Turbomaquinaria: Soldadura láser

El revestimiento láser está ganando aceptación para la restauración de ejes de turbinas y compresores, lo que ha generado una mayor demanda por parte de los clientes de opciones de revestimiento láser 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 posibles inconvenientes del proceso de revestimiento láser, y cómo debe calificarse el proceso para garantizar que las reparaciones de soldadura láser cumplan con los requisitos de la aplicación determinada.

Como en 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 de la aleación del material de aporte, su forma y los métodos de suministro pueden influir significativamente 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 conjuntos de precisión giran a velocidades extremadamente altas y deben soportar tensiones significativas durante largos periodos de servicio.

Para lograr este nivel de fiabilidad, los fabricantes deben asegurarse de que los componentes sean adecuados para la aplicación. Un control estricto de la composición, las propiedades mecánicas y el procesamiento garantiza que las piezas sean aceptables.

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

Sin embargo, el desgaste por el uso normal acabará causando daños suficientes que requerirán reparación o sustitución . Los daños acumulados suelen ser superficiales, y la reparación ofrece ventajas en cuanto a coste y tiempo, en comparación con la sustitución completa del rotor, con un riesgo mínimo asociado al proceso de reparación.

Los procesos de reparación habituales incluyen el recubrimiento por pulverización, el galvanizado, la soldadura por arco, la soldadura por plasma y la soldadura láser. Cada uno de estos procesos presenta ventajas e inconvenientes, que dependen de diversos factores, como la ubicación y la magnitud del daño, las condiciones de funcionamiento, el entorno de servicio, el sustrato y el material de reparación deseado, así como la aceptación del cliente.

Este artículo se centra específicamente en las reparaciones mediante soldadura láser y en cómo el proceso de soldadura láser puede ser beneficioso para las reparaciones de ejes de compresores y turbinas, incluyendo las consideraciones que deben abordarse.

La discusión incluye las áreas de los ejes que se reparan con mayor frecuencia, los riesgos asociados con la soldadura láser en estas ubicaciones y los tipos de pruebas que deberían requerirse para calificar el procedimiento.

Soldadura por haz láser

Antes de la llegada de la soldadura por haz 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 alta entrada de calor, lo que puede causar deformación del eje y elevadas tensiones residuales. Debido a la deformación, las reparaciones mediante soldadura por arco sumergido (SAW) suelen requerir la eliminación de todas las protuberancias de la zona a reparar, la reconstrucción de dichas protuberancias y un extenso recubrimiento para garantizar suficiente material mecanizado y 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 que minimizan el movimiento del eje (distorsión) durante la operación de mecanizado.

El acceso a un láser focalizado permite realizar soldadura (incluido el revestimiento), corte y tratamiento térmico. Si bien la soldadura láser (LBW) existe desde la década de 1970, las mejoras tecnológicas y la mayor accesibilidad económica han ampliado su gama de aplicaciones industriales, que ahora incluyen la restauración de rotores de turbomáquinas .

La principal ventaja de la soldadura láser (LBW) es que se trata de un proceso de alta densidad energética, y por lo tanto es capaz de soldar con una entrada de calor muy baja, lo que minimiza la degradación del metal base, el tamaño de la zona afectada por el calor (ZAC), la tensión residual y la distorsión, al tiempo que permite velocidades de soldadura muy rápidas.

Mientras tanto, una zona afectada por el calor (ZAC) más pequeña también es beneficiosa, ya que una menor parte del volumen del eje tiene el potencial de sufrir propiedades perjudiciales causadas por el calor del proceso de fusión.

Esto es especialmente importante en el caso de aleaciones tratables térmicamente, como los aceros templados y revenidos, que se utilizan habitualmente en rotores de turbomáquinas. En la figura 1 se muestra un ejemplo de configuración de soldadura láser.

Figura 1. Configuración de soldadura láser. (Foto: Elliott Group.)

Además de requerir un bajo aporte 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 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 variar desde 0,2 mm de diámetro para soldaduras pequeñas, hasta 2,0 mm de diámetro para recubrimientos con mayor tasa de deposición.

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

Entrega de metal de relleno

Existen dos procesos distintos de soldadura láser. Uno utiliza metal de aporte en polvo (LBW-P) y el otro, metal de aporte en alambre (LBW-W). En LBW-P, el polvo se suministra desde un alimentador a través de tubos y una o más boquillas mediante un chorro de gas inerte, que lo deposita en el baño de fusión.

En LBW-W, el metal de aporte se suministra introduciendo el alambre en el baño de soldadura, ya sea manualmente o mediante un alimentador de alambre mecanizado.

Estos dos métodos presentan diferencias metalúrgicas y logísticas que deben tenerse en cuenta al determinar el proceso más adecuado para una reparación concreta. Esto cobra especial relevancia dado que estas diferencias aún no se contemplan en la norma ASME BPVC.

