激光熔覆在修复涡轮机和压缩机轴方面越来越受欢迎。客户对激光熔覆选项的需求增加也使越来越多的激光焊接供应商乐于提供各种解决方案。
了解激光熔覆工艺的基本能力、局限性和潜在缺陷，以及该工艺怎么才能合格并确保激光焊接修复满足给定应用的要求变得尤为重要。
与其它焊接工艺一样，理想的结果是沉积物冶金性能良好，达到或超过最低应用设计标准。填充材料合金的选择、形式和输送方法会对熔敷金属的质量和适用性产生重大影响。涡轮机械设备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，并且必须在很长的服务时间内承受巨大的压力。为了达到这种可靠性水平，制造商必须确保组件适合应用。对成分、机械性能和加工的严格控制确保部件是合格的。这些检查、验证和保障措施最大限度地延长了使用寿命，同时最大限度地降低了灾难性故障的风险。但是，正常操作造成的磨损最终仍然会造成一定程度的损坏，需要维修或更换。累积的损坏通常是表面的，与更换整个转子相比，维修提供了成本和时间优势。典型的修复工艺包括喷涂、电镀、电弧焊、等离子焊和激光焊。这些工艺各有优缺点，这取决于各种因素，包括损坏的位置和程度、操作条件、服务环境、基材和所需的修复材料以及客户接受度。Elliott集团材料工程师Michael W.Kuper博士和该集团四级材料工程焊接工程师Michael J.Metzmier共同撰写了一篇研究论文，特别关注了激光焊接修复以及激光焊接工艺如何有益于压缩机和涡轮机轴修复，包括需要解决的问题。论文还对最常维修的轴区域及在该区域进行激光焊接的相关风险，以及评定程序所需的测试类型等内容展开讨论。
《激光制造商情》小编特此编译该论文以飨读者。开始之前先看看相关的命名法：HAZ=热影响区；LBW=激光束焊接；LBW-P=激光束焊接（粉末填充金属）；LBW-W=激光束焊接（焊丝金属）；PWHT=焊后热处理；SAW=埋弧焊；WPS=焊接工艺规范。
1.激光束焊接(LBW)
在激光束焊接 (LBW) 出现之前，最常见的轴修复工艺是埋弧焊 (SAW)——该工艺坚固耐用且熔敷率高，但是，该工艺涉及高热输入，这会导致轴变形和高残余应力。由于变形，SAW 修复往往需要从修复区域移除所有突出特征，重建这些特征，并进行大量覆盖以确保有足够的机加工余量来恢复尺寸。此外，由于焊接产生的残余应力很高，在最终机加工之前，必须进行焊后热处理 (PWHT)，这可以消除残余应力，从而最大限度地减少机加工过程中轴的变形。使用激光束可以进行焊接（包括熔覆）、切割和热处理。尽管 LBW 自 1970 年代就已存在，但技术的改进和可承受性已经扩大了其工业应用范围，包括涡轮机械转子修复。LBW 的主要优点是：它是一种高能量密度工艺，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退化、限制热影响区 (HAZ) 的大小、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（HAZ）也是有益的，因为细小的轴体可能会因熔化过程中的热量而产生有害的特性。这对于通常用于涡轮机转子的调质钢（如淬火和回火钢）等可热处理合金尤为重要。激光焊接设置示例如图1所示。除了低热输入外，LBW工艺还可以产生具有冶金结合的高质量熔焊（无分层——涂层中可能会因附着力而发生分层），易于自动化以实现一致性和可重复性，并且具有高几何精度。例如，用于本研究的激光器的光斑尺寸范围从用于小焊缝的直径0.2毫米到用于更高沉积速率堆焊的直径2.0毫米。为了利用LBW工艺的优势，工艺能力必须与应用相匹配，并且在实施 LBW转子修复之前还必须探索下面其他注意事项。2.填充金属的输送
