ターボ機械: レーザー溶接

2023 年 4 月 4 日

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

レーザー被覆はタービンやコンプレッサーのシャフトの修復に受け入れられるようになり、その結果、レーザー被覆オプションに対する顧客の需要が増加し、さまざまなソリューションを提供するレーザー溶接サプライヤーの数が増加しました。

したがって、レーザークラッディングプロセスの基本的な機能、制限、潜在的な落とし穴、およびレーザー溶接修理が特定の用途の要件を確実に満たすためにプロセスをどのように認定する必要があるかを理解することが重要です。

他の溶接プロセスと同様に、望ましい結果は、最小限の用途設計基準を満たす、またはそれを超える冶金学的に健全な堆積物です。 溶加材の合金の選択、形状、および供給方法は、溶接デポジットの品質と適合性に大きな影響を与える可能性があります。

ターボ機械装置の最も重要なコンポーネントの 1 つはローターです。 これらの精密アセンブリは非常に高速で回転するため、長期間の使用にわたって大きな応力に耐える必要があります。

このレベルの信頼性を達成するには、メーカーはコンポーネントがアプリケーションに適していることを確認する必要があります。 組成、機械的特性、加工を厳密に管理することで、部品が確実に許容できるものになります。

これらの検査、検証、安全対策により、致命的な故障のリスクを最小限に抑えながら、使用可能な耐用年数を最大限に延長します。

ただし、通常の使用による磨耗により、最終的には修理または交換が必要となる十分な損傷が生じます。 一般に、蓄積された損傷は表面的なものであり、ローター全体を交換する場合と比較して、修理はコストと時間の面で有利ですが、修理プロセスに関連するリスクは最小限に抑えられます。

一般的な修理プロセスには、スプレー コーティング、メッキ、アーク溶接、プラズマ溶接、レーザー溶接などがあります。 これらの各プロセスには、損傷の場所と程度、動作条件、使用環境、下地と必要な修復材料、顧客の受け入れなどのさまざまな要因に応じて、長所と短所があります。

この記事では、特にレーザー溶接の修理と、レーザー溶接プロセスがコンプレッサーやタービン シャフトの修理にどのように役立つか、対処すべき考慮事項に焦点を当てています。

この説明には、最も一般的に修理されるシャフト領域、これらの場所でのレーザー溶接に関連するリスク、および手順を認定するために必要なテストの種類が含まれます。

レーザービーム溶接 (LBW) が登場する前は、シャフト修理の最も一般的なプロセスはサブマージ アーク溶接 (SAW) でした。これは、主にプロセスが堅牢で溶着速度が高いためです。

ただし、このプロセスには大量の入熱が伴うため、シャフトの歪みや高い残留応力が発生する可能性があります。 歪みのため、SAW 修理では、修理領域からすべての突出フィーチャーを除去し、それらのフィーチャーを再構築し、寸法を復元するための十分な加工代を確保するために広範囲にわたるオーバーレイが必要になる傾向があります。

また、溶接による高い残留応力のため、修理には必ず最終加工の前に溶接後熱処理 (PWHT) が必要です。これにより残留応力が緩和され、加工作業中のシャフトの動き (歪み) が最小限に抑えられます。

集束レーザーにアクセスすると、溶接 (被覆を含む)、切断、熱処理が可能になります。 LBW は 1970 年代から存在していましたが、技術と手頃な価格の向上により、産業用途の範囲が拡大し、現在ではターボ機械のローター修復も含まれています。

LBW の主な利点は、高エネルギー密度プロセスであるため、非常に低い入熱で溶接できることです。これにより、母材の劣化、熱影響部 (HAZ) のサイズ、残留応力、歪みが最小限に抑えられます。同時に非常に速い溶接速度も可能になります。

一方、HAZ が小さいことは、溶融プロセスからの熱によって引き起こされる有害な特性が生じる可能性のあるシャフト体積が少なくなるという点でも有利です。

これは、ターボ機械のローターに一般的に使用される焼き入れ焼き戻し鋼などの熱処理可能な合金の場合に特に重要です。 レーザー溶接セットアップの例を図 1 に示します。