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

Entre las variables esenciales se encuentran las características específicas de los metales de aporte en polvo, como el tamaño, la densidad y la velocidad de alimentación. Sin embargo, no se mencionan los parámetros del alambre de aporte.

Esto indica que el código actual solo considera aplicaciones de soldadura láser con polvo. Por consiguiente, la cualificación del procedimiento también sería relevante únicamente para la soldadura láser con polvo.

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

La fuente láser

Para la soldadura láser se pueden utilizar diversas fuentes láser. Este artículo se centra en dos de las fuentes láser más comunes para soldadura: los láseres Nd:YAG y los láseres de fibra.

Los láseres Nd:YAG constan de un cristal de granate de itrio y aluminio dopado con neodimio que se excita mediante una lámpara de destello de xenón para producir el haz láser, mientras que los láseres de fibra constan de una matriz de diodos que excitan una fibra óptica dopada con elementos de tierras raras para producir el haz láser.

Si bien cualquiera de estas fuentes láser puede utilizarse para la restauración de rotores, cada una de ellas presenta inconvenientes, entre los que se incluyen la calidad del haz, el tamaño del haz, la frecuencia del haz, la vida útil, el coste y la eficiencia.

La elección del láser más adecuado depende de la aplicación. Sin embargo, cuando el cumplimiento de la normativa ASME BPVC es importante, el láser de fibra es la mejor opción.

Esto se debe a la diferencia en la forma en que se genera el haz láser y a su estabilidad a lo largo del tiempo. En el láser Nd:YAG, la bombilla de xenón se degrada con el tiempo y pierde brillo a medida que envejece.

La bombilla menos potente produce una menor excitación del cristal Nd:YAG, lo que disminuye la intensidad del haz láser generado. Como consecuencia, la potencia de salida para una configuración láser determinada disminuye a lo largo de la vida útil de la lámpara de destello, aunque probablemente se desconozca la tasa de degradación.

Esto es problemático para el cumplimiento, ya que según 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 determinado.

Cumplir con este requisito sería prácticamente imposible para un láser Nd:YAG, aunque este hecho no se menciona en el código. A diferencia de las fuentes Nd:YAG, las fuentes láser de fibra no presentan 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 la normativa.

Láser continuo o pulsado

Algunos sistemas láser actuales pueden funcionar tanto en modo pulsado como en modo continuo. La ventaja de utilizar un láser pulsado radica en que se puede reducir la entrada de calor, minimizando así el tamaño de la zona afectada por el calor (ZAC), la tensión residual y la distorsión.

Además de las ventajas generales, la alimentación por pulsos resulta útil en casos específicos, como la soldadura de piezas mecanizadas con acabado, donde no es posible un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Esto se debe a que la alimentación por pulsos genera un aporte térmico menor que la alimentación continua.

Sin embargo, el funcionamiento con láser pulsado se limita principalmente a la tecnología LBW-W, ya que los sistemas LBW-P funcionan de manera más eficaz con potencia continua. Esto se debe a que, en aplicaciones con polvo, este se suministra de forma continua, lo que provocaría un gran desperdicio de polvo o una fusión incompleta por falta de calor entre pulsos.

En los sistemas de soldadura por hilo, el alimentador de hilo se controla con precisión mediante el equipo para mantener condiciones de soldadura estables. Cabe destacar que el modo de soldadura, como variable independiente, también puede influir en la tasa de deposición del proceso de soldadura, pero esto depende en gran medida del tipo de sistema y de las condiciones de la reparación.

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

Diseño conjunto

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 con alambre suelen tolerar mejor las esquinas pronunciadas y las ranuras profundas que los sistemas de soldadura por polvo.

Esto se debe a que los sistemas de soldadura por hilo no requieren un sistema de transporte de gas para suministrar el material de aporte a la zona de soldadura. En los sistemas de soldadura con polvo, la turbulencia en el gas portador utilizado para suministrar el polvo al baño de fusión, causada por la geometría del sustrato, como una ranura en V, puede provocar una baja tasa de suministro de polvo y una protección deficiente.

Una baja tasa de suministro de polvo resulta en una baja eficiencia de soldadura y un exceso de calor que llega al sustrato, mientras que una protección deficiente puede provocar porosidad y la formación de inclusiones de óxido. Además, en el caso de la soldadura por haz de electrones con protección (LBW-P), el exceso de polvo sin fundir también puede acumularse en la unión.

Soldar sobre este polvo suelto puede provocar defectos importantes, como falta de fusión, porosidad o fisuras. Por consiguiente, la aplicación de metal de aporte en polvo en una ranura requiere un ángulo de ranura mayor, lo que facilita el acceso a la junta de soldadura, pero también aumenta el volumen de la ranura.