有两种不同的激光焊接工艺。一种使用粉末基填充金属(LBW-P)，另一种使用线基填充金属(LBW-W)。在LBW-P中，粉末通过管道和一个或多个喷嘴通过惰性气体射流从送粉器输送，惰性气体将粉末输送到熔池中。在LBW-W中，通过手动或机械送丝机将焊丝送入熔池来输送填充金属。这两种方法在冶金和输送方面存在差异，在确定给定维修的最合适工艺时必须考虑这些差异。考虑到ASME BPVC（ASME锅炉和压力容器规范）中尚未考虑这些差异，这一点尤其正确。ASME BPVC第IX节表QW-264和QW-264.1涵盖了用于激光束焊接的焊接工艺规范 (WPS) 的变量。基本变量包括与粉末填充金属相关的细节，包括粉末金属尺寸、密度和进料速度。但是，没有提及填充焊丝参数。这表明当前规范仅考虑基于粉末的激光焊接应用。因此，程序鉴定也将仅与基于粉末的激光焊接相关。这就是为什么激光束焊接可能需要额外的程序鉴定要求的原因之一。3.激光源
多种激光源可用于激光焊接。本文重点介绍用于焊接Nd:YAG激光器和光纤激光器的两种最常见的激光源。Nd:YAG激光器由掺钕钇铝石榴石晶体组成，由氙闪光灯激发产生激光束，而光纤激光器由二极管阵列组成，激发掺杂稀土元素的光纤产生激光束。虽然这些激光源中的任何一个都可用于转子修复，但它们都需要权衡取舍，包括光束质量、光束尺寸、光束频率、寿命、成本和效率。选择最好的激光器取决于应用。如果重视ASME BPVC合规性，光纤激光器则是更好的选择。其原因在于激光束的产生方式及其随时间的稳定性不同。在Nd:YAG激光器中，氙闪光灯灯泡会随着时间的推移而退化，并随着时间的推移变得更暗。调光灯泡导致Nd:YAG晶体的激发减弱，从而降低了产生的激光束的强度。结果导致给定激光设置的功率输出会在闪光灯的整个使用寿命期间降低，尽管降低的速度可能是未知的。这对于合规性来说是有问题的——因为根据ASME BPVC第IX节表QW-264，激光功率是一个关键变量，对于给定的焊接程序不能改变。对于Nd:YAG激光器来说，保证这点几乎是不可能的，尽管规范中没有提到这一点。与Nd:YAG源相比，光纤激光源没有这个问题，因为激发是由二极管执行的。因此，在需要符合规范的情况下，光纤激光器非常优越，而且可以说是必要的。4.连续或脉冲激光
现在的一些激光系统能够在脉冲模式和连续模式下运行。使用脉冲激光的优点是可以减少热输入，从而最大限度地减小HAZ的尺寸、残余应力量和变形量。除了一般优点外，脉冲在特定情况下也很有用，例如在无法进行PWHT的精加工零件上进行焊接。这是因为脉冲功率比连续功率具有更低的热输入。然而，脉冲激光操作主要限于LBW-W，因为LBW-P系统使用连续功率操作最有效。这是因为在基于粉末的应用中，粉末是连续输送的，这会导致大量粉末浪费或由于脉冲之间的热量不足而导致未熔合。对于基于焊丝的系统，送丝机由设备精确控制以保持稳定的焊接条件。值得注意的是，作为独立变量的焊接模式也会对焊接过程的沉积速率产生影响，但这在很大程度上取决于系统类型以及修复条件。总的来说，焊接模式的选择应基于填充金属的类型，还应基于修复类型和所需的焊接性能。
二、焊接工艺要素
1.焊缝设计