低入熱に加えて、LBW プロセスは冶金学的結合による高品質の融着を生成し (接着に基づくコーティングで発生する層間剥離がありません)、一貫性と再現性のために自動化が容易で、高い幾何学的精度を備えています。

たとえば、この研究に使用されるレーザーのスポット サイズは、小さな溶接の場合は直径 0.2 mm から、より高い堆積速度のオーバーレイの場合は直径 2.0 mm までの範囲になります。

LBW プロセスの利点を最大限に活かすには、プロセスの能力をアプリケーションに適合させる必要があり、ローター修復に LBW を実装する前に、以下に概説する追加の考慮事項を検討する必要があります。

2 つの異なるレーザー溶接プロセスがあります。 1 つは粉末ベースのフィラー金属 (LBW-P) を使用するもの、もう 1 つはワイヤーベースのフィラー金属 (LBW-W) を使用するものです。 LBW-P では、粉末は粉末フィーダからチューブと 1 つ以上のノズルを介して不活性ガスのジェットによって供給され、粉末が溶接池に送られます。

LBW-W では、溶加材は手作業または機械化されたワイヤ送給装置によってワイヤを溶接池に送り込むことによって供給されます。

これら 2 つの方法には、冶金学的および物流上の違いがあり、特定の修理に最適なプロセスを決定する際に考慮する必要があります。 ASME BPVC ではこれらの違いがまだ考慮されていないことを考慮すると、これは特に当てはまります。

レーザー ビーム溶接の溶接手順仕様 (WPS) の変数は、ASME BPVC セクション IX 表 QW-264 および QW-264.1 でカバーされています。

重要な変数には、粉末金属のサイズ、密度、供給速度など、粉末フィラー金属に関連する詳細が含まれます。 ただし、フィラーワイヤのパラメータについては言及されていません。

これは、現在のコードが粉末ベースのレーザー溶接アプリケーションのみを考慮していることを示しています。 したがって、手順の認定は粉末ベースのレーザー溶接にのみ関連することになります。

これが、レーザー ビーム溶接に追加の手順資格要件が必要となる理由の 1 つです。

レーザー溶接にはさまざまなレーザー源を使用できます。 この記事では、Nd:YAG レーザーとファイバー レーザーでの溶接に最も一般的な 2 つのレーザー光源に焦点を当てます。

Nd:YAG レーザーは、キセノン フラッシュランプによって励起されてレーザー ビームを生成するネオジムがドープされたイットリウム アルミニウム ガーネット結晶で構成されています。一方、ファイバー レーザーは、希土類元素がドープされた光ファイバーを励起してレーザー ビームを生成するダイオードのアレイで構成されています。 。

これらのレーザー光源はどちらもローターの修復に使用できますが、それぞれにビーム品質、ビームサイズ、ビーム周波数、寿命、コスト、効率などのトレードオフがあります。

最適なレーザーの選択は用途によって異なります。 ただし、ASME BPVC 準拠が懸念される場合には、ファイバー レーザーの方が良い選択となります。

その理由は、レーザー光の生成方法とその経時的安定性の違いです。 Nd:YAG レーザー内では、キセノン フラッシュランプの電球が時間の経過とともに劣化し、古くなると暗くなります。

電球を暗くすると、Nd:YAG 結晶の励起が少なくなり、生成されるレーザー ビームの強度が減少します。 その影響は、特定のレーザー設定での出力がフラッシュランプの寿命を通して減少することですが、劣化の速度はおそらく不明です。

ASME BPVC セクション IX 表 QW-264 によれば、レーザー出力は特定の溶接手順では変更できない重要な変数であるため、これはコンプライアンスにとって問題です。

この要件を維持することは、Nd:YAG レーザーではほぼ不可能ですが、この事実はコードには記載されていません。 Nd:YAG 光源とは対照的に、ファイバー レーザー光源では励起がダイオードによって行われるため、この問題は発生しません。

したがって、規格への準拠が必要な状況では、ファイバー レーザーが非常に優れており、間違いなく必要です。

一部のレーザー システムは、パルス モードと連続動作モードの両方で動作できるようになりました。 パルスレーザーを使用する利点は、入熱を減らして HAZ のサイズ、残留応力の量、歪みの量を最小限に抑えることができることです。

