Turbomaschinen: Laserschweißen

Das Laserauftragschweißen gewinnt zunehmend an Akzeptanz für die Instandsetzung von Turbinen- und Kompressorwellen, was zu einer erhöhten Kundennachfrage nach Laserauftragschweißverfahren und einer wachsenden Zahl von Anbietern von Laserschweißlösungen geführt hat, die eine Vielzahl von Lösungen anbieten.

Daher ist es wichtig, die grundlegenden Fähigkeiten, Grenzen und potenziellen Fallstricke des Laserauftragschweißverfahrens zu verstehen und zu wissen, wie das Verfahren qualifiziert werden sollte, um sicherzustellen, dass die Laserschweißreparaturen den Anforderungen der jeweiligen Anwendung entsprechen.

Wie bei jedem Schweißverfahren ist das gewünschte Ergebnis eine metallurgisch einwandfreie Schweißnaht, die die Mindestanforderungen der Anwendung erfüllt oder übertrifft. Die Wahl der Schweißzusatzwerkstofflegierung, die Form und die Zuführungsmethode können die Qualität und Eignung der Schweißnaht maßgeblich beeinflussen.

Eines der wichtigsten Bauteile von Turbomaschinen ist der Rotor. Diese Präzisionsbaugruppen rotieren mit extrem hohen Geschwindigkeiten und müssen über lange Betriebszeiten erheblichen Belastungen standhalten.

Um diese Zuverlässigkeit zu erreichen, müssen die Hersteller sicherstellen, dass die Komponenten für die jeweilige Anwendung geeignet sind. Strenge Kontrollen der Zusammensetzung, der mechanischen Eigenschaften und der Verarbeitung gewährleisten die Akzeptanz der Teile.

Diese Inspektionen, Überprüfungen und Sicherheitsvorkehrungen maximieren die nutzbare Lebensdauer und minimieren gleichzeitig das Risiko eines katastrophalen Ausfalls.

Durch den normalen Betrieb kommt es jedoch irgendwann zu Verschleißerscheinungen, die eine Reparatur oder einen Austausch erforderlich machen. Die Schäden sind in der Regel oberflächlich, und eine Reparatur bietet im Vergleich zum Austausch des gesamten Rotors Kosten- und Zeitvorteile bei gleichzeitig minimalem Risiko.

Zu den gängigen Reparaturverfahren zählen Sprühbeschichtung, Galvanisierung, Lichtbogenschweißen, Plasmaschweißen und Laserschweißen. Jedes dieser Verfahren hat Vor- und Nachteile, die von verschiedenen Faktoren abhängen, darunter die Lage und das Ausmaß des Schadens, die Betriebsbedingungen, die Einsatzumgebung, das Substrat und das gewünschte Reparaturmaterial sowie die Kundenakzeptanz.

Dieser Artikel konzentriert sich speziell auf Laserschweißreparaturen und darauf, wie das Laserschweißverfahren bei der Reparatur von Kompressor- und Turbinenwellen von Vorteil sein kann, einschließlich der zu berücksichtigenden Aspekte.

Die Diskussion umfasst die am häufigsten zu reparierenden Schachtbereiche, die mit dem Laserschweißen an diesen Stellen verbundenen Risiken sowie die Arten von Tests, die zur Qualifizierung des Verfahrens erforderlich sein sollten.

Laserstrahlschweißen

Vor der Einführung des Laserstrahlschweißens (LBW) war das Unterpulverschweißen (SAW) das gebräuchlichste Verfahren zur Wellenreparatur , vor allem weil dieses Verfahren robust ist und eine hohe Abschmelzleistung bietet.

Dieses Verfahren ist jedoch mit einem hohen Wärmeeintrag verbunden, der zu Verformungen der Welle und hohen Eigenspannungen führen kann. Aufgrund dieser Verformungen erfordern SAW-Reparaturen in der Regel das Entfernen aller hervorstehenden Teile im Reparaturbereich, deren Rekonstruktion und umfangreiches Auftragschweißen, um ausreichend Aufmaß für die Wiederherstellung der Maße zu gewährleisten.

Wegen der hohen Eigenspannungen beim Schweißen ist bei Reparaturen stets eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) vor der endgültigen Bearbeitung erforderlich. Dadurch werden die Eigenspannungen abgebaut, die die Wellenbewegung (Verformung) während des Bearbeitungsvorgangs minimieren.