为了尽量减少潜在的缺陷，焊缝设计必须适合所用焊接系统的类型。基于焊丝的焊接系统通常比粉末系统更能容忍尖角和深槽。这是因为焊丝系统不需要气体输送系统来将填充材料输送到焊接区。在基于粉末的焊接系统中，用于将粉末输送到熔池的载气中由基板几何形状（例如V形槽）引起的湍流会导致粉末输送率低和屏蔽不良。粉末输送率低会导致焊接效率低下和过多的热量到达基材，而屏蔽不良会导致孔隙率和氧化物夹杂物的形成。此外，对于LBW-P，多余的未熔融粉末也会积聚在焊缝中。在这种松散的粉末上进行焊接会导致严重的缺陷，包括未熔合、气孔或开裂。因此，在坡口中输送粉末基填充金属需要更宽的坡口角度，这样可以更接近焊缝，但也会增加坡口的体积。因此，与激光焊缝的典型尺寸相比，使用LBW-P时提取试样所需的V形槽体积非常大，这使得制造用于工艺鉴定的试样不切实际。在基于焊丝的填充金属输送的情况下，凹槽的倾斜壁为保护气体和焊丝输送带来了几何挑战，这增加了孔隙率的可能性并增加了缺乏熔合缺陷的敏感性。但是，LBW可以进行坡口焊接。此外，对于适用LBW的大多数轴修复，修复往往是堆焊，不需要坡口焊。图2显示了常见的轴修复类型，包括覆盖、堆积和短轴修复。虽然短管修复需要坡口焊，但通常不会使用LBW进行，因为其他工艺具有更高的沉积速率。关于填充材料类型，LBW-P和LBW-W可用于一般的轴修复，但当焊缝靠近可能在粉末工艺中引起湍流的台阶或特征时应小心。但是，对于LBW-P，焊接工艺资格要求或许是不可能或不切实际的，并且LBW-P在孔隙率不可接受的情况下也可能会遇到困难。2.填充金属成本和可用性
选择填充金属的能力取决于相关材料的可用性。通常，线材和粉末材料均适用于各种材料。然而，线材材料往往仅限于常用的焊接合金，而粉末材料往往适用于高合金钢和特种合金。这是因为粉末生产的主要驱动力之一是基于粉末的增材制造，它对于更奇特的材料具有最高的成本效益比。因此，很难找到粉末形式的碳钢和低合金钢，因为这些材料足够便宜，因此粉末形式的使用对于大多数工业应用来说并不具有成本效益。由于碳钢和低合金钢在涡轮机械行业中大量使用，因此基于线材的激光焊接系统往往是更好的选择，因为这些材料的可用性更高。此外，线材形式的填充金属通常也比粉末形式便宜。3.缺陷
从应用的角度来看，基于粉末和基于线材的激光焊接之间的一个主要区别是缺陷类型和焊接过程中形成缺陷的可能性。LBW-W能够产生完全致密、无缺陷的焊缝，而LBW-P通常具有最少的少量孔隙率。无论如何，次优的焊接参数、焊缝形状或条件都会产生缺陷。示例如图3所示，图3显示了LBW-P堆焊层中的缺陷。图3. 激光焊接中出现的典型缺陷。这些缺陷是在使用基于粉末的填充金属输送制成的焊缝中发现的。可以看到孔隙率散布在每个图像上。孔隙率的特征是焊缝内出现空隙，这些空隙是由凝固过程中捕获的逸出气体产生的。对于LBW，有几种方式可以导致气体引入熔池，但主要理论包括捕获保护气体或金属蒸汽、不稳定的小孔焊接引起的气蚀以及雾化过程中粉末颗粒中捕获的气体并在焊接过程中释放。此外，焊接过程中保护气体覆盖不良也可能会导致气孔，这通常是由于气体透镜对准不当或焊池附近的湍流造成的。这可能是由于正在凝固的熔池快速氧化产生的湍流，或者是由于空气中的氧气燃烧产生的气体。最后，基底金属和填充材料清洁度不足也会导致孔隙率增加。在有机物（油、油脂、污垢、氧化物等）上进行焊接会导致焊接过程中放气，凝固时气体会被困在熔池中。未熔合的特征在于填充金属未与母材熔合的位置。