Turbomachines : Soudage Laser

04 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

Le revêtement au laser est de plus en plus accepté pour la restauration des arbres de turbine et de compresseur, ce qui a entraîné une augmentation de la demande des clients pour les options de revêtement au laser et un nombre accru de fournisseurs de soudage au laser qui proposent une variété de solutions.

Par conséquent, il est important de comprendre les capacités de base, les limites et les pièges potentiels du processus de revêtement au laser, et comment le processus doit être qualifié pour garantir que les réparations par soudure au laser répondent aux exigences de l'application donnée.

Comme pour tout procédé de soudage, le résultat souhaité est un dépôt métallurgiquement solide qui respecte ou dépasse les critères de conception d'application minimum. La sélection, la forme et les méthodes de livraison de l'alliage du matériau d'apport peuvent avoir un impact significatif sur la qualité et l'adéquation du dépôt de soudure.

L'un des composants les plus critiques des équipements des turbomachines est le rotor. Ces assemblages de précision tournent à des vitesses extrêmement élevées et doivent résister à des contraintes importantes pendant de longues durées de service.

Pour atteindre ce niveau de fiabilité, les fabricants doivent s'assurer que les composants sont adaptés à l'application. Des contrôles stricts sur la composition, les propriétés mécaniques et le traitement garantissent que les pièces sont acceptables.

Ces inspections, vérifications et protections maximisent la durée de vie utile tout en minimisant le risque de défaillance catastrophique.

Cependant, l'usure due au fonctionnement normal finira par causer suffisamment de dommages nécessitant une réparation ou un remplacement. Les dommages accumulés sont généralement superficiels et la réparation offre un avantage en termes de coût et de temps par rapport au remplacement de l'ensemble du rotor, tout en ajoutant un risque minimal lié au processus de réparation.

Les processus de réparation typiques comprennent le revêtement par pulvérisation, le placage, le soudage à l'arc, le soudage au plasma et le soudage au laser. Chacun de ces processus présente des avantages et des inconvénients, en fonction de divers facteurs, notamment l'emplacement et l'étendue des dommages, les conditions de fonctionnement, l'environnement de service, le substrat et le matériau de réparation souhaité, et l'acceptation du client.

Cet article se concentre spécifiquement sur les réparations par soudage au laser et sur la manière dont le processus de soudage au laser peut être bénéfique pour les réparations d'arbres de compresseur et de turbine, y compris les considérations à prendre en compte.

La discussion comprend les zones d'arbres les plus couramment réparées, les risques associés au soudage au laser à ces endroits et les types de tests qui devraient être nécessaires pour qualifier la procédure.

Avant l'avènement du soudage par faisceau laser (LBW), le procédé le plus courant pour la réparation d'arbres était le soudage à l'arc submergé (SAW), principalement parce que le procédé est robuste et offre un taux de dépôt élevé.

Cependant, ce processus implique un apport de chaleur élevé, ce qui peut entraîner une déformation de l'arbre et une contrainte résiduelle élevée. En raison de la distorsion, les réparations SAW ont tendance à nécessiter la suppression de toutes les caractéristiques saillantes de la zone de réparation, la reconstruction de ces caractéristiques et une superposition étendue pour assurer un stock d'usinage suffisant pour restaurer les dimensions.

De plus, en raison de la contrainte résiduelle élevée du soudage, les réparations nécessitent toujours un traitement thermique post-soudure (PWHT) avant l'usinage final, ce qui soulage les contraintes résiduelles qui minimisent le mouvement de l'arbre (distorsion) pendant l'opération d'usinage.

L'accès à un laser focalisé permet le soudage (y compris le placage), la découpe et le traitement thermique. Bien que LBW existe depuis les années 1970, les améliorations technologiques et l'accessibilité ont élargi sa gamme d'applications industrielles qui incluent désormais la restauration de rotors de turbomachines.