Der Zugang zu einem fokussierten Laser ermöglicht Schweißen (einschließlich Plattieren), Schneiden und Wärmebehandlung. Obwohl das Laserschweißen bereits seit den 1970er Jahren existiert, haben technologische Verbesserungen und die gestiegene Kosteneffizienz das Spektrum seiner industriellen Anwendungen erweitert, zu denen nun auch die Instandsetzung von Turbomaschinenrotoren gehört.

Der Hauptvorteil des LBW-Verfahrens besteht darin, dass es ein Verfahren mit hoher Energiedichte ist und daher in der Lage ist, mit sehr geringem Wärmeeintrag zu schweißen. Dies minimiert die Schädigung des Grundwerkstoffs, die Größe der Wärmeeinflusszone (WEZ), Eigenspannungen und Verformungen und ermöglicht gleichzeitig sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten.

Gleichzeitig ist die kleinere Wärmeeinflusszone auch deshalb vorteilhaft, weil ein geringerer Teil des Schachtvolumens potenziell schädlichen Eigenschaften durch die Hitze des Schmelzprozesses ausgesetzt ist.

Dies ist insbesondere bei wärmebehandelbaren Legierungen wie vergüteten Stählen wichtig, die häufig für Turbomaschinenrotoren verwendet werden. Ein Beispiel für eine Laserschweißanlage ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Laserschweißanlage. (Foto: Elliott Group.)

Neben der geringen Wärmeeinbringung erzeugt das LBW-Verfahren hochwertige Schmelzschweißungen mit einer metallurgischen Verbindung (keine Delamination, die bei auf Haftung basierenden Beschichtungen auftreten kann), lässt sich für Konsistenz und Wiederholbarkeit leicht automatisieren und weist eine hohe geometrische Präzision auf.

Beispielsweise kann die Spotgröße des für diese Studie verwendeten Lasers von 0,2 mm Durchmesser für kleine Schweißnähte bis zu 2,0 mm Durchmesser für Auftragschweißungen mit höherer Abscheidungsrate reichen.

Um die Vorteile des LBW-Verfahrens optimal zu nutzen, müssen die Prozessfähigkeiten auf die Anwendung abgestimmt werden, und weitere, im Folgenden aufgeführte Aspekte müssen vor der Implementierung von LBW zur Rotorinstandsetzung untersucht werden.

Lieferung von Füllmetall

Es gibt zwei unterschiedliche Laserschweißverfahren. Das eine verwendet pulverförmiges Schweißzusatzmaterial (LBW-P), das andere drahtförmiges (LBW-W). Beim LBW-P wird das Pulver aus einem Pulverförderer durch Schläuche und eine oder mehrere Düsen mittels eines Inertgasstrahls in das Schmelzbad transportiert.

Beim LBW-W wird der Schweißzusatzwerkstoff durch Zuführen des Drahtes in das Schweißbad zugeführt, entweder von Hand oder mittels eines mechanisierten Drahtvorschubgeräts.

Diese beiden Methoden weisen sowohl metallurgische als auch logistische Unterschiede auf, die bei der Wahl des geeignetsten Verfahrens für eine bestimmte Reparatur berücksichtigt werden müssen. Dies gilt insbesondere, da diese Unterschiede in ASME BPVC noch nicht berücksichtigt sind.

Die Variablen für Schweißverfahrensspezifikationen (WPS) für das Laserstrahlschweißen sind in ASME BPVC Section IX Table QW-264 und QW-264.1 abgedeckt.

Zu den wesentlichen Variablen gehören spezifische Eigenschaften der pulverförmigen Füllmetalle, darunter Korngröße, Dichte und Zuführgeschwindigkeit. Parameter des Fülldrahts werden jedoch nicht erwähnt.

Dies deutet darauf hin, dass der aktuelle Code nur pulverbasierte Laserschweißanwendungen berücksichtigt. Folglich wäre auch die Verfahrensqualifizierung nur für pulverbasierte Laserschweißverfahren relevant.

Dies ist ein Grund, warum für das Laserstrahlschweißen zusätzliche Verfahrensqualifizierungsanforderungen erforderlich sein können.

Die Laserquelle

Für das Laserschweißen können verschiedene Laserquellen eingesetzt werden. Dieser Artikel konzentriert sich auf zwei der gebräuchlichsten Laserquellen für das Schweißen: Nd:YAG-Laser und Faserlaser.