当热源产生的热量不足以使填料和基底金属聚结时，就会发生这种情况。造成这种情况的典型原因包括焊接角度不良、填充材料进给速度过快和/或激光功率不足。与未熔合类似，未熔合颗粒的特征是焊缝中存在未熔化粉末的残余物。这种缺陷是LBW-P独有的，因为它涉及粉末，而LBW-W则没有。未熔合颗粒的原因是没有足够的热量使填充材料与基材完全熔化和熔合。这通常是因为激光没有时间、功率和/或正确定位来熔化焊接区域中的所有填充金属。开裂的特征是焊缝金属因应力而断裂。开裂可能由多种因素引起，但常见的例子包括高度受限的焊缝设计、快速冷却速率、填充金属敏感性、污染、焊道轮廓和/或不正确的焊接参数。4.粉末与线材填充金属传送
对于轴的修复，LBW-W通常比LBW-P更适用。原因是LBW-W形成缺陷的可能性较低，即孔隙率，可能导致最终加工后出现不合格的表面迹象。其次，在LBW-W中使用脉冲激光源减少了热输入，这有助于最大限度地减少变形、残余应力和HAZ的尺寸。第三，线材填充金属比一般的粉末更便宜、更容易获得，它可能是通常用作涡轮机械轴材料的碳钢和低合金钢的唯一选择。5.焊后热处理
对于使用传统电弧焊进行的转子修复，通常需要PWHT。首先，电弧焊产生的残余应力大到足以在最终机加工后引起轴移动，特别是在涡轮转子所需的热稳定性测试期间。PWHT消除了残余应力，最大限度地减少加工过程中的轴运动。此外，由于转子通常是淬火和回火马氏体钢，因此焊接会在焊缝和HAZ中产生硬而脆的未回火马氏体——未回火的马氏体会降低冲击韧性，可能低于基础材料要求，尤其是对于低温服务。PWHT对焊接过程中形成的新鲜马氏体进行回火处理，从而恢复轴的冲击韧性。不幸的是，PWHT也会使基材过度回火，这在某些情况下可能会导致强度损失。焊后热处理也是一项昂贵且耗时的操作。图4显示了应用于转子的PWHT的设置。对于这个过程，轴必须垂直悬挂以尽量减少变形。换句话说，如果对转子进行水平热处理，则转子会在热处理后在支撑件之间形成永久性的弯曲和下垂。竖直悬挂轴后，添加加热毯和热电偶，它们必须提供强烈而精确的热量（通常超过1000 °F），并且这种热量必须均匀分布。如果不均匀地加热，则应力将不均匀地释放，这可能导致有害的变形。必须仔细控制和监测加热/冷却速率和保持时间。总体而言，该过程相对复杂、费时且成本高。通常，激光焊接涂敷器声称其工艺不需要进行焊后热处理，因为激光焊接产生的熔敷和热影响区足够小，它们的存在对整体轴性能的影响可以忽略不计。然而，关于激光焊接修复在涡轮机械应用中的机械性能的学术研究很少。虽然焊缝和HAZ可能很小，但假设它们不会影响轴的适用性是危险的，特别是当轴材料为最常用的轴材料——调质钢时。为了避免PWHT，必须采取预防措施以确保在没有PWHT的情况下修复将满足所需的性能。这些预防措施包括本文后面推荐的测试，以及考虑与操作环境的侵蚀和腐蚀要求的兼容性。6.当前的鉴定标准
如上所述，当前的ASME BPVC没有区分LBW-P和LBW-W，也没有说明Nd:YAG 激光器输出功率随时间不可避免的变化。这将需要在未来进行补充，以解决这些过程在典型应用和鉴定方面的差异。关于工艺鉴定，坡口焊缝将根据ASME BPVC第IX节表QW-451.1进行鉴定。然而，对于转子修复，LBW修复通常是对表面损坏进行的，因此将被视为堆焊。ASME BPVC第IX节表QW-453中对堆焊的工艺鉴定要求以及对坡口焊缝的要求可在如下表1中找到。表 1：根据 ASME BPVC第IX节对堆焊和坡口焊的工艺鉴定测试要求。尽管硬面覆盖层需要硬度读数，但ASME并未列出验收标准。如前所述，大多数转子维修符合堆焊要求，但除了上述要求外，在某些情况下可能还需要对激光束焊接进行进一步测试。通常，还应考虑轴的关键设计因素，这取决于轴的哪一部分需要维修。
