Turbomaquinaria: Soldadura Láser

04 abril 2023

Escrito por Michael W. Kuper, PhD., ingeniero de materiales, Elliott Group y Michael J. Metzmaier, ingeniero de soldadura IV, ingeniería de materiales, Elliott Group

El revestimiento láser está ganando aceptación para la restauración de ejes de turbinas y compresores, lo que ha resultado en una mayor demanda de opciones de revestimiento láser por parte de los clientes y un mayor número de proveedores de soldadura láser que ofrecen una variedad de soluciones.

Por lo tanto, es importante comprender las capacidades básicas, las limitaciones y los peligros potenciales del proceso de revestimiento por láser, y cómo se debe calificar el proceso para garantizar que las reparaciones con soldadura por láser cumplan con los requisitos para la aplicación dada.

Al igual que con cualquier proceso de soldadura, el resultado deseado es un depósito metalúrgicamente sólido que cumpla o supere los criterios mínimos de diseño de la aplicación. La selección, la forma y los métodos de entrega de la aleación del material de relleno pueden tener un impacto significativo en la calidad y la idoneidad del depósito de soldadura.

Uno de los componentes más críticos de los equipos de turbomaquinaria es el rotor. Estos ensambles de precisión giran a velocidades extremadamente altas y deben soportar esfuerzos significativos durante extensos tiempos de servicio.

Para lograr este nivel de confiabilidad, los fabricantes deben asegurarse de que los componentes sean adecuados para la aplicación. Los estrictos controles de composición, propiedades mecánicas y procesamiento garantizan que las piezas sean aceptables.

Estas inspecciones, verificaciones y medidas de seguridad maximizan la vida útil y minimizan el riesgo de fallas catastróficas.

Sin embargo, el desgaste por uso normal eventualmente causará suficiente daño que requerirá reparación o reemplazo. El daño acumulado es generalmente superficial, y la reparación ofrece una ventaja de costo y tiempo, en comparación con reemplazar todo el rotor, al tiempo que agrega un riesgo mínimo relacionado con el proceso de reparación.

Los procesos de reparación típicos incluyen recubrimiento por aspersión, enchapado, soldadura por arco, soldadura por plasma y soldadura por láser. Cada uno de estos procesos tiene ventajas y desventajas, dependiendo de una variedad de factores, que incluyen la ubicación y el alcance del daño, las condiciones de operación, el entorno de servicio, el sustrato y el material de reparación deseado, y la aceptación del cliente.

Este artículo se enfoca específicamente en las reparaciones de soldadura por láser y cómo el proceso de soldadura por láser puede ser beneficioso para las reparaciones del compresor y el eje de la turbina, incluidas las consideraciones que deben abordarse.

La discusión incluye las áreas del eje que se reparan con mayor frecuencia, los riesgos asociados con la soldadura láser en estos lugares y los tipos de pruebas que se deben requerir para calificar el procedimiento.

Antes de la llegada de la soldadura por rayo láser (LBW), el proceso más común para la reparación de ejes era la soldadura por arco sumergido (SAW), principalmente porque el proceso es robusto y ofrece una alta tasa de deposición.

Sin embargo, este proceso implica una gran entrada de calor, lo que puede provocar la distorsión del eje y una gran tensión residual. Debido a la distorsión, las reparaciones de SAW tienden a requerir la eliminación de todas las características sobresalientes del área de reparación, la reconstrucción de esas características y una amplia superposición para garantizar suficiente material de mecanizado para restaurar las dimensiones.

Además, debido a la alta tensión residual de la soldadura, las reparaciones siempre requieren un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) antes del mecanizado final, lo que alivia las tensiones residuales y minimiza el movimiento del eje (distorsión) durante la operación de mecanizado.

El acceso a un láser enfocado permite la soldadura (incluido el revestimiento), el corte y el tratamiento térmico. Aunque LBW existe desde la década de 1970, las mejoras en la tecnología y la asequibilidad han ampliado su gama de aplicaciones industriales que ahora incluyen la restauración de rotores de turbomaquinaria.

La principal ventaja de LBW es que es un proceso de alta densidad de energía y, por lo tanto, es capaz de soldar con un aporte de calor muy bajo, lo que minimiza la degradación del metal base, el tamaño de la zona afectada por el calor (HAZ), la tensión residual y la distorsión. mientras que también permite velocidades de soldadura muy rápidas.

Mientras tanto, la HAZ más pequeña también es beneficiosa porque menos volumen del eje tiene el potencial de propiedades perjudiciales causadas por el calor del proceso de fusión.

Esto es particularmente importante en el caso de aleaciones tratables térmicamente, como los aceros templados y revenidos, que se usan comúnmente para rotores de turbomaquinaria. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de configuración de soldadura por láser.

