Turbomachines : Soudage laser pour la restauration de rotors de turbomachines : deuxième partie

Série de reportages spéciaux sponsorisée par le PSG11 avril 2023

Écrit par Michael W. Kuper, PhD., Ingénieur des matériaux, Elliott Group et Michael J. Metzmaier, Ingénieur en soudage IV, Génie des matériaux, Elliott Group

Pour les réparations d'arbres, LBW-W est généralement plus applicable que LBW-P. La première raison à cela est que LBW-W a une probabilité plus faible de former des défauts, à savoir la porosité, ce qui peut entraîner des indications de surface rejetables après l'usinage final.

Deuxièmement, la possibilité d'utiliser une source laser pulsée dans LBW-W réduit l'apport de chaleur, ce qui aide à minimiser la distorsion, la contrainte résiduelle et la taille de la HAZ [8].

Troisièmement, le métal d'apport de fil est moins cher et plus facilement disponible que la poudre en général, et il peut être la seule option disponible pour les aciers au carbone et faiblement alliés couramment utilisés comme matériaux d'arbre de turbomachines.

Pour la réparation du rotor par soudage à l'arc conventionnel, un PWHT est généralement requis. Premièrement, la contrainte résiduelle du soudage à l'arc est suffisamment importante pour provoquer un mouvement de l'arbre après l'usinage final, en particulier lors du test de stabilité à la chaleur requis pour les rotors de turbine.

Le PWHT soulage les contraintes résiduelles pour minimiser le mouvement de l'arbre pendant l'usinage. De plus, étant donné que les rotors sont généralement des aciers martensitiques trempés et revenus, le soudage crée de la martensite non trempée dure et cassante dans le dépôt de soudure et la ZAT.

La martensite non trempée réduit la résistance aux chocs, potentiellement inférieure aux exigences du matériau de base, en particulier pour un service à basse température.

Le PWHT tempère la martensite fraîche qui s'est formée pendant le soudage, ce qui restaure la résistance aux chocs de l'arbre. Malheureusement, le PWHT peut également sur-tremper le matériau de base, ce qui peut entraîner une perte de résistance dans certains cas.

Le traitement thermique post-soudure est également une opération coûteuse et chronophage. La figure 4 montre la configuration d'un PWHT appliqué à un rotor.

Pour ce processus, l'arbre doit être suspendu verticalement pour minimiser la distorsion. En d'autres termes, si le rotor était traité thermiquement horizontalement, le rotor s'inclinerait et s'affaisserait entre des supports qui deviendraient permanents après le traitement thermique.

Après avoir suspendu l'arbre verticalement, des couvertures chauffantes et des thermocouples sont ajoutés qui doivent fournir une chaleur intense mais précise (généralement supérieure à 1000 ° F), et cette chaleur doit être uniformément répartie.

Si de la chaleur est ajoutée de manière non uniforme, la contrainte sera soulagée de manière non uniforme, ce qui pourrait entraîner une distorsion préjudiciable.

Les taux de chauffage/refroidissement et les temps de maintien doivent être contrôlés et surveillés attentivement. Dans l'ensemble, le processus est relativement complexe, long et coûteux.

Souvent, les applicateurs de soudage au laser affirment qu'un PWHT n'est pas nécessaire avec leur procédé car le dépôt de soudure et la ZAT créés par le soudage au laser sont suffisamment petits pour que leur présence ait un effet négligeable sur les propriétés globales de l'arbre.

Cependant, peu de recherches académiques ont été effectuées sur les propriétés mécaniques des réparations par soudure laser dans les applications de turbomachines.

Bien que le dépôt de soudure et la ZAT puissent être faibles, il est dangereux de supposer qu'ils n'affecteront pas l'aptitude au service de l'arbre, en particulier lorsque le matériau de l'arbre est de l'acier trempé et revenu, qui est le matériau d'arbre le plus couramment utilisé.

Afin d'éviter le PWHT, des précautions doivent être prises pour s'assurer que la réparation répondra aux propriétés requises sans le PWHT. Ces précautions incluent les tests recommandés plus loin dans cet article, ainsi que la prise en compte de la compatibilité avec les exigences d'érosion et de corrosion de l'environnement d'exploitation.