修复轴上最常见的损坏位置包括联轴器配合、轴颈、探头区域、密封区域和主体。由于修复过程的性质（熔敷焊缝和HAZ的形成），据了解，修复区域的特性将与原始轴材料的特性不匹配。此外，轴的每个部分都有自己的一套设计标准。因此，确保修复区域满足每个修复位置的最低设计要求非常重要。考虑到这一点，下面讨论了轴的每个区域应考虑的关键特性。此信息的摘要见表 2。1.主轴体
主轴体维修通常位于应力最低的区域，通常不需要匹配轴材料成分和性能。在这些位置，修复的目的是恢复尺寸而不在其他地方造成扭曲。由于轴的主体与工艺气体接触，因此对用于氢气服务（氢气分压超过100 psig）的设备进行的焊接修复必须限制在120 ksi的最大屈服强度和34洛氏C的硬度，以满足API 617的要求。因此，需要进一步分析以确定是否以及如何将LBW应用于将在氢气服务中运行的转子修复。与轴的主体相比，轴颈、密封件和探头区域的直径通常较小，因此这些位置的应力适中，在选择修复方法时应考虑在内。抗拉强度和韧性应该是这些区域修复的评估内容。轴颈区域还必须能够满足最终机加工和研磨后的表面粗糙度要求（通常为32微英寸或更高），这意味着这些位置的孔隙率可能是一个问题。位于探头区域的维修必须具有统一的微观结构，以防止电气跳动读数不稳定。探头区域通常经过研磨和抛光，以最大限度地提高探头精度和准确度。填充材料还必须作为涡流探头的目标材料，并且可能需要考虑探头校准的变化。虽然硬度不是轴颈和探针区域的主要问题，但密封区域将与工艺气体接触，如果转子在氢气环境中运行，则必须满足上述最大强度和硬度要求。3.联轴器
联轴器区域通常是整个轴上直径最小的区域之一，这意味着它承受着最高的应力。该区域还可能包含额外的应力集中点，例如键槽、凹槽或压缩配合。除非转子上有其他高应力的整体特征，如涡轮盘，否则整轴的强度都是根据这个特征来选择的。轴的这一部分也可能承受非常高的交变应力，这可能是由驱动转子的设备引起的，这意味着必须考虑耐久极限。确定耐久极限时应小心，因为与基础材料相比，经过表面处理的材料可能会降低达50%的耐久极限。因此，除了拉伸性能外，还需要直接测试疲劳特性。联轴器修复的疲劳因素是复杂的，需要额外的考虑和测试，远远超出ASME BPVC指南。由于联轴器维修设计和评估的重要性和复杂性，本文不考虑这方面的维修。根据本节中确定的关键特性，仅ASME BPVC第IX节要求的测试不足以评估除轴主体外的所有常见维修位置的维修适用性。为了弥补这种差异，建议至少对轴颈、探头和密封区域中的所有维修鉴定进行补充拉伸试验和冲击试验。在氢气环境限制转子屈服强度的情况下，还必须对主体和密封件进行硬度测量。此外，耦合区域需要与疲劳试验相关的额外考虑，这超出了本文的范围。1.机械测试