Por lo tanto, el volumen de la ranura en V necesaria para extraer las muestras de ensayo cuando se utiliza 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 ensayo para la calificación del procedimiento sea poco práctica.

En el caso del suministro de metal de relleno mediante alambre, la pared angulada de la ranura crea desafíos geométricos para el suministro de gas de protección y alambre, lo que aumenta la probabilidad de porosidad y la susceptibilidad a defectos por falta de fusión.

Sin embargo, con LBW es posible realizar soldadura de ranura. Además, en la mayoría de las reparaciones de ejes donde se puede aplicar LBW, las reparaciones suelen consistir en recubrimientos de soldadura, que no requieren soldadura de ranura.

La figura 2 muestra los tipos comunes de reparación de ejes, incluidos los recubrimientos, las reconstrucciones y la reparación de muñones. Si bien la reparación de muñones requiere soldadura de ranura, generalmente no se realiza mediante soldadura láser, ya que otros procesos tienen una mayor tasa de deposición.

En cuanto 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 podrían 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 dificultades donde la porosidad es inaceptable.

Figura 2. Reparaciones comunes de ejes

Coste y disponibilidad del metal de aporte

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

Generalmente, existen versiones tanto en alambre como en polvo para una variedad de materiales.

Sin embargo, los materiales en forma de alambre tienden a limitarse a aleaciones comúnmente soldadas, mientras que los materiales en polvo tienden a estar orientados a aceros de mayor aleación y aleaciones especiales.

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

Por este motivo, 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 esta forma no sea rentable para la mayoría de las aplicaciones industriales.

Dado que los aceros al carbono y de baja aleación se utilizan ampliamente en la industria de la turbomaquinaria , los sistemas de soldadura láser por hilo suelen ser una mejor opción debido a la mayor disponibilidad de estos materiales. Además, el metal de aporte en forma de hilo generalmente es menos costoso que en forma de polvo.

Defectos

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

La soldadura LBW-W permite obtener soldaduras totalmente densas y sin defectos, mientras que la soldadura LBW-P suele presentar una porosidad mínima. En cualquier caso, parámetros de soldadura, geometría de la junta o condiciones subóptimas pueden generar defectos en ambos procesos.

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

• Porosidad
• Falta de fusión
• partículas no fusionadas
• Agrietamiento

La porosidad se caracteriza por la presencia de huecos que se producen dentro del depósito de soldadura, creados por los gases que escapan y quedan atrapados durante la solidificación.

Para la soldadura láser (LBW), existen varios métodos para introducir gases en el baño de fusión, pero las principales teorías incluyen el atrapamiento de gas de protección o vapores metálicos, la cavitación causada por la soldadura inestable con orificio clave y los gases que quedaron atrapados en las partículas de polvo durante el proceso de atomización y se liberaron durante la soldadura.

Además, la porosidad puede producirse por una cobertura deficiente del gas de protección durante la soldadura, lo que suele estar causado por una lente de gas mal alineada o por turbulencias cerca del baño de fusión.

Esto puede deberse a la turbulencia generada por la rápida oxidación del baño de soldadura durante la solidificación, o a los gases producidos por la combustión del oxígeno del aire. Por último, la falta de limpieza del metal base y del material de aporte también puede contribuir a la porosidad.

La soldadura sobre materia orgánica (aceite, grasa, suciedad, óxidos, etc.) provoca la liberación de gases durante la soldadura, los cuales quedan atrapados en el baño de fusión a medida que se solidifica.

La falta de fusión se caracteriza por zonas donde el metal de aporte no se fusionó con el metal base. Esto ocurre cuando la fuente de calor genera un calor insuficiente para que ambos metales se fusionen.

Las causas típicas incluyen un ángulo de soldadura incorrecto, una velocidad de alimentación excesiva del material de aporte o una potencia láser insuficiente. Al igual que en la falta de fusión, las partículas sin fundir se caracterizan por la presencia de restos de polvo sin fundir en la soldadura.

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

Figura 3. Defectos típicos en la soldadura láser. Estos defectos se encontraron en una soldadura realizada con material de aporte en polvo. Se observa porosidad en las imágenes.

Esto suele ocurrir porque el láser no tuvo el tiempo, la potencia y/o el posicionamiento correcto para fundir todo el metal de aporte en la zona de soldadura.

La fisuración se caracteriza por la fractura del metal de soldadura debido a la tensión. Puede deberse a múltiples factores, entre los que destacan el diseño de juntas con restricciones excesivas, velocidades de enfriamiento rápidas, la susceptibilidad del metal de aporte, la contaminación, el perfil del cordón de soldadura y/o parámetros de soldadura incorrectos.