Comme mentionné ci-dessus, l'ASME BPVC actuel ne fait pas de distinction entre LBW-P et LBW-W, et ne tient pas non plus compte de l'inévitable changement dans le temps de la puissance de sortie des lasers Nd:YAG.

Il faudra y remédier à l'avenir pour tenir compte des différences dans les applications typiques et la qualification de ces procédés. En ce qui concerne la qualification de la procédure, les soudures sur chanfrein seraient qualifiées selon le tableau QW-451.1 de la section IX de l'ASME BPVC.

Cependant, pour la restauration du rotor, les réparations LBW sont généralement effectuées sur des dommages superficiels et seraient donc considérées comme des superpositions de soudure. Les exigences de qualification de la procédure pour les superpositions du tableau QW-453 de la section IX de l'ASME BPVC se trouvent dans le tableau 1 ci-dessous avec les exigences pour les soudures sur chanfrein.

Bien que des lectures de dureté soient requises pour les revêtements de revêtement dur, l'ASME ne répertorie pas les critères d'acceptation.

Par conséquent, les limites de dureté doivent être appliquées en fonction des conditions d'application et d'environnement de service au cas par cas.

Comme mentionné précédemment, la plupart des réparations de rotor sont considérées comme des recouvrements de soudure, mais en plus des exigences ci-dessus, des tests supplémentaires peuvent être nécessaires pour le soudage par faisceau laser dans certains cas.

En général, les facteurs de conception critiques pour les arbres doivent également être pris en compte, qui dépendent de la partie de l'arbre qui nécessite une réparation.

Les endroits les plus courants pour les dommages sur un arbre en cours de restauration comprennent les ajustements d'accouplement, les tourillons, les zones de sonde, les zones d'étanchéité et le corps principal.

En raison de la nature du processus de réparation (fusion du dépôt de soudure et formation de la ZAT), il est entendu que les propriétés des zones réparées ne correspondront pas aux propriétés du matériau de l'arbre d'origine.

De plus, chaque partie d'un puits a son propre ensemble de critères de conception. Par conséquent, il est important de s'assurer que les zones restaurées répondent aux exigences minimales de conception à chaque emplacement de réparation.

Dans cet esprit, vous trouverez ci-dessous une discussion des propriétés critiques qui doivent être prises en compte pour chaque région de l'arbre. Un résumé de ces informations se trouve dans le tableau 2.

Les réparations du corps de l'arbre principal sont généralement situées dans les zones de contrainte les plus faibles, où il n'est généralement pas nécessaire de faire correspondre la composition et les propriétés du matériau de l'arbre. À ces endroits, l'intention de la réparation est de restaurer les dimensions sans créer de distorsion ailleurs.

Étant donné que le corps principal de l'arbre est en contact avec le gaz de procédé, les réparations par soudure effectuées sur l'équipement utilisé pour le service d'hydrogène (pression partielle d'hydrogène supérieure à 100 psig) doivent être limitées à une limite d'élasticité maximale de 120 ksi et une dureté de 34 Rockwell C pour répondre aux exigences de l'API 617.

En conséquence, une analyse plus approfondie est nécessaire pour déterminer si et comment le LBW peut être appliqué pour la réparation du rotor qui fonctionnera en service hydrogène.

Les tourillons, les joints et les zones de sonde ont généralement un diamètre plus petit que le corps principal de l'arbre, de sorte que les contraintes à ces emplacements sont modérément élevées et doivent être prises en compte lors de la sélection d'une méthode de réparation.

La résistance à la traction et la ténacité doivent faire partie de l'évaluation des réparations dans ces zones. Les zones de tourillon doivent également être capables de répondre aux exigences de rugosité de surface après l'usinage final et le meulage (généralement 32 micro-pouces ou mieux), ce qui signifie que la porosité pourrait être un problème à ces endroits.

Les réparations situées dans les zones de sonde doivent avoir des microstructures uniformes pour éviter des lectures de faux-rond électriques erratiques. Les zones de la sonde sont généralement meulées et brunies pour maximiser la précision et l'exactitude de la sonde.

Le matériau de remplissage doit également servir de matériau cible pour la sonde à courants de Foucault et il peut être nécessaire d'envisager des modifications de l'étalonnage de la sonde.