Nd:YAG-Laser bestehen aus einem mit Neodym dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall, der durch eine Xenon-Blitzlampe angeregt wird, um den Laserstrahl zu erzeugen, während Faserlaser aus einer Anordnung von Dioden bestehen, die eine mit Seltenerdelementen dotierte optische Faser anregen, um den Laserstrahl zu erzeugen.

Obwohl beide Laserquellen zur Rotorrestaurierung eingesetzt werden können, weisen sie jeweils Vor- und Nachteile auf, unter anderem hinsichtlich Strahlqualität, Strahlgröße, Strahlfrequenz, Lebensdauer, Kosten und Effizienz.

Die Wahl des besten Lasers hängt von der Anwendung ab. Wenn jedoch die Einhaltung der ASME BPVC-Normen erforderlich ist, ist der Faserlaser die bessere Wahl.

Der Grund dafür liegt in der unterschiedlichen Art der Laserstrahlerzeugung und seiner Stabilität über die Zeit. Im Nd:YAG-Laser verschlechtert sich die Leistung der Xenon-Blitzlampe mit der Zeit, und sie wird mit zunehmendem Alter schwächer.

Die schwächere Glühbirne führt zu einer geringeren Anregung des Nd:YAG-Kristalls, wodurch die Intensität des erzeugten Laserstrahls abnimmt. Dies hat zur Folge, dass die Ausgangsleistung bei einer gegebenen Lasereinstellung über die Lebensdauer der Blitzlampe sinkt, wobei die genaue Degradationsrate wahrscheinlich unbekannt bleibt.

Dies stellt ein Problem für die Einhaltung der Vorschriften dar, da gemäß ASME BPVC Section IX Table QW-264 die Laserleistung eine kritische Variable ist, die für ein bestimmtes Schweißverfahren nicht geändert werden darf.

Die Einhaltung dieser Anforderung wäre für einen Nd:YAG-Laser nahezu unmöglich, obwohl dieser Umstand im Code nicht erwähnt wird. Im Gegensatz zu Nd:YAG-Lasern haben Faserlaser dieses Problem nicht, da die Anregung über Dioden erfolgt.

Daher sind Faserlaser in Situationen, die die Einhaltung von Vorschriften erfordern, weitaus überlegen und wohl auch notwendig.

Kontinuierlicher oder gepulster Laser

Einige Lasersysteme können heutzutage sowohl im Puls- als auch im Dauerstrichbetrieb eingesetzt werden. Der Vorteil des Pulslasers liegt darin, dass die Wärmeeinbringung reduziert werden kann, wodurch die Größe der Wärmeeinflusszone, die Eigenspannungen und der Verzug minimiert werden.

Neben den allgemeinen Vorteilen ist die Pulsung auch in bestimmten Fällen nützlich, beispielsweise beim Schweißen von fertig bearbeiteten Teilen, wo eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) nicht möglich ist. Dies liegt daran, dass gepulste Leistung eine geringere Wärmeeinbringung als kontinuierliche Leistung aufweist.

Der Betrieb von gepulsten Lasern ist jedoch größtenteils auf LBW-W beschränkt, da LBW-P-Systeme mit kontinuierlicher Leistung am effizientesten arbeiten. Dies liegt daran, dass bei pulverbasierten Anwendungen das Pulver kontinuierlich zugeführt wird, was zu großen Pulververlusten oder mangelnder Verschmelzung aufgrund unzureichender Wärme zwischen den Pulsen führen würde.

Bei drahtbasierten Systemen wird der Drahtvorschub präzise von der Anlage gesteuert, um stabile Schweißbedingungen zu gewährleisten. Es ist anzumerken, dass der Schweißmodus als eigenständige Variable ebenfalls Einfluss auf die Abschmelzleistung haben kann, dies jedoch maßgeblich vom Systemtyp und den Reparaturbedingungen abhängt.

Generell sollte die Schweißmethode anhand der Art der Zusatzwerkstoffzufuhr, aber auch anhand der Art der Reparatur und der gewünschten Schweißnahteigenschaften gewählt werden.

Gemeinsame Konstruktion

Um das Risiko von Fehlern zu minimieren, muss die Nahtgestaltung für das verwendete Schweißsystem geeignet sein. Drahtbasierte Schweißsysteme sind in der Regel toleranter gegenüber scharfen Kanten und tiefen Nuten als Pulversysteme.