Además de la baja entrada de calor, el proceso LBW produce soldaduras por fusión de alta calidad con una unión metalúrgica (sin delaminación, que puede ocurrir en recubrimientos basados ​​en la adhesión), se automatiza fácilmente para lograr consistencia y repetibilidad, y tiene una alta precisión geométrica.

Por ejemplo, el tamaño del punto del láser utilizado para este estudio puede oscilar entre 0,2 mm de diámetro para soldaduras pequeñas y 2,0 mm de diámetro para superposiciones de mayor tasa de deposición.

Para capitalizar las ventajas del proceso LBW, las capacidades del proceso deben coincidir con la aplicación, y las consideraciones adicionales, que se describen a continuación, deben explorarse antes de implementar LBW para la restauración del rotor.

Hay dos procesos distintos de soldadura por láser. Uno usa metal de aporte a base de polvo (LBW-P) y otro que usa metal de aporte a base de alambre (LBW-W). En LBW-P, el polvo se entrega desde un alimentador de polvo a través de una tubería y una o más boquillas mediante un chorro de gas inerte, que entrega el polvo al baño de soldadura.

En LBW-W, el metal de aporte se entrega alimentando el alambre al baño de soldadura, ya sea a mano o mediante un alimentador de alambre mecanizado.

Estos dos métodos tienen diferencias tanto metalúrgicas como logísticas que deben tenerse en cuenta al determinar el proceso más adecuado para una reparación determinada. Esto es especialmente cierto considerando que estas diferencias aún no se tienen en cuenta en ASME BPVC.

Las variables para las especificaciones del procedimiento de soldadura (WPS) para la soldadura por rayo láser están cubiertas por las tablas QW-264 y QW-264.1 de la Sección IX de ASME BPVC.

Entre las variables esenciales se encuentran aspectos específicos relacionados con los metales de aporte en polvo, incluidos el tamaño, la densidad y la velocidad de alimentación del metal en polvo. Sin embargo, no se mencionan los parámetros del alambre de relleno.

Esto indica que el código actual solo considera aplicaciones de soldadura láser a base de polvo. De ello se deduce que la calificación del procedimiento también sería relevante solo para la soldadura láser basada en polvo.

Esta es una de las razones por las que pueden ser necesarios requisitos de calificación de procedimientos adicionales para la soldadura por rayo láser.

Se puede utilizar una variedad de fuentes de láser para la soldadura por láser. Este artículo se centra en dos de las fuentes de láser más comunes para soldar en láseres Nd:YAG y láseres de fibra.

Los láseres Nd:YAG consisten en un cristal de granate de itrio y aluminio dopado con neodimio que es excitado por una lámpara de xenón para producir el rayo láser, mientras que los láseres de fibra consisten en una serie de diodos que excitan una fibra óptica dopada con elementos de tierras raras para producir el rayo láser. .

Si bien cualquiera de estas fuentes de láser se puede utilizar para la restauración del rotor, cada una de ellas ofrece ventajas y desventajas, incluida la calidad del haz, el tamaño del haz, la frecuencia del haz, la vida útil, el costo y la eficiencia.

Elegir el mejor láser depende de la aplicación. Sin embargo, cuando el cumplimiento de ASME BPVC es una preocupación, el láser de fibra es la mejor opción.

La razón de esto es la diferencia en la forma en que se genera el rayo láser y su estabilidad en el tiempo. Dentro del láser Nd:YAG, la bombilla de la lámpara de flash de xenón se degrada con el tiempo y se vuelve más tenue a medida que envejece.

La bombilla atenuadora da como resultado una menor excitación del cristal Nd:YAG, lo que disminuye la intensidad del rayo láser producido. El efecto es que la potencia de salida para una determinada configuración de láser disminuye a lo largo de la vida útil de la lámpara de destellos, aunque es probable que se desconozca la tasa de degradación.

Esto es problemático para el cumplimiento, ya que de acuerdo con la Tabla QW-264 de la Sección IX de ASME BPVC, la potencia del láser es una variable crítica que no se puede cambiar para un procedimiento de soldadura dado.

Mantener este requisito sería casi imposible para un láser Nd:YAG, aunque este hecho no se menciona en el código. A diferencia de las fuentes de Nd:YAG, las fuentes de láser de fibra no tienen este problema, ya que la excitación se realiza mediante diodos.

Por lo tanto, los láseres de fibra son muy superiores y posiblemente necesarios en situaciones que requieren el cumplimiento de códigos.

Algunos sistemas láser ahora tienen la capacidad de operar tanto en modo pulsado como en modo continuo. La ventaja de usar un láser pulsado es que la entrada de calor se puede reducir para minimizar el tamaño de la ZAT, la cantidad de tensión residual y la cantidad de distorsión.