以下章节详细介绍了通常用于轴的低合金钢的LBW性能鉴定的示例测试结果。这些基材金属中的每一种都是使用 AWS A5.28 等级ER120S-1焊接的。本研究中使用的材料，包括本文中使用的缩写、相关行业标准以及每种材料中主要合金元素的成分限制，可在表 3 中找到。表 3：本节所述材料的缩写、行业标准和主要合金元素的组成。所有焊件均使用带有光纤激光源的900瓦脉冲激光焊接系统制造的。用于这项研究的焊接参数被认为是知识产权，不能详细分享。然而，在整个研究中使用了相同的焊接参数，平均激光功率为522 W。该功率约为激光系统能力的58%，因此代表中等沉积速率（约0.10 lb/hr）。对于每种基材，将v形槽加工成1英寸（25.4 mm）的板用于焊接。凹槽加工成25° 夹角（每侧12.5°），深度为0.625英寸（15.9 毫米）。测量凹槽底部的深度，凹槽的加工半径为 0.1875 英寸（4.76 毫米）。焊接后，对焊件进行表面缺陷液体渗透测试，然后提取试样进行机械测试。除了坡口焊缝外，通过沉积和堆叠焊缝金属层创建了完全由焊缝金属组成的拉伸试样，每层焊缝金属由一个焊珠垫组成（类似于增材制造）。钢筋大约0.5英寸宽、0.5英寸高和5英寸长。从每个试样中提取两个拉伸试样用于测试。一个试样在焊接状态下进行测试，而另一个试样在1200 °F下接受三小时的焊后热处理测试。下表总结了为本研究中焊接的每种母材进行LBW-W工艺鉴定所进行的机械测试，所有试样均取自v形槽坡口焊缝，除非另有说明。2.测试结果
所有焊缝均通过液体渗透检测和侧弯检测。宏观测试也通过了检查，这意味着它在放大5倍的情况下没有可见裂纹。图5显示了LBW堆焊层的横截面，突出显示了LBW覆盖层中HAZ的小尺寸，在本研究中平均厚度为0.00975英寸。此外，LBW焊缝沉积物干净，没有可检测到的孔隙。图像上的深色斑点来自轻微的表面锈蚀。表4显示了全焊缝拉伸试验的结果，包括屈服强度、拉伸强度、断裂伸长率和断面收缩率。表 4：在焊接和PWHT条件下从全焊接金属 (ER120S-1) 堆积中提取的试样的拉伸试验结果。此表列出了焊接样品和PWHT样品的实验值，并包括AWS A5.28中填充焊丝的性能要求。表5是所用四种基底金属的坡口焊缝拉伸试验结果。测试结果包括屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率、断面收缩率和断裂位置。表 5：使用 ER120S-1 焊丝在各种基材上进行的 V 形槽焊缝的平均拉伸试验结果以及每种基材的机械性能要求。表 6：用 ER120S-1 在各种基材上制成的 V 形槽焊缝的平均冲击试验结果以及每种基材的冲击韧性要求 。测试结果包括测试温度、平均冲击韧性、平均横向膨胀和平均剪切百分比。各坡口焊缝的硬度测量结果见表 7。表7还包含每个焊缝的焊缝沉积物和HAZ 的测量厚度。表 7：用 ER120S-1 焊接的每种材料的平均维氏硬度 (HV10) 和焊缝金属、HAZ 和母材的厚度。3.修复示例
除了为工艺鉴定进行的机械测试外，还对两个损坏的轴进行了焊补。如图6所示，第一根轴在密封件、探头和轴颈区域受到广泛的点蚀损坏。该图还显示了焊接后和最终机加工后修复后的轴。探头区域也经过打磨和抛光，并进行了电气跳动测量。如图 7 所示。图 7. 修复后烧焦的探针区域示例（左）。由于基体金属和焊缝金属之间的差异，修复区域看起来很暗；然而，修复满足了探针区域所需的几何公差、表面光洁度和电气跳动（右）。修复区域和轴的其余部分之间的颜色差异是由于抛光过程中基材的硬度差异造成的，但是，机械和电气跳动读数在要求的公差范围内。图8显示的是一个被美工刀划伤的轴。划痕深约 0.003 英寸，使用单个焊缝进行了局部修复，如图 8 所示。修复后，将轴磨回几何规格、检查并安装以供使用。图 8. 划痕区域（左）；LBW修复后的相同划痕（中）；以及精加工后的修复区域（右）。4.机械性能：拉伸性能和冲击韧性