Dies liegt daran, dass Drahtschweißsysteme kein Gasfördersystem benötigen, um das Zusatzmaterial in die Schweißzone zu befördern. Bei pulverbasierten Schweißsystemen können Turbulenzen im Trägergas, die durch die Geometrie des Substrats, beispielsweise eine V-Naht, verursacht werden, zu geringen Pulverfördermengen und unzureichender Schutzgasabdeckung führen.

Unzureichende Pulverzufuhr führt zu geringer Schweißleistung und übermäßiger Wärmeübertragung auf das Substrat, während mangelhafte Schutzgasabdeckung zu Porosität und Oxideinschlüssen führen kann. Beim LBW-P-Schweißen kann sich zudem überschüssiges, nicht verschmolzenes Pulver in der Schweißnaht ansammeln.

Das Schweißen über diesem losen Pulver kann erhebliche Mängel wie mangelnde Verschmelzung, Porosität oder Rissbildung verursachen. Daher erfordert die Zufuhr von pulverförmigem Schweißzusatzwerkstoff in eine Nut einen größeren Nutwinkel, wodurch zwar ein besserer Zugang zur Schweißnaht ermöglicht wird, sich aber auch das Nutvolumen erhöht.

Daher ist das Volumen der V-Nut, die zum Entnehmen von Prüfkörpern bei Verwendung von LBW-P erforderlich ist, im Vergleich zur typischen Größe einer Laserschweißnaht sehr groß, was die Herstellung von Prüfkörpern für die Verfahrensqualifizierung unpraktisch macht.

Bei der drahtbasierten Zuführung des Schweißzusatzwerkstoffs entstehen durch die schräge Nutwand geometrische Herausforderungen für die Zuführung von Schutzgas und Draht, was die Wahrscheinlichkeit von Porosität und die Anfälligkeit für Schmelzfehler erhöht.

Allerdings ist das Nutenschweißen mit LBW möglich. Darüber hinaus handelt es sich bei den meisten Wellenreparaturen, bei denen LBW anwendbar ist, in der Regel um Schweißauftragungen, die kein Nutenschweißen erfordern.

Abbildung 2 zeigt gängige Wellenreparaturverfahren wie Auftragschweißen, Aufbauschweißen und Reparatur von Wellenstümpfen. Obwohl für die Reparatur von Wellenstümpfen Nutschweißen erforderlich ist, wird dies im Allgemeinen nicht mit dem Laserstrahlschweißen (LBW) durchgeführt, da andere Verfahren eine höhere Abschmelzleistung erzielen.

Hinsichtlich der Art des Füllmaterials sind LBW-P und LBW-W für allgemeine Wellenreparaturen geeignet, allerdings ist Vorsicht geboten, wenn die Schweißnähte in der Nähe von Stufen oder Merkmalen erfolgen, die bei einem Pulververfahren Turbulenzen verursachen könnten.

Allerdings können die Anforderungen an die Qualifizierung von Schweißverfahren für LBW-P unmöglich oder unpraktisch sein, und LBW-P kann auch dort Schwierigkeiten haben, wo Porosität inakzeptabel ist.

Abbildung 2. Häufige Wellenreparaturen

Kosten und Verfügbarkeit von Schweißzusatzwerkstoffen

Die Möglichkeit, ein Füllmetall auszuwählen, hängt von der Verfügbarkeit des betreffenden Materials ab.

Im Allgemeinen sind sowohl Draht- als auch Pulverversionen für eine Vielzahl von Materialien erhältlich.

Allerdings sind drahtbasierte Werkstoffe tendenziell auf gängige Schweißlegierungen beschränkt, während pulverförmige Werkstoffe eher für höher legierte Stähle und Speziallegierungen geeignet sind.

Dies liegt daran, dass einer der Haupttreiber für die Pulverproduktion die pulverbasierte additive Fertigung ist, die das beste Kosten-Nutzen-Verhältnis für die exotischeren Materialien bietet.

Aus diesem Grund ist es schwierig, Kohlenstoffstahl und niedriglegierten Stahl in Pulverform zu finden, da diese Werkstoffe so günstig sind, dass die Verwendung von Pulver für die meisten industriellen Anwendungen nicht kosteneffektiv ist.

Da in der Turbomaschinenindustrie Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle häufig verwendet werden, sind drahtbasierte Laserschweißsysteme aufgrund der besseren Verfügbarkeit dieser Werkstoffe oft die bessere Wahl. Zudem ist Schweißzusatzwerkstoff in Drahtform in der Regel kostengünstiger als in Pulverform.