Le principal avantage du LBW est qu'il s'agit d'un procédé à haute densité d'énergie et qu'il est donc capable de souder avec un apport de chaleur très faible, ce qui minimise la dégradation du métal de base, la taille de la zone affectée par la chaleur (HAZ), la contrainte résiduelle et la distorsion, tout en permettant également des vitesses de soudage très rapides.

Pendant ce temps, la ZAT plus petite est également bénéfique dans la mesure où une moindre partie du volume de l'arbre présente un potentiel de propriétés néfastes causées par la chaleur du processus de fusion.

Ceci est particulièrement important dans le cas des alliages pouvant être traités thermiquement tels que les aciers trempés et revenus, qui sont couramment utilisés pour les rotors de turbomachines. Un exemple de configuration de soudage au laser est illustré à la figure 1.

En plus d'un faible apport de chaleur, le procédé LBW produit des soudures par fusion de haute qualité avec une liaison métallurgique (pas de délaminage, qui peut se produire dans les revêtements basés sur l'adhérence), est facilement automatisé pour la cohérence et la répétabilité, et a une précision géométrique élevée.

Par exemple, la taille du spot du laser utilisé pour cette étude peut aller de 0,2 mm de diamètre pour les petites soudures à 2,0 mm de diamètre pour les superpositions à taux de dépôt plus élevé.

Pour capitaliser sur les avantages du processus LBW, les capacités du processus doivent être adaptées à l'application, et des considérations supplémentaires, décrites ci-dessous, doivent être explorées avant de mettre en œuvre LBW pour la restauration du rotor.

Il existe deux procédés de soudage laser distincts. L'un utilise un métal d'apport à base de poudre (LBW-P) et l'autre utilise un métal d'apport à base de fil (LBW-W). Dans LBW-P, la poudre est délivrée à partir d'un alimentateur de poudre à travers des tubes et une ou plusieurs buses par un jet de gaz inerte, qui délivre la poudre dans le bain de soudure.

Dans LBW-W, le métal d'apport est livré en introduisant le fil dans le bain de soudure, soit à la main, soit par un dévidoir mécanisé.

Ces deux méthodes présentent des différences métallurgiques et logistiques qui doivent être prises en compte lors de la détermination du processus le plus approprié pour une réparation donnée. Cela est d'autant plus vrai que ces différences ne sont pas encore prises en compte dans l'ASME BPVC.

Les variables pour les spécifications de mode opératoire de soudage (WPS) pour le soudage par faisceau laser sont couvertes par les tableaux QW-264 et QW-264.1 de la section IX de l'ASME BPVC.

Parmi les variables essentielles figurent les spécificités liées aux métaux d'apport en poudre, notamment la taille, la densité et la vitesse d'alimentation du métal en poudre. Cependant, il n'y a aucune mention des paramètres du fil d'apport.

Cela indique que le code actuel ne considère que les applications de soudage au laser à base de poudre. Il s'ensuit que la qualification de la procédure ne serait alors également pertinente que pour le soudage au laser à base de poudre.

C'est l'une des raisons pour lesquelles des exigences de qualification de procédure supplémentaires peuvent être nécessaires pour le soudage par faisceau laser.

Une variété de sources laser peut être utilisée pour le soudage au laser. Cet article se concentre sur deux des sources laser les plus courantes pour le soudage sur les lasers Nd:YAG et les lasers à fibre.

Les lasers Nd:YAG sont constitués d'un cristal de grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodyme qui est excité par une lampe flash au xénon pour produire le faisceau laser, tandis que les lasers à fibre consistent en un réseau de diodes qui excitent une fibre optique dopée avec des éléments de terres rares pour produire le faisceau laser.

Bien que l'une ou l'autre de ces sources laser puisse être utilisée pour la restauration du rotor, chacune d'entre elles offre des compromis, notamment la qualité du faisceau, la taille du faisceau, la fréquence du faisceau, la durée de vie, le coût et l'efficacité.

Le choix du meilleur laser dépend de l'application. Cependant, lorsque la conformité ASME BPVC est une préoccupation, le laser à fibre est le meilleur choix.