本研究中使用的焊态ER120S-1在所有焊缝拉伸试样中的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别超过AWS线材标准的26.7%、14.2%和21.4%的机械性能要求。据推测，这些优异的值源于激光焊接过程固有的快速凝固引起的晶粒细化。对于焊件，从每个V型坡口测试的样品得知，除BM4外，所有情况下的机械性能均超过相关基材的要求。因此，BM1、BM2和BM3可以使用本研究中使用的工艺与ER120S-1焊接，而不必担心满足母材机械性能。BM4焊件不符合BM4母材要求的原因是该母材与焊接材料匹配度过高。ER120S-1的最小抗拉强度为120ksi，而BM4的最小抗拉强度为175ksi。尽管如此，焊件的性能还是非常出色，在测试时达到了142.3ksi的抗拉强度。与其他焊缝相比，此处显示的更高强度可能是由于母材稀释造成的。尽管在焊接条件下具有出色的机械性能，但接受焊后热处理的试样的拉伸强度和屈服强度分别降低了41%和28%，与本研究中使用的所有基材相比，达到了无法接受的水平。因此，除非从设计角度来看，预期的强度下降是可接受的，否则不得在需要焊后热处理的情况下使用该填充线。总的来说，冲击韧性结果非常出色。所有焊接接头（有冲击韧性要求的）的冲击韧性均远高于要求值。此外，横向膨胀和剪切百分比结果也非常出色。据推测，这些优异的结果是由于焊缝金属的细晶粒尺寸，如图5所示，但需要进一步的表征和测试来确认。5.硬度
如前所述，ASME规范要求对堆焊层进行硬度扫描，但没有设定验收标准。对于转子修复，最适用的限制是API 617规定的在富氢环境中运行的压缩机轴的最大硬度要求 (34洛氏硬度C)。这一要求适用于主体和密封件的维修，因为轴的这些区域会接触工艺气体。根据管理硬度换算的ASTM E140 表 1，34洛氏C等于维氏硬度标度的336。当最大值为336 HV时，由于HAZ硬度超过规定的极限，本研究中使用的任何母材在补焊后均不可用于氢环境。此外，除BM3焊件外，焊缝金属在所有情况下都超过了336 HV的硬度限值，该值在335 HV下测量，应考虑到可接受性的极限。还应指出，BM4在任何情况下都不能用于氢环境，因为基底金属硬度也太高。由于HAZ和焊缝的高硬度，本研究中使用的所有材料均不适用于焊接状态下的氢环境。使用PWHT可以降低这些区域的硬度，但是如前所述，本研究中使用的焊缝金属因热处理而失去相当大的强度，这对于轴应用来说可能是不可接受的。如果需要PWHT，其他填充金属可能更合适，但这不在本研究的范围。此外，HAZ的极高硬度可能需要大量PWHT，以满足API 617对氢环境的要求，这可能会使轴的基底金属过度回火，从而使强度降低到应用设定的极限之外。值得注意的是，解决这个问题的一个潜在解决方案是使用感应加热进行局部焊后热处理，这种方法具有趋肤效应，可以在不显著过度回火轴体的情况下回火热影响区。这种可能性尚未被探索，需要进一步研究。无论如何，由于此处概述的原因，在涉及氢款境的情况下，LBW可能不是维修的最佳选择，尤其是当基材为调质钢时。6.修复完成
