תהליך.
במקרה של אספקת מתכת מילוי על בסיס חוט, הקירות המשופעים של החריץ מציגים אתגרים גיאומטריים עבור אספקת גז מיגון וחוט, מה שמגביר את הסבירות לנקבוביות ומגביר את הרגישות לחוסר פגמי היתוך.
עם זאת, השיפוע אפשרי עם ריתוך LBW. בנוסף, עבור רוב תיקוני הפיר שבהם LBW ישים, התיקון הוא לרוב שכבת ריתוך ואינו דורש ריתוך משופע.
איור 2 מציג סוגים נפוצים של תיקוני פיר, כולל שכבה, הצטברות ותיקוני בדל. למרות שתיקוני בדל דורשים ריתוך שיפוע, LBW אינו משמש בדרך כלל מכיוון שלתהליכים אחרים יש שיעורי השקיעה גבוהים יותר.
לגבי סוגי חומרי מילוי, ניתן להשתמש ב-LBW-P ו-LBW-W לתיקון פיר כללי, אך יש לנקוט זהירות בעת ריתוך קרוב למדרגות או תכונות שעלולות לגרום למערבולת בתהליך האבקה.
עם זאת, דרישות הסמכה של תהליך ריתוך עשויות להיות בלתי אפשריות או לא מעשיות עבור LBW-P, ו-LBW-P עשויה גם להיתקל בקשיים שבהם נקבוביות אינה מקובלת.

עלות וזמינות של מתכות מילוי
היכולת לבחור מתכת מילוי תלויה בזמינות החומר הנדון.
באופן כללי, גרסאות תיל ואבקה זמינות עבור מגוון חומרים.
עם זאת, חומרים מבוססי תיל נוטים להיות מוגבלים לסגסוגות ריתוך נפוצות, בעוד שחומרי אבקה נוטים להיות מכוונים לפלדות סגסוגת גבוהות יותר וסגסוגות מיוחדות.
הסיבה לכך היא שאחד המניעים המרכזיים לייצור אבקה הוא ייצור תוספים על בסיס אבקה, בעל יחס העלות-תועלת הגבוה ביותר עבור חומרים אקזוטיים יותר.
בגלל זה, קשה למצוא פלדות פחמן וסגסוגת נמוכה בצורת אבקה מכיוון שהחומרים הללו זולים מספיק כדי שלא משתלם להשתמש בצורת האבקה עבור רוב היישומים התעשייתיים.
מאחר ופלדות פחמן וסגסוגת נמוכה נמצאים בשימוש רב בתעשיית מכונות האימפלרים, מערכות ריתוך לייזר מבוססות תיל הן לרוב אפשרות טובה יותר בשל הזמינות הטובה יותר של חומרים אלו. בנוסף, מתכות מילוי בצורת חוט הן בדרך כלל זולות יותר מאשר בצורת אבקה.

חסרונות
מנקודת מבט יישומית, אחד ההבדלים העיקריים בין ריתוך לייזר מבוסס אבקה לריתוך לייזר מבוסס חוט הוא סוג הפגמים והסבירות להיווצרות פגמים במהלך תהליך הריתוך.
LBW-W מסוגל לייצר ריתוכים צפופים לחלוטין וללא פגמים, בעוד של-LBW-P יש בדרך כלל את הנקבוביות הנמוכה ביותר. בכל מקרה, פרמטרים לא אופטימליים של ריתוך, גיאומטריה של מפרקים או תנאים יכולים ליצור פגמים בכל אחד מהתהליך.
פגמים אופייניים המתרחשים בריתוך לייזר כוללים את הפגמים הבאים, המציגים פגמים בשכבת העל LBW-P:

• נַקבּוּבִיוּת
• חוסר היתוך
• חלקיקים לא מתמזגים
• סדקים

נקבוביות מאופיינת בנוכחות חללים במשקע הריתוך, שנוצרו על ידי בריחת גזים שנלכדו במהלך ההתמצקות.
עבור LBW, ישנן מספר דרכים להחדיר גזים לבריכת הריתוך, אך התיאוריות העיקריות כוללות לכידת גזי מיגון או אדי מתכת, חלל שנגרמת על ידי ריתוכים לא יציבים של חורים קטנים וגזים הנלכדים בחלקיקי האבקה במהלך האטומיזציה ומשתחררים במהלך. תהליך הריתוך.
בנוסף, כיסוי גז מגן לקוי במהלך תהליך הריתוך עלול להוביל לקוויטציה, אשר נגרמת בדרך כלל על ידי עדשות גז מכוונות לא נכון או מערבולות ליד בריכת הריתוך.
זה יכול לנבוע מערבולות מחמצון מהיר של בריכת הריתוך המתרפא, או גז עקב בעירת חמצן באוויר. לבסוף, חוסר ניקיון של חומרי הבסיס והמילוי יכול גם לתרום לנקבוביות.
ריתוך על חומר אורגני (שמן, שומן, לכלוך, תחמוצות וכו') עלול להוביל להוצאת גז במהלך תהליך הריתוך, הנלכדת בבריכת הריתוך כשהיא מתמצקת.
חוסר היתוך מאופיין בכך שמתכת המילוי אינה מתמזגת למתכת הבסיסית במקום. זה מתרחש כאשר מקור החום אינו מייצר מספיק חום כדי לקשר את חומר המילוי ומתכות הבסיס.
גורמים אופייניים למצב זה כוללים זוויות ריתוך גרועות, קצב הזנת חומר מילוי גבוה ו/או כוח לייזר לא מספיק. בדומה לחלקיקים שאינם מתמזגים, חלקיקים לא מתמזגים מתאפיינים בנוכחות של שאריות של אבקה לא התמזגה בריתך.
סוג זה של פגם הוא ייחודי ל-LBW-P מכיוון שהוא כרוך באבקה, מה שאין ב-LBW-W. הסיבה לחלקיקים שאינם מתמזגים דומה לחוסר איחוי, כלומר, אין מספיק חום להמסה מלאה ולהתיך את חומר המילוי עם חומר הבסיס.

זה נובע בדרך כלל מכך שללייזר אין מספיק זמן, כוח ו/או מיקום נכון כדי להמיס את כל מתכת המילוי באזור הריתוך.
פיצוח מאופיין בכך שמתכת הריתוך מתפרקת עקב לחץ. סדקים יכולים להיגרם ממגוון גורמים, דוגמאות נפוצות כוללות עיצוב מפרקים מוגבל מאוד, קצבי קירור מהירים, רגישות למתכת מילוי, זיהום, צורת ריתוך ו/או פרמטרים שגויים של ריתוך. תורגם עם www.DeepL.com/Translator (גרסה חינמית)