La raison en est la différence dans la manière dont le faisceau laser est généré et sa stabilité dans le temps. Dans le laser Nd:YAG, l'ampoule de la lampe flash au xénon se dégrade avec le temps et devient plus faible en vieillissant.

L'ampoule gradateur entraîne une excitation moindre du cristal Nd:YAG, ce qui diminue l'intensité du faisceau laser produit. L'effet est que la puissance de sortie pour un réglage laser donné diminue tout au long de la durée de vie de la lampe flash, bien que le taux de dégradation soit probablement inconnu.

Ceci est problématique pour la conformité, car selon ASME BPVC Section IX Table QW-264, la puissance laser est une variable critique qui ne peut pas être modifiée pour une procédure de soudage donnée.

Maintenir cette exigence serait presque impossible pour un laser Nd:YAG, bien que ce fait ne soit pas mentionné dans le code. Contrairement aux sources Nd:YAG, les sources laser à fibre n'ont pas ce problème puisque l'excitation est réalisée par des diodes.

Par conséquent, les lasers à fibre sont largement supérieurs, et sans doute nécessaires, dans les situations qui nécessitent la conformité au code.

Certains systèmes laser ont maintenant la capacité de fonctionner à la fois en mode pulsé et en mode de fonctionnement continu. L'avantage d'utiliser un laser pulsé est que l'apport de chaleur peut être réduit pour minimiser la taille de la HAZ, la quantité de contrainte résiduelle et la quantité de distorsion.

Outre les avantages généraux, les impulsions sont également utiles dans des cas spécifiques, tels que le soudage sur une pièce usinée, où un PWHT n'est pas possible. En effet, la puissance pulsée a un apport de chaleur inférieur à la puissance continue.

Le fonctionnement du laser pulsé, cependant, est principalement limité au LBW-W, car les systèmes LBW-P fonctionnent plus efficacement en utilisant une alimentation continue. En effet, dans les applications à base de poudre, la poudre est délivrée en continu, ce qui entraînerait une grande quantité de poudre gaspillée ou un manque de fusion causé par une chaleur insuffisante entre les impulsions.

Pour les systèmes à fil, le dévidoir est contrôlé avec précision par l'équipement pour maintenir des conditions de soudage stables. Il convient de noter que le mode de soudage en tant que variable autonome peut également avoir un effet sur les taux de dépôt du processus de soudage, mais cela dépend largement du type de système, ainsi que des conditions de la réparation.

Dans l'ensemble, le mode de soudage doit être choisi en fonction du type de métal d'apport livré, mais également en fonction du type de réparation et des propriétés de soudure souhaitées.

Pour minimiser le risque de défauts, la conception du joint doit être adaptée au type de système de soudage utilisé. Les systèmes de soudage à base de fil sont généralement plus tolérants aux angles vifs et aux rainures profondes que les systèmes à poudre.

Cela est dû au fait que les systèmes à fil ne nécessitent pas de système de transport de gaz pour amener le matériau d'apport dans la zone de soudure. Dans les systèmes de soudage à base de poudre, la turbulence dans le gaz porteur utilisé pour acheminer la poudre vers le bain de fusion causée par la géométrie du substrat, telle qu'une rainure en V, peut entraîner de faibles taux d'apport de poudre et un mauvais blindage.

De faibles taux de livraison de poudre entraînent une faible efficacité de soudage et un excès de chaleur atteignant le substrat, tandis qu'un mauvais blindage peut entraîner une porosité et la formation d'inclusions d'oxyde. De plus, pour LBW-P, un excès de poudre non fondue peut également s'accumuler dans le joint.

Le soudage sur cette poudre libre peut provoquer des défauts importants, notamment un manque de fusion, de porosité ou de fissuration. Par conséquent, la livraison de métal d'apport à base de poudre dans une rainure nécessite un angle de rainure plus large, ce qui crée un meilleur accès au joint de soudure, mais augmente également le volume de la rainure.

Par conséquent, le volume de la rainure en V nécessaire pour extraire les éprouvettes