由于几何跳动在焊接和精加工后的允许限度内 (0.002英寸)，LBW引起的变形微不足道。最终机加工后未发现表面迹象，这意味着在液体渗透测试期间未检测到孔隙。此外，使用标准工艺抛光探头区域，从而产生可接受的几何公差。也在公差范围内，探头区域的电气跳动测试也是可接受的，在这种情况下，探头不需要重新校准。据推测，可接受的电气跳动可归因于熔敷层的高度均匀性，这是由机械化 LBW 工艺固有的高精度和控制引起的。需要进一步研究来评估这一假设。对于划痕修复，最初有人担心局部焊缝在最终机加工后无法“清理”。换句话说，据预测，在焊接开始或停止时出现凹坑，或沿焊趾咬边可能会导致最终加工后出现负空间（材料缺失）。然而，焊接后按原始尺寸进行的最终机加工产生了光滑的表面，没有拓扑缺陷或低点。1.划痕修复
如果没有可行的修复工艺，深度约为 0.003 英寸的划痕会使轴变成废料。由于需要从轴颈区域通过轴的联接端进行焊接，因此传统的电弧焊接派不上用场。在这种情况下，由于该位置的强度要求，在耦合区域进行焊接是不可行的。相反，激光焊接工艺用于对划痕进行局部修复，无需在耦合区域进行焊接，同时节省了大量加工时间。修复区域的最终研磨不需要超出原始图纸公差的额外切削量。2.覆盖修复
如图6中所示的涡轮机转子在密封件和轴颈位置遭受了严重的点蚀损坏。这些区域的传统电弧焊堆焊需要多步过程才能修复。首先，所有损坏和突出的特征（即填料齿、平衡环、止推盘等）都将从轴上加工掉，并附加 0.125英寸径向毛坯底切。然后将对轴进行焊接，根据需要堆积材料，以恢复所有特征的几何形状，并添加额外的材料用于加工，并考虑焊接过程中的变形。然后，焊接修复需要进行应力消除热处理，以消除残余应力。这是必要的，因为残余应力会在加工过程中移动轴，这很可能导致无法满足所需的几何公差。对于涡轮机轴，消除残余应力对于通过热稳定性检查至关重要。消除应力后，将对轴进行最终加工，并进行无损检测。然后涡轮机转子将接受上述热稳定性检查。而使用激光焊接，修复过程步骤则更少。首先，受损区域将被咬边，但未受损区域（包括突出特征）可能会留在轴上。其次，将执行LBW 覆盖，以使用额外的0.020英寸机加工余量恢复轴尺寸。第三，根据图纸尺寸进行修复，最后进行规定的无损检测以检查缺陷。总的来说，这个过程在焊接修复前后需要的机加工明显减少，并且消除了焊后热处理。此外，在转子被诸如镍基合金等耐腐蚀材料包覆的情况下，LBW沉积的材料更少，从而节省成本。应注意的是，LBW堆焊轴的时间可能比传统的电弧焊工艺（如埋弧焊）更长，但使用LBW时加工时间更快，且无需PWHT，往往可以弥补在焊接过程中损失的任何时间。当然，这取决于多种因素，包括转子尺寸、维修范围、功能的复杂性等，因此，针对给定应用的最佳焊接修复工艺可能会有所不同，应根据具体情况进行选择。尽管如此，LBW在许多情况下为修复表面损坏提供了明显的优势，这种损坏通常会随着时间的推移和暴露在使用条件下而发生。如果应用得当，激光焊接是修复涡轮机械轴的有效方法。该工艺在进行表面修复时快速高效。在某些情况下，无需进行PWHT即可进行修复，从而进一步节省时间和成本。然而，为了在轴主体外部进行LBW修复，必须通过补充测试来完全验证焊接工艺，以确保焊接修复的完整性。该测试包括拉伸测试、冲击测试和硬度测试。虽然本文没有广泛讨论，但疲劳测试对于联轴器维修也至关重要。此外，ASME BPVC的第IX节需要解决这些要求以及对LBW中线材和粉末基填充金属输送之间差异的认识，以确保这些做法符合行业标准。
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