터보기계: 터보기계 로터 복원을 위한 레이저 용접: 2부

PSG11 후원 특집 시리즈 2023년 4월

Elliott Group의 재료 엔지니어인 Michael W. Kuper 박사와 Elliott Group의 재료 엔지니어링 용접 엔지니어 IV인 Michael J. Metzmaier가 작성했습니다.

샤프트 수리에는 일반적으로 LBW-P보다 LBW-W가 더 적합합니다. 첫 번째 이유는 LBW-W가 결함, 즉 다공성을 형성할 가능성이 낮기 때문에 최종 가공 후 표면 표시가 거부될 수 있기 때문입니다.

둘째, LBW-W에서 펄스 레이저 소스를 사용하는 기능은 열 입력을 줄여 왜곡, 잔류 응력 및 HAZ 크기를 최소화하는 데 도움이 됩니다[8].

셋째, 와이어 필러 금속은 일반적으로 분말보다 저렴하고 쉽게 구할 수 있으며 터보 기계 샤프트 재료로 일반적으로 사용되는 탄소강 및 저합금강에 사용할 수 있는 유일한 옵션일 수 있습니다.

기존 아크 용접을 사용한 로터 수리의 경우 일반적으로 PWHT가 필요합니다. 첫째, 아크 용접으로 인한 잔류 응력은 최종 가공 후, 특히 터빈 로터에 필요한 열 안정성 테스트 중에 샤프트 이동을 유발할 만큼 충분히 큽니다.

PWHT는 잔류 응력을 완화하여 가공 중 샤프트 움직임을 최소화합니다. 또한 로터는 일반적으로 담금질 및 템퍼링된 마르텐사이트 강철이므로 용접은 용접 용착물과 HAZ에 단단하고 부서지기 쉬운 템퍼링되지 않은 마르텐사이트를 생성합니다.

강화되지 않은 마르텐사이트는 특히 저온 서비스의 경우 모재 요구 사항보다 잠재적으로 충격 인성을 감소시킵니다.

PWHT는 용접 중에 형성된 신선한 마르텐사이트를 템퍼링하여 샤프트의 충격 인성을 복원합니다. 불행하게도 PWHT는 모재를 과열시켜 어떤 경우에는 강도가 저하될 수도 있습니다.

용접 후 열처리 역시 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요되는 작업입니다. 그림 4는 로터에 적용된 PWHT의 설정을 보여줍니다.

이 과정에서는 왜곡을 최소화하기 위해 샤프트를 수직으로 매달아야 합니다. 즉, 로터를 수평으로 열처리하면 로터는 열처리 후 영구적으로 유지되는 지지대 사이에서 휘어지고 처지게 됩니다.

샤프트를 수직으로 매달아 놓은 후 강렬하면서도 정확한 열(일반적으로 1000°F 이상)을 제공해야 하는 가열 블랭킷과 열전대가 추가되고 이 열은 고르게 분산되어야 합니다.

열이 불균일하게 추가되면 응력이 불균일하게 완화되어 해로운 변형이 발생할 수 있습니다.

가열/냉각 속도와 유지 시간을 주의 깊게 제어하고 모니터링해야 합니다. 전반적으로 프로세스는 상대적으로 복잡하고 시간이 많이 걸리며 비용이 많이 듭니다.

종종 레이저 용접 애플리케이터는 레이저 용접에 의해 생성된 용접 용착물과 HAZ가 작아서 그 존재가 전체 샤프트 특성에 무시할 수 있는 영향을 미치기 때문에 프로세스에 PWHT가 필요하지 않다고 주장합니다.

그러나 터보 기계 응용 분야에서 레이저 용접 수리의 기계적 특성에 대한 학문적 연구는 거의 수행되지 않았습니다.

용접 용착물과 HAZ가 작을 수 있지만, 특히 샤프트 재료가 가장 일반적으로 사용되는 샤프트 재료인 담금질 및 템퍼링 강철인 경우 샤프트의 사용 적합성에 영향을 미치지 않을 것이라고 가정하는 것은 위험합니다.

PWHT를 방지하려면 PWHT 없이 수리가 필요한 특성을 충족하도록 예방 조치를 취해야 합니다. 이러한 예방 조치에는 이 기사 뒷부분에서 권장되는 테스트뿐만 아니라 작동 환경의 침식 및 부식 요구 사항과의 호환성을 고려하는 것도 포함됩니다.

위에서 언급한 것처럼 현재 ASME BPVC는 LBW-P와 LBW-W를 구분하지 않으며 Nd:YAG 레이저의 출력 전력에서 시간이 지남에 따라 불가피하게 변하는 것을 설명하지 않습니다.

이는 이러한 프로세스에 대한 일반적인 적용 및 자격의 차이를 설명하기 위해 향후에 수정되어야 합니다. 절차 인정과 관련하여, 홈 용접은 ASME BPVC 섹션 IX 표 QW-451.1에 따라 인정됩니다.