Bien que la dureté ne soit pas une préoccupation majeure pour les tourillons et les zones de sonde, les zones d'étanchéité seront en contact avec le gaz de procédé et doivent répondre aux exigences de résistance et de dureté maximales mentionnées ci-dessus si le rotor fonctionne en service hydrogène.

La zone d'accouplement est généralement l'un des plus petits diamètres sur l'ensemble de l'arbre, ce qui signifie qu'elle subit certaines des contraintes les plus élevées. Cette zone peut également contenir des concentrateurs de contraintes supplémentaires tels que des rainures de clavette, des rainures ou des ajustements de compression.

À moins qu'il n'y ait d'autres caractéristiques intégrales fortement sollicitées sur le rotor telles que des disques de turbine, la résistance de l'arbre entier est sélectionnée en fonction de cette caractéristique.

Cette partie de l'arbre peut également subir de fortes contraintes alternées, qui peuvent être induites par les équipements qui entraînent le rotor, ce qui oblige à prendre en compte la limite d'endurance.

Des précautions doivent être prises lors de la détermination de la limite d'endurance car le matériau traité en surface peut présenter des limites d'endurance réduites jusqu'à 50 % par rapport au matériau de base.

Par conséquent, un test direct des caractéristiques de fatigue est nécessaire en plus des propriétés de traction. Les considérations de fatigue de la réparation des accouplements sont complexes et nécessitent des considérations et des tests supplémentaires qui vont bien au-delà des directives ASME BPVC.

En raison de la criticité et de la complexité de la conception et de l'évaluation des réparations d'accouplement, les réparations dans ce domaine ne sont pas prises en compte dans cet article.

Sur la base des propriétés critiques identifiées dans cette section, les tests requis par la seule section IX de l'ASME BPVC sont insuffisants pour évaluer l'adéquation de la réparation pour tous les emplacements de réparation courants, à l'exception du corps principal de l'arbre.

Pour remédier à cet écart, il est recommandé d'effectuer des tests de traction et des tests d'impact supplémentaires, au minimum, pour toutes les qualifications de réparation effectuées dans les zones du tourillon, de la sonde et du joint.

Des mesures de dureté doivent également être prises pour les réparations du corps principal et des joints dans les cas où le service à l'hydrogène limite la limite d'élasticité du rotor. De plus, les zones de couplage nécessitent des considérations supplémentaires liées aux essais de fatigue qui sortent du cadre de cet article.

La section suivante détaille des exemples de résultats de test des qualifications de performance LBW sur des aciers faiblement alliés couramment utilisés pour les arbres.

Chacun de ces métaux de base a été soudé à l'aide d'AWS A5.28 Classe ER120S-1. Les matériaux utilisés dans cette étude, y compris les abréviations utilisées dans cet article, les normes industrielles pertinentes et les limites de composition pour les éléments d'alliage primaires dans chaque matériau, se trouvent dans le tableau 3.

Toutes les soudures ont été réalisées à l'aide d'un système de soudage au laser pulsé de 900 watts avec une source laser à fibre. Les paramètres de soudage utilisés pour cette étude sont considérés comme une propriété intellectuelle et ne peuvent être partagés en détail.

Cependant, les mêmes paramètres de soudage ont été utilisés tout au long de cette étude, avec une puissance laser moyenne de 522 W. Cette puissance représente environ 58 % des capacités du système laser, représentant ainsi un taux de dépôt intermédiaire (environ 0,10 lb/h).

Pour chaque matériau de base, une rainure en V a été usinée dans une plaque de 1 pouce (25,4 mm) pour le soudage.

La rainure a été usinée avec un angle inclus de 25° (12,5° par côté) à une profondeur de 0,625" (15,9 mm).

La profondeur a été mesurée jusqu'au fond de la rainure, qui a été usinée avec un rayon de 0,1875" (4,76 mm).

Après le soudage, la soudure a été soumise à un ressuage liquide pour les défauts de surface, puis des éprouvettes ont été extraites pour des tests mécaniques.

En plus de la soudure sur chanfrein, des éprouvettes de traction constituées entièrement de métal fondu ont été créées en déposant et en empilant des couches de métal fondu, chacune constituée d'un coussinet de cordons de soudure (similaire à la fabrication additive).