一般的な利点とは別に、パルスは、PWHT が不可能な仕上げ加工部品の溶接などの特定の場合にも役立ちます。 これは、パルス電力の方が連続電力よりも入熱が低いためです。

ただし、LBW-P システムは連続電力を使用して最も効果的に動作するため、パルス レーザー動作はほとんど LBW-W に限定されます。 これは、粉末ベースのアプリケーションでは粉末が連続的に供給されるため、大量の粉末が無駄になったり、パルス間の熱不足によって溶融が不足したりする可能性があるためです。

ワイヤベースのシステムでは、ワイヤ送給装置が装置によって正確に制御され、安定した溶接条件が維持されます。 独立変数としての溶接モードも溶接プロセスの堆積速度に影響を与える可能性があることに注目する価値がありますが、これはシステムのタイプや修復条件に大きく依存します。

全体として、溶接モードは溶加材の種類に基づいて選択する必要がありますが、修復の種類や希望する溶接特性にも基づいて選択する必要があります。

欠陥の可能性を最小限に抑えるには、接合部の設計が使用する溶接システムの種類に適している必要があります。 ワイヤベースの溶接システムは通常、粉末システムよりも鋭い角や深い溝に対する耐性が高くなります。

これは、ワイヤ システムでは溶接領域に充填材を供給するためのガス輸送システムが必要ないという事実によるものです。 粉末ベースの溶接システムでは、V 溝などの基板の形状によって溶融プールに粉末を供給するために使用されるキャリア ガスの乱流が、粉末の供給速度の低下やシールドの低下につながる可能性があります。

粉末の供給速度が低いと、溶接効率が低くなり、過剰な熱が基板に到達することになります。一方、シールドが不十分な場合は、多孔性や酸化物介在物の形成が発生する可能性があります。 さらに、LBW-P の場合、過剰な未溶融粉末も接合部に蓄積する可能性があります。

このルースパウダー上で溶接すると、融着の欠如、気孔、亀裂などの重大な欠陥が発生する可能性があります。 その結果、粉末ベースのフィラー金属を溝内に供給するには、より広い溝角度が必要となり、溶接継手へのアクセスが容易になりますが、溝の容積も増加します。

したがって、LBW-P を使用する場合に試験片を取り出すために必要な V 溝の容積は、レーザー溶接ビードの一般的なサイズと比較して非常に大きく、手順認定用の試験片の製造は非現実的になります。

ワイヤベースの溶加材の供給の場合、溝の壁が傾斜しているため、シールドガスとワイヤの供給に幾何学的な問題が生じ、気孔が発生する可能性が高まり、溶融欠陥の欠如が発生しやすくなります。

ただし、LBWでは開先溶接が可能です。 さらに、LBW が適用されるほとんどのシャフト修理では、溝溶接を必要としない肉盛溶接が行われる傾向があります。

図 2 は、オーバーレイ、ビルドアップ、スタブ修理などの一般的なシャフト修理タイプを示しています。 スタブ修復には開先溶接が必要ですが、他のプロセスの方が堆積速度が高いため、通常は LBW を使用して実行されることはありません。

溶加材の種類に関しては、LBW-P および LBW-W は一般的なシャフトの修理に使用できますが、溶接部が粉末プロセスで乱流を引き起こす可能性のある段差やフィーチャーに近い場合には注意が必要です。

ただし、溶接手順の認定要件は LBW-P では不可能または非現実的である可能性があり、気孔率が許容できない場合にも LBW-P は困難を伴う可能性があります。

溶加材を選択できるかどうかは、対象となる材料の入手可能性に依存します。

一般に、ワイヤーとパウダーの両方のバージョンがさまざまな材料に利用可能です。

ただし、ワイヤベースの材料は一般的な溶接合金に限定される傾向があり、一方、粉末材料は高合金鋼や特殊合金を対象とする傾向があります。

これは、粉末生産の主な原動力の 1 つが粉末ベースの積層造形であり、より特殊な材料の費用対効果が最も高いためです。

このため、粉末状の炭素鋼や低合金鋼を見つけるのは困難です。これらの材料は十分に安価であるため、ほとんどの産業用途では粉末状の使用はコスト効率が悪いからです。

ターボ機械業界では炭素鋼および低合金鋼が頻繁に使用されているため、これらの材料の入手性が向上するため、ワイヤーベースのレーザー溶接システムがより良い選択肢となる傾向があります。 さらに、ワイヤー状の金属フィラーも一般に粉末状よりも安価です。