Aparte de las ventajas generales, la pulsación también es útil en casos específicos, como la soldadura en una pieza acabada a máquina, donde no es posible un PWHT. Esto se debe a que la energía pulsada tiene una entrada de calor más baja que la energía continua.

Sin embargo, la operación de láser pulsado se limita principalmente a LBW-W, ya que los sistemas LBW-P funcionan de manera más efectiva con energía continua. Esto se debe a que en las aplicaciones a base de polvo, el polvo se entrega continuamente, lo que daría como resultado una gran cantidad de polvo desperdiciado o falta de fusión causada por calor insuficiente entre pulsos.

Para los sistemas basados ​​en alambre, el equipo controla con precisión el alimentador de alambre para mantener condiciones de soldadura estables. Vale la pena señalar que el modo de soldadura como variable independiente también puede tener un efecto en las tasas de deposición del proceso de soldadura, pero esto depende en gran medida del tipo de sistema, así como de las condiciones de la reparación.

En general, el modo de soldadura debe elegirse en función del tipo de suministro de metal de aporte, pero también en función del tipo de reparación y las propiedades de soldadura deseadas.

Para minimizar la posibilidad de defectos, el diseño de la unión debe ser adecuado para el tipo de sistema de soldadura utilizado. Los sistemas de soldadura a base de alambre suelen tolerar mejor las esquinas afiladas y las ranuras profundas que los sistemas de polvo.

Esto se debe al hecho de que los sistemas de alambre no requieren un sistema de transporte de gas para entregar el material de aporte a la zona de soldadura. En los sistemas de soldadura a base de polvo, la turbulencia en el gas portador utilizado para entregar el polvo al baño de fusión causada por la geometría del sustrato, como una ranura en V, puede generar tasas de entrega de polvo deficientes y un blindaje deficiente.

Las bajas tasas de suministro de polvo dan como resultado una baja eficiencia de soldadura y un exceso de calor que llega al sustrato, mientras que un blindaje deficiente puede dar como resultado porosidad y la formación de inclusiones de óxido. Además, para LBW-P, el exceso de polvo no fusionado también puede acumularse en la junta.

Soldar sobre este polvo suelto puede causar defectos importantes, como falta de fusión, porosidad o agrietamiento. Como resultado, la entrega de metal de aporte a base de polvo en una ranura requiere un ángulo de ranura más amplio, lo que crea más acceso a la unión soldada, pero también aumenta el volumen de la ranura.

Por lo tanto, el volumen de la ranura en V necesaria para extraer muestras de prueba cuando se usa LBW-P es muy grande en comparación con el tamaño típico de un cordón de soldadura láser, lo que hace que la fabricación de muestras de prueba para la calificación del procedimiento sea poco práctica.

En el caso de la entrega de metal de aporte a base de alambre, la pared en ángulo de la ranura crea desafíos geométricos para la entrega de alambre y gas de protección, lo que aumenta la probabilidad de porosidad y aumenta la susceptibilidad por falta de defectos de fusión.

Sin embargo, la soldadura de ranura es posible con LBW. Además, para la mayoría de las reparaciones de ejes donde se aplica LBW, las reparaciones tienden a ser superposiciones de soldadura, que no requieren soldadura de ranura.

La figura 2 muestra los tipos comunes de reparación de ejes, incluidas las superposiciones, las acumulaciones y la reparación de puntas. Aunque la reparación de piezas sueltas requeriría soldadura de ranura, generalmente no se realizaría con LBW, ya que otros procesos tienen una tasa de deposición más alta.

Con respecto al tipo de material de relleno, LBW-P y LBW-W serán aceptables para reparaciones generales de ejes, aunque se debe tener precaución cuando las soldaduras estén cerca de escalones o características que puedan causar turbulencia con un proceso de polvo.

Sin embargo, los requisitos de calificación del procedimiento de soldadura pueden ser imposibles o poco prácticos para LBW-P, y LBW-P también puede tener problemas donde la porosidad es inaceptable.

La capacidad de elegir un metal de aporte depende de la disponibilidad del material en cuestión.

Generalmente, las versiones de alambre y polvo están disponibles para una variedad de materiales.

Sin embargo, los materiales a base de alambre tienden a limitarse a las aleaciones comúnmente soldadas, mientras que los materiales en polvo tienden a orientarse hacia aceros de aleación superior y aleaciones especiales.

Esto se debe a que uno de los impulsores clave para la producción de polvo es la fabricación aditiva a base de polvo, que tiene la mayor relación costo-beneficio para los materiales más exóticos.