Les barres mesuraient environ 0,5" de large, 0,5" de haut et 5" de long. Deux spécimens de traction ont été extraits de chacun pour les tests. Un spécimen de test a été testé à l'état brut de soudage, tandis que l'autre a été testé après avoir reçu un PWHT pendant trois heures à 1200 °F.

La liste suivante résume les tests mécaniques effectués pour la qualification de la procédure LBW-W de chaque métal de base soudé dans cette étude, avec tous les spécimens extraits de la soudure à rainure en V, sauf indication contraire.

Toutes les soudures ont réussi les tests de ressuage liquide et les tests de pliage latéral. Le macro-test a également réussi l'inspection, ce qui signifie qu'il ne contenait aucune fissure visible à un grossissement de 5X.

La figure 5 montre une coupe transversale d'un revêtement LBW, qui met en évidence la petite taille de la HAZ dans le revêtement LBW, d'une épaisseur moyenne de 0,00975" dans cette étude. De plus, le dépôt de soudure LBW était propre, sans porosité détectable. Les taches sombres sur l'image proviennent d'une légère rouille de surface.

Le tableau 4 montre les résultats des essais de traction sur toutes les soudures, y compris la limite d'élasticité, la résistance à la traction, l'allongement à la rupture et la réduction de la surface à

échec.

Ce tableau répertorie les valeurs expérimentales pour les échantillons soudés et PWHT, et inclut les exigences de propriété du fil d'apport d'AWS A5.28.

Les résultats des essais de traction des soudures sur chanfrein sont présentés dans le tableau 5 pour chacun des quatre métaux de base utilisés. Les résultats des tests incluent la limite d'élasticité, la résistance à la traction, l'allongement à la rupture, la réduction de la surface et l'emplacement de la rupture.

Le tableau comprend également les exigences en matière de propriétés mécaniques des normes sur les métaux de base.

Les résultats des essais d'impact Charpy à encoche en V sont présentés dans le tableau 6.

Les résultats des tests incluent la température de test, la ténacité moyenne aux chocs, la dilatation latérale moyenne et le pourcentage de cisaillement moyen.

Sont également incluses les exigences relatives aux propriétés mécaniques des spécifications du métal de base, le cas échéant.

Les résultats de l'étude de dureté pour chacune des soudures sur chanfrein se trouvent dans le tableau 7.

Le tableau 7 contient également l'épaisseur mesurée du dépôt de soudure et la ZAT de chaque soudure.

En plus des essais mécaniques réalisés pour la qualification de la procédure, des soudures de réparation ont été réalisées sur deux arbres endommagés.

Le premier arbre a été endommagé par une importante corrosion par piqûres dans les zones du joint, de la sonde et du tourillon, illustré à la figure 6. La figure montre également l'arbre réparé après le soudage et après l'usinage final.

La zone de la sonde a également été meulée et brunie, comme on peut le voir sur la figure 7 avec les mesures de faux-rond électrique.

La différence de couleur entre la zone réparée et le reste de l'arbre résultait de la différence de dureté des substrats lors du brunissage, cependant, les lectures de faux-rond mécanique et électrique étaient dans les tolérances requises.

Figure 7. Exemple d'une zone de sonde brunie après réparation (à gauche). La zone de réparation apparaît sombre en raison d'une différence entre le métal de base et le métal soudé ; cependant, la réparation respectait les tolérances géométriques, la finition de surface et le faux-rond électrique (à droite) requis pour une zone de sonde.

Le deuxième arbre a été endommagé par un cutter lors du déballage pour l'assemblage, illustré à la figure 8.

L'égratignure mesurait environ 0,003 pouce de profondeur et a été réparée localement à l'aide d'un seul cordon de soudure, comme on peut également le voir à la figure 8. Après réparation, l'arbre a été rectifié selon les spécifications géométriques, inspecté et installé pour l'entretien.

Figure 8. La rayure (encerclée) dans une zone de journal (à gauche) ; la même rayure après réparation LBW (milieu); et la zone réparée après usinage final (à droite).

L'ER120S-1 tel que soudé utilisé dans cette étude a dépassé les exigences de propriétés mécaniques de la norme de fil AWS de 26,7 %, 14,2 % et 21,4 % pour la limite d'élasticité, la résistance à la traction et l'allongement, respectivement, dans les éprouvettes de traction entièrement soudées.

Ces excellentes valeurs sont supposées provenir du raffinement du grain causé par la solidification rapide inhérente au processus de soudage au laser.

En ce qui concerne les soudures, les échantillons testés de chaque rainure en V ont indiqué que les propriétés mécaniques dépassaient les exigences du matériau de base concerné dans tous les cas, sauf pour BM4.

Par conséquent, BM1, BM2 et BM3 peuvent être soudés avec ER120S-1 avec le procédé utilisé dans cette étude sans avoir à se soucier de respecter les propriétés mécaniques du métal de base.

La raison pour laquelle la construction soudée BM4 ne répondait pas aux exigences du métal de base BM4 est que ce matériau de base surpasse le matériau de soudure. ER120S-1 a une résistance à la traction minimale de 120 ksi, tandis que BM4 a une résistance à la traction minimale de 175 ksi.

Malgré cela, la soudure a fonctionné admirablement, atteignant une résistance à la traction de 142,3 ksi lors des tests. La résistance plus élevée présentée ici, par rapport aux autres soudures, a probablement été causée par la dilution du métal de base.

Malgré d'excellentes propriétés mécaniques à l'état brut de soudage, l'éprouvette qui a reçu un PWHT a montré une diminution de la résistance à la traction et à la limite d'élasticité de 41 % et 28 % respectivement, à des niveaux qui seraient inacceptables par rapport à tous les matériaux de base utilisés dans cette étude.

Par conséquent, ce fil d'apport ne doit pas être utilisé dans des situations nécessitant un PWHT, à moins que la baisse de résistance anticipée ne soit acceptable du point de vue de la conception.

En général, les résultats de résistance aux chocs étaient exceptionnels. La résistance aux chocs de tous les joints soudés (ceux qui avaient des exigences de résistance aux chocs) était bien supérieure aux valeurs requises.

De plus, les résultats d'expansion latérale et de pourcentage de cisaillement étaient également exceptionnels. On suppose que ces excellents résultats étaient dus à la granulométrie fine du métal fondu, comme on peut le voir sur la figure 5, bien qu'une caractérisation et des tests supplémentaires soient nécessaires pour confirmer.

Comme mentionné précédemment, le code ASME exige des analyses de dureté pour la qualification de recouvrement de soudure, mais ne définit pas de critères d'acceptation. Pour la restauration du rotor, la restriction la plus applicable qui peut être appliquée est l'exigence de dureté maximale (34 Rockwell C) définie par l'API 617 pour les arbres de compresseur fonctionnant dans des environnements riches en hydrogène.

Cette exigence s'appliquerait aux réparations du corps principal et des joints, puisque ces régions de l'arbre entrent en contact avec le gaz de procédé. Selon le tableau 1 de la norme ASTM E140, qui régit la conversion de la dureté, 34 Rockwell C équivaut à 336 sur l'échelle Vickers.

Lorsqu'ils sont soumis à un maximum de 336 HV, aucun des métaux de base utilisés dans cette étude ne serait acceptable pour le service à l'hydrogène après soudage de réparation car la dureté HAZ dépasse la limite définie.

De plus, le métal fondu dépasse la limite de dureté de 336 HV dans tous les cas, à l'exception de la soudure BM3, qui a été mesurée à 335 HV et doit être considérée comme étant à la limite extrême de l'acceptabilité. Il convient également de mentionner que BM4 ne pouvait en aucun cas être utilisé pour le service hydrogène, car la dureté du métal de base était également trop élevée.

En raison de la dureté élevée de la ZAT et du dépôt de soudure, aucun des matériaux utilisés dans cette étude ne serait acceptable pour le service à l'hydrogène à l'état brut de soudage.

La dureté de ces régions pourrait être réduite à l'aide d'un PWHT, mais comme mentionné précédemment, le métal de soudure utilisé dans cette étude perd une résistance considérable à cause d'un traitement thermique, ce qui peut être inacceptable pour les applications d'arbre.

D'autres métaux d'apport peuvent être plus appropriés si un PWHT est nécessaire, mais cela sort du cadre des travaux en cours. De plus, l'extrême dureté de la HAZ peut nécessiter un PWHT substantiel pour répondre aux exigences de l'API 617 pour le service à l'hydrogène, ce qui peut surchauffer le métal de base de l'arbre, ce qui pourrait réduire la résistance au-delà des limites fixées par l'application.

En remarque, il convient de mentionner qu'une solution potentielle à ce problème serait d'effectuer un PWHT localisé en utilisant un chauffage par induction, qui a un effet de peau qui peut être en mesure de tempérer la HAZ sans trop tempérer la majeure partie de l'arbre.

Cette possibilité n'a pas encore été explorée et mérite d'être approfondie. Quoi qu'il en soit, pour les raisons décrites ici, LBW peut ne pas être la meilleure option de réparation dans les cas impliquant un service à l'hydrogène, en particulier lorsque le matériau de base est de l'acier trempé et revenu.

Étant donné que le faux-rond géométrique était dans la limite autorisée (0,002 ") après le soudage et l'usinage de finition, la distorsion induite par LBW était insignifiante. Aucune indication de surface n'a été trouvée après l'usinage final, ce qui signifie qu'aucune porosité n'a été détectée lors du test de ressuage liquide.

De plus, la zone de la sonde a été polie avec succès en utilisant le processus standard, ce qui a donné des tolérances géométriques acceptables. Le test de faux-rond électrique dans la zone de la sonde était également acceptable dans les limites de tolérance et, dans ce cas, la sonde n'a pas nécessité de réétalonnage.

On suppose que le faux-rond électrique acceptable peut être attribué au haut degré d'uniformité du dépôt de soudure, qui résulte du haut degré de précision et de contrôle inhérent au procédé LBW mécanisé.

Une étude plus approfondie serait nécessaire pour valider cette hypothèse. Pour la réparation des rayures, on craignait initialement que la soudure localisée ne se "nettoie" après l'usinage final.

En d'autres termes, il a été prédit que la formation de cratères au début ou à l'arrêt de la soudure, ou une contre-dépouille le long des pieds de la soudure peut entraîner un espace négatif (matériau manquant) après l'usinage final. Cependant, l'usinage final aux dimensions d'origine après soudage a produit une surface lisse sans défauts topologiques ni points bas.

La rayure d'environ 0,003" de profondeur aurait transformé l'arbre en ferraille sans processus de réparation viable. La soudure à l'arc traditionnelle a été éliminée en tant qu'option car elle aurait nécessité un soudage depuis la zone du tourillon jusqu'à l'extrémité d'accouplement de l'arbre.

Le soudage dans la zone de couplage n'était pas possible dans ce cas en raison des exigences de résistance à cet endroit. Au lieu de cela, le processus de soudage au laser a été utilisé pour effectuer une réparation localisée de la rayure, éliminant ainsi le besoin de souder dans la zone de couplage tout en économisant un temps de traitement significatif.

Le meulage final de la zone de réparation n'a pas nécessité d'enlèvement de matière supplémentaire au-delà de la tolérance de dessin d'origine.

Le rotor de turbine illustré à la figure 6 a subi d'importants dommages de corrosion par piqûres aux emplacements du joint et du tourillon. La superposition conventionnelle de soudure à l'arc de ces zones aurait nécessité un processus en plusieurs étapes pour la réparation.

Tout d'abord, tous les dommages et éléments saillants (c'est-à-dire les dents de garniture, les bagues d'équilibrage, le disque de poussée, etc.) seraient usinés sur l'arbre avec une contre-dépouille supplémentaire de 0,125 "de stock radial.

L'arbre serait ensuite soudé, accumulant le matériau nécessaire pour restaurer la géométrie de toutes les caractéristiques, avec un stock supplémentaire ajouté pour l'usinage et pour tenir compte de la distorsion due au processus de soudage.

La réparation par soudure nécessiterait alors un traitement thermique de relaxation des contraintes pour éliminer les contraintes résiduelles. Ceci est nécessaire car la contrainte résiduelle aurait tendance à déplacer l'arbre lors de l'usinage, ce qui entraînerait une forte probabilité de ne pas respecter les tolérances géométriques requises.

Dans le cas des arbres de turbine, l'élimination des contraintes résiduelles est essentielle pour réussir le contrôle de stabilité thermique. Après le soulagement des contraintes, l'arbre serait usiné pour la dernière fois et subirait ensuite des tests non destructifs. Les rotors de turbine seraient alors soumis au contrôle de stabilité thermique mentionné ci-dessus.

En utilisant le soudage au laser, le processus de réparation nécessiterait moins d'étapes. Premièrement, les zones endommagées seraient sapées, bien que des zones non endommagées, y compris des éléments saillants, puissent être laissées sur le puits.

Deuxièmement, la superposition LBW serait effectuée pour restaurer les dimensions de l'arbre avec un stock d'usinage supplémentaire de 0,020 ". Troisièmement, la réparation serait usinée pour répondre aux dimensions du dessin, et enfin, les tests non destructifs prescrits seraient effectués pour vérifier les défauts.

Dans l'ensemble, ce processus nécessite beaucoup moins d'usinage avant et après la réparation par soudure, et il élimine le PWHT. De plus, dans le cas où le rotor est revêtu d'un matériau résistant à la corrosion tel que des alliages à base de nickel, LBW dépose moins de matériau, ce qui peut offrir des économies de coûts.

Il convient de noter que le temps de superposition de soudure d'un arbre peut être plus long pour LBW qu'un procédé de soudage à l'arc conventionnel, comme le soudage à l'arc submergé, mais les temps d'usinage plus rapides et l'élimination du PWHT lors de l'utilisation de LBW compensent généralement le temps perdu pendant le soudage par une marge considérable.

Bien sûr, cela dépend de divers facteurs, notamment la taille du rotor, l'étendue des réparations, la complexité des caractéristiques, etc., de sorte que le meilleur processus de réparation par soudure pour une application donnée peut varier et doit être sélectionné au cas par cas.

Néanmoins, LBW offre des avantages évidents dans de nombreux cas pour la réparation des dommages superficiels, qui se produisent couramment avec le temps et l'exposition aux conditions de service.

Le soudage laser, lorsqu'il est appliqué correctement, est une méthode efficace pour la restauration des arbres de turbomachines. Le processus est rapide et efficace pour effectuer des réparations superficielles et, dans certains cas, permet la réparation sans qu'il soit nécessaire d'effectuer un PWHT, ce qui permet d'économiser davantage de temps et d'argent.

Cependant, afin d'effectuer des réparations LBW à l'extérieur du corps principal de l'arbre, il est important de qualifier entièrement la procédure de soudage avec des tests supplémentaires pour garantir l'intégrité de la réparation soudée.

Ces tests comprennent des tests de traction, des tests d'impact et de dureté. Bien qu'ils ne soient pas abordés en détail dans cet article, les essais de fatigue sont également essentiels pour les réparations d'accouplement.

De plus, ces exigences et la reconnaissance des différences entre la livraison de métal d'apport à base de fil et de poudre dans les LBW doivent être traitées par la section IX de l'ASME BPVC pour garantir la conformité à ces pratiques en tant que norme de l'industrie.

ZAT = zone affectée par la chaleur

LBW = soudage par faisceau laser

LBW-P = soudage par faisceau laser (métal d'apport en poudre)

LBW-W = Soudage par faisceau laser (métal d'apport de fil)

PWHT = traitement thermique post-soudure

SAW = soudage à l'arc submergé

WPS = Spécification de procédure de soudage

Le Dr Michael W. Kuper est ingénieur en matériaux au sein du groupe Produits et technologies du groupe Elliott. Il est titulaire d'un baccalauréat, d'une maîtrise et d'un doctorat. en science et génie des matériaux de l'Ohio State University.

Ses expériences passées incluent l'analyse de soudures métalliques dissemblables impliquant de l'acier 9Cr-1Mo-V soudé avec des métaux d'apport à base de nickel et la fabrication additive à taux de dépôt élevé de matériaux métalliques.

Il a actuellement 5 publications, a présenté des recherches à plus d'une douzaine de conférences techniques et est un examinateur actif pour la revue Welding In the World.

Michael Metzmaier est ingénieur en soudage au sein du département d'ingénierie des matériaux du groupe Elliott. Il est titulaire d'un baccalauréat en technologie du soudage et de la fabrication du Pennsylvania College of Technology.

Il a occupé divers postes au sein du groupe Elliott, notamment celui d'ingénieur de fabrication, de superviseur de la division rotor et d'ingénieur en soudage.