用途の観点から見ると、粉末ベースのレーザー溶接とワイヤーベースのレーザー溶接の大きな違いの 1 つは、溶接中に欠陥の種類と欠陥が形成される可能性です。

LBW-W は完全に緻密で欠陥のない溶接を行うことができますが、LBW-P は通常、最小限の気孔率を持ちます。 いずれにせよ、最適ではない溶接パラメータ、接合部の形状、または条件により、どちらのプロセスでも欠陥が発生する可能性があります。

レーザー溶接で発生する典型的な欠陥には次のようなものがあります。例を図 3 に示します。LBW-P オーバーレイの欠陥を示しています。

気孔率は、凝固中に閉じ込められたガスの流出によって生成される溶接デポジット内に発生する空隙によって特徴付けられます。

LBW の場合、ガスを溶融池に導入する方法はいくつかありますが、主な理論には、シールド ガスまたは金属蒸気の捕捉、不安定なキーホール溶接によって引き起こされるキャビテーション、および噴霧プロセス中に粉末粒子に閉じ込められたガスが含まれます。溶接中に解放されます。

さらに、溶接中のシールドガスの適用範囲が不十分なために気孔が発生する可能性があります。これは通常、不適切に位置合わせされたガスレンズや溶接池近くの乱流によって引き起こされます。

これは、凝固する溶接池の急速な酸化によって発生する乱流、または空気中の酸素の燃焼によって発生するガスによって発生する可能性があります。 最後に、母材金属と充填材の清浄度の欠如も気孔率の原因となる可能性があります。

有機物（油、グリース、汚れ、酸化物など）の上で溶接を行うと、溶接中にガスが発生し、凝固するにつれて溶接池に閉じ込められます。

溶融の欠如は、溶加材がベース金属と溶融しなかった場所によって特徴付けられます。 これは、熱源がフィラーとベースメタルを融合させるのに十分な熱を発生しない場合に発生します。

この原因としては、溶接角度の不足、溶加材の供給速度の過剰、レーザー出力の不足などが考えられます。 溶融の欠如と同様に、未溶融粒子は溶接部に存在する未溶融粉末の残留物によって特徴付けられます。

このタイプの欠陥は LBW-W には粉末が含まれるのに対し、粉末が含まれないため、LBW-P に限定されます。 未溶融粒子の原因は、溶融の欠如と同様であり、フィラー材料をベース材料と完全に溶融および溶融するための熱が不十分である場合に起こります。

これは一般に、溶接領域のすべての溶加材を溶かすための時間、出力、および/または正しい位置がレーザーになかったため発生します。

亀裂は、応力による溶接金属の破壊によって特徴付けられます。 亀裂はさまざまな要因によって発生する可能性がありますが、一般的な例としては、高度に拘束された継手の設計、急速な冷却速度、溶加材の感受性、汚染、溶接ビードのプロファイル、および/または不適切な溶接パラメータなどが挙げられます。

Michael W. Kuper 博士は、Elliott Group の製品および技術グループの材料エンジニアです。 彼は学士号、修士号、博士号を取得しています。 オハイオ州立大学で材料科学と工学の博士号を取得。

彼の過去の経験には、ニッケルベースの溶加材で溶接された 9Cr-1Mo-V 鋼を含む異種金属溶接の分析や、金属材料の高堆積速度の積層造形が含まれます。

彼は現在 5 冊の出版物を出版し、十数の技術会議で研究を発表しており、雑誌「Welding In the World」の査読者としても活躍しています。

Michael Metzmaier は、Elliott Group の材料工学部門の溶接エンジニアです。 彼はペンシルベニア工科大学で溶接および製造エンジニアリング技術の学士号を取得しています。

彼は、エリオット グループ内で製造エンジニア、ローター部門スーパーバイザー、溶接エンジニアなどのさまざまな役職を歴任してきました。