Debido a esto, es difícil encontrar acero al carbono y de baja aleación en forma de polvo, ya que estos materiales son lo suficientemente baratos como para que el uso de la forma de polvo no sea rentable para la mayoría de las aplicaciones industriales.

Dado que los aceros al carbono y de baja aleación se utilizan mucho en la industria de turbomaquinaria, los sistemas de soldadura láser basados ​​en alambre tienden a ser una mejor opción debido a la mejor disponibilidad de estos materiales. Además, el metal de aporte en forma de alambre también es generalmente menos costoso que en forma de polvo.

Desde el punto de vista de las aplicaciones, una diferencia importante entre la soldadura láser basada en polvo y la basada en alambre es el tipo de defectos y la probabilidad de que se formen defectos durante la soldadura.

LBW-W es capaz de producir soldaduras completamente densas y sin defectos, mientras que LBW-P generalmente tiene una pequeña cantidad de porosidad como mínimo. Independientemente, los parámetros de soldadura, la geometría de la junta o las condiciones subóptimos pueden generar defectos para cualquiera de los procesos.

Los defectos típicos que ocurren en la soldadura láser incluyen los siguientes, con ejemplos que se muestran en la Figura 3, que muestra defectos en una superposición LBW-P.

La porosidad se caracteriza por los vacíos que se producen dentro del depósito de soldadura, creados por los gases de escape que quedan atrapados durante la solidificación.

Para LBW, existen varios métodos mediante los cuales se pueden introducir gases en el baño de soldadura, pero las teorías principales incluyen atrapar gas de protección o vapores metálicos, cavitación causada por soldadura inestable tipo ojo de cerradura y gases que quedaron atrapados en las partículas de polvo durante el proceso de atomización. y liberado durante la soldadura.

Además, la porosidad puede ocurrir debido a una cobertura de gas de protección deficiente durante la soldadura, que generalmente es causada por una lente de gas mal alineada o turbulencia cerca del baño de soldadura.

Esto puede ocurrir debido a la turbulencia creada por la oxidación rápida del baño de soldadura en solidificación, o por los gases creados al quemar el oxígeno que se encuentra en el aire. Por último, la falta de limpieza del metal base y del material de relleno también puede contribuir a la porosidad.

La soldadura sobre materia orgánica (aceite, grasa, suciedad, óxidos, etc.) provoca la desgasificación durante la soldadura que queda atrapada en el baño de soldadura a medida que se solidifica.

La falta de fusión se caracteriza por lugares donde el metal de aporte no se fusionó con el metal base. Esto ocurre cuando la fuente de calor genera calor insuficiente para coalescer los metales base y de aporte.

Las causas típicas de esto incluyen ángulo de soldadura deficiente, velocidad de alimentación de material de relleno excesiva y/o potencia de láser inadecuada. Al igual que la falta de fusión, las partículas no fusionadas se caracterizan por la presencia de restos de polvo sin fundir en la soldadura.

Este tipo de defecto es exclusivo de LBW-P porque involucra polvo mientras que LBW-W no lo hace. La causa de las partículas no fusionadas es similar a la falta de fusión, donde no hay suficiente calor para derretir y fusionar completamente el material de relleno con el material base.

Esto generalmente ocurre porque el láser no tuvo el tiempo, la potencia y/o el posicionamiento correcto para derretir todo el metal de aporte en el área de soldadura.

El agrietamiento se caracteriza por la fractura del metal de soldadura debido a la tensión. El agrietamiento puede ser causado por una multitud de factores, aunque los ejemplos comunes incluyen un diseño de unión altamente restringido, velocidades de enfriamiento rápidas, susceptibilidad del metal de aporte, contaminación, perfil del cordón de soldadura y/o parámetros de soldadura incorrectos.

El Dr. Michael W. Kuper es ingeniero de materiales en el Grupo de Productos y Tecnología de Elliott Group. Tiene una licenciatura, una maestría y un doctorado. en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Estatal de Ohio.

Sus experiencias pasadas incluyen el análisis de soldaduras de metales disímiles que involucran acero 9Cr-1Mo-V soldado con metales de aporte a base de níquel y la fabricación aditiva de alta tasa de deposición de materiales metálicos.

Actualmente tiene 5 publicaciones, ha presentado investigaciones en más de una docena de conferencias técnicas y es un revisor activo de la revista Welding In the World.

Michael Metzmaier es ingeniero de soldadura en el Departamento de Ingeniería de Materiales de Elliott Group. Tiene una licenciatura en Tecnología de Ingeniería de Fabricación y Soldadura de la Facultad de Tecnología de Pensilvania.

Ha ocupado varios puestos dentro de Elliott Group, incluido el de ingeniero de fabricación, supervisor de la división de rotores e ingeniero de soldadura.