Mängel

Aus anwendungstechnischer Sicht besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen pulverbasiertem und drahtbasiertem Laserschweißen in der Art der Defekte und der Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Defekten während des Schweißvorgangs.

Das LBW-W-Verfahren ermöglicht die Herstellung vollständig dichter, fehlerfreier Schweißnähte, während das LBW-P-Verfahren üblicherweise nur eine geringe Porosität aufweist. Ungeachtet dessen können suboptimale Schweißparameter, Nahtgeometrie oder -bedingungen bei beiden Verfahren zu Fehlern führen.

Typische Fehler, die beim Laserschweißen auftreten, sind unter anderem die folgenden, wobei Beispiele in Abbildung 3 dargestellt sind, die Fehler in einer LBW-P-Auftragschweißung zeigt.

• Porosität
• Fehlende Fusion
• Unfusionierte Partikel
• Knacken

Porosität ist durch Hohlräume im Schweißgut gekennzeichnet, die durch entweichende Gase entstehen, die während der Erstarrung eingeschlossen werden.

Beim Laserschweißen gibt es verschiedene Methoden, mit denen Gase in das Schmelzbad eingebracht werden können. Zu den wichtigsten Theorien zählen das Einschließen von Schutzgas oder Metalldämpfen, Kavitation durch instabiles Keyhole-Schweißen sowie Gase, die während des Zerstäubungsprozesses in den Pulverpartikeln eingeschlossen und beim Schweißen freigesetzt wurden.

Darüber hinaus kann es bei unzureichender Schutzgasabdeckung während des Schweißens zu Porosität kommen, die in der Regel durch eine nicht korrekt ausgerichtete Gaslinse oder Turbulenzen in der Nähe des Schmelzbades verursacht wird.

Dies kann durch Turbulenzen aufgrund der schnellen Oxidation des erstarrenden Schmelzbades oder durch Gase, die bei der Verbrennung des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs entstehen, verursacht werden. Schließlich kann auch mangelnde Reinheit des Grundwerkstoffs und des Zusatzwerkstoffs zur Porosität beitragen.

Beim Schweißen über organischen Stoffen (Öl, Fett, Schmutz, Oxide usw.) kommt es zu einer Ausgasung während des Schweißvorgangs, die sich beim Erstarren im Schmelzbad ansammelt.

Mangelnde Verschmelzung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich das Schweißzusatzwerkstoff an einigen Stellen nicht mit dem Grundwerkstoff verbunden hat. Dies tritt auf, wenn die Wärmequelle nicht genügend Wärme erzeugt, um Schweißzusatzwerkstoff und Grundwerkstoff zu verschmelzen.

Typische Ursachen hierfür sind ein ungünstiger Schweißwinkel, eine zu hohe Zufuhr des Zusatzwerkstoffs und/oder eine unzureichende Laserleistung. Ähnlich wie bei mangelnder Verschmelzung sind nicht verschmolzene Partikel durch Reste von ungeschmolzenem Pulver in der Schweißnaht gekennzeichnet.

Dieser Defekttyp tritt ausschließlich bei LBW-P auf, da es sich um Pulver handelt, während dies bei LBW-W nicht der Fall ist. Die Ursache für nicht verschmolzene Partikel ähnelt einer mangelnden Verschmelzung: Es ist nicht genügend Wärme vorhanden, um das Füllmaterial vollständig aufzuschmelzen und mit dem Grundmaterial zu verschmelzen.

Abbildung 3. Typische Defekte beim Laserschweißen. Diese Defekte wurden in einer Schweißnaht festgestellt, die mit pulverförmigem Zusatzwerkstoff hergestellt wurde. In jedem Bild sind Poren zu erkennen.

Dies geschieht in der Regel, weil der Laser nicht über genügend Zeit, Leistung und/oder die richtige Positionierung verfügte, um das gesamte Zusatzmaterial im Schweißbereich aufzuschmelzen.

Rissbildung ist durch Bruch des Schweißguts aufgrund von Spannungen gekennzeichnet. Sie kann durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden; häufige Beispiele hierfür sind stark beanspruchte Nahtkonstruktionen, schnelle Abkühlgeschwindigkeiten, die Empfindlichkeit des Zusatzwerkstoffs, Verunreinigungen, das Schweißnahtprofil und/oder falsche Schweißparameter.