터보기계: 레이저 용접

2023년 4월 4일

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

레이저 클래딩은 터빈 및 압축기 샤프트의 복원을 위해 채택되고 있으며, 이로 인해 레이저 클래딩 옵션에 대한 고객 수요가 증가하고 다양한 솔루션을 제공하는 레이저 용접 공급업체의 수가 증가했습니다.

따라서 레이저 클래딩 공정의 기본 기능, 제한 사항 및 잠재적 위험을 이해하고 레이저 용접 수리가 해당 응용 분야의 요구 사항을 충족하도록 보장하기 위해 공정을 인증하는 방법을 이해하는 것이 중요합니다.

모든 용접 공정과 마찬가지로 원하는 결과는 최소 적용 설계 기준을 충족하거나 초과하는 야금학적으로 건전한 용착물입니다. 충전재 합금 선택, 형태 및 전달 방법은 용접 용착물의 품질과 적합성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

터보 기계 장비의 가장 중요한 구성 요소 중 하나는 로터입니다. 이러한 정밀 어셈블리는 매우 빠른 속도로 회전하며 광범위한 서비스 시간 동안 상당한 응력을 견뎌야 합니다.

이러한 수준의 신뢰성을 달성하려면 제조업체는 구성 요소가 애플리케이션에 적합한지 확인해야 합니다. 구성, 기계적 특성 및 가공에 대한 엄격한 제어를 통해 부품이 허용 가능한지 확인합니다.

이러한 검사, 검증 및 보호 장치는 사용 가능한 서비스 수명을 최대화하는 동시에 치명적인 오류의 위험을 최소화합니다.

그러나 정상적인 작동으로 인한 마모 및 파손은 결국 수리 또는 교체가 필요한 충분한 손상을 초래할 수 있습니다. 누적된 손상은 일반적으로 피상적이며 수리는 전체 로터를 교체하는 것에 비해 비용 및 시간 이점을 제공하는 동시에 수리 프로세스와 관련된 위험을 최소화합니다.

일반적인 수리 공정에는 스프레이 코팅, 도금, 아크 용접, 플라즈마 용접 및 레이저 용접이 포함됩니다. 이러한 각 프로세스에는 손상 위치 및 범위, 작동 조건, 서비스 환경, 기판 및 원하는 수리 재료, 고객 수용도 등 다양한 요인에 따라 장단점이 있습니다.

이 기사에서는 특별히 레이저 용접 수리에 초점을 맞추고 레이저 용접 공정이 해결해야 할 고려 사항을 포함하여 압축기 및 터빈 샤프트 수리에 어떻게 도움이 될 수 있는지에 대해 설명합니다.

논의에는 가장 일반적으로 수리되는 샤프트 영역, 이러한 위치의 레이저 용접과 관련된 위험 및 절차를 인증하는 데 필요한 테스트 유형이 포함됩니다.

레이저 빔 용접(LBW)이 출현하기 전에는 샤프트 수리를 위한 가장 일반적인 공정은 서브머지드 아크 용접(SAW)이었습니다. 이는 주로 이 공정이 견고하고 높은 증착 속도를 제공하기 때문입니다.

그러나 이 공정에는 높은 열 입력이 수반되며 이로 인해 샤프트가 변형되고 잔류 응력이 높아질 수 있습니다. 왜곡으로 인해 SAW 수리에서는 수리 영역에서 돌출된 형상을 모두 제거하고, 해당 형상을 재구성하고, 치수를 복원할 수 있는 충분한 가공 재고를 확보하기 위해 광범위한 오버레이가 필요한 경향이 있습니다.

또한, 용접으로 인한 잔류응력이 높기 때문에 수리 시 최종 가공 전에 항상 용접후열처리(PWHT)가 필요합니다. 이는 잔류응력을 완화하여 가공 작업 중 샤프트 이동(왜곡)을 최소화합니다.

집중된 레이저에 접근하면 용접(클래딩 포함), 절단 및 열처리가 가능합니다. LBW는 1970년대부터 존재해 왔지만 기술과 경제성의 향상으로 현재 터보 기계 로터 복원을 포함하는 산업 응용 범위가 확장되었습니다.

LBW의 가장 큰 장점은 에너지 밀도가 높은 공정이므로 매우 낮은 입열량으로 용접이 가능하여 모재 열화, 열 영향부(HAZ) 크기, 잔류 응력 및 변형을 최소화한다는 점입니다. 동시에 매우 빠른 용접 속도도 가능합니다.