Turbomáquinas: Soldagem a Laser

04 de abril de 2023

Escrito por Michael W. Kuper, PhD., Engenheiro de Materiais, Elliott Group e Michael J. Metzmaier, Engenheiro de Soldagem IV, Engenharia de Materiais, Elliott Group

O revestimento a laser está ganhando aceitação para a restauração de eixos de turbinas e compressores, o que resultou no aumento da demanda dos clientes por opções de revestimento a laser e em um número maior de fornecedores de soldagem a laser que oferecem uma variedade de soluções.

Portanto, é importante entender as capacidades básicas, limitações e possíveis armadilhas do processo de revestimento a laser e como o processo deve ser qualificado para garantir que os reparos de solda a laser atendam aos requisitos para a aplicação em questão.

Como em qualquer processo de soldagem, o resultado desejado é um depósito metalurgicamente sólido que atenda ou exceda os critérios mínimos de projeto de aplicação. A seleção, a forma e os métodos de entrega do material de enchimento podem ter um impacto significativo na qualidade e adequação do depósito de solda.

Um dos componentes mais críticos dos equipamentos de turbomáquinas é o rotor. Esses conjuntos de precisão giram em velocidades extremamente altas e devem suportar tensões significativas para tempos de serviço extensos.

Para atingir esse nível de confiabilidade, os fabricantes devem garantir que os componentes sejam adequados para a aplicação. Controles rigorosos de composição, propriedades mecânicas e processamento garantem que as peças sejam aceitáveis.

Essas inspeções, verificações e salvaguardas maximizam a vida útil útil enquanto minimizam o risco de falha catastrófica.

No entanto, o desgaste devido à operação normal acabará causando danos suficientes que exigirão reparo ou substituição. Danos acumulados são geralmente superficiais e o reparo oferece uma vantagem de custo e tempo, em comparação com a substituição de todo o rotor, ao mesmo tempo em que adiciona um risco mínimo relacionado ao processo de reparo.

Processos de reparo típicos incluem revestimento por spray, chapeamento, soldagem a arco, soldagem a plasma e soldagem a laser. Cada um desses processos tem vantagens e desvantagens, dependendo de uma variedade de fatores, incluindo localização e extensão do dano, condições operacionais, ambiente de serviço, substrato e material de reparo desejado e aceitação do cliente.

Este artigo enfoca especificamente os reparos de soldagem a laser e como o processo de soldagem a laser pode ser benéfico para reparos de eixos de turbinas e compressores, incluindo considerações a serem abordadas.

A discussão inclui as áreas de eixo mais comumente reparadas, os riscos associados à soldagem a laser nesses locais e os tipos de testes que devem ser necessários para qualificar o procedimento.

Antes do advento da soldagem por feixe de laser (LBW), o processo mais comum para reparo de eixos era a soldagem por arco submerso (SAW), principalmente porque o processo é robusto e oferece uma alta taxa de deposição.

No entanto, esse processo envolve alta entrada de calor, o que pode causar distorção do eixo e alta tensão residual. Devido à distorção, os reparos de SAW tendem a exigir a remoção de todos os recursos salientes da área de reparo, a reconstrução desses recursos e uma extensa cobertura para garantir estoque de usinagem suficiente para restaurar as dimensões.

Além disso, devido à alta tensão residual da soldagem, os reparos sempre requerem um tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) antes da usinagem final, o que alivia as tensões residuais que minimizam o movimento do eixo (distorção) durante a operação de usinagem.

O acesso a um laser focalizado permite soldagem (incluindo revestimento), corte e tratamento térmico. Embora a LBW exista desde a década de 1970, as melhorias em tecnologia e acessibilidade expandiram sua gama de aplicações industriais, que agora incluem a restauração de rotores de turbomáquinas.

A principal vantagem do LBW é que é um processo de alta densidade de energia e, portanto, capaz de soldar com entrada de calor muito baixa, o que minimiza a degradação do metal base, o tamanho da zona afetada pelo calor (HAZ), a tensão residual e a distorção, enquanto também permite velocidades de soldagem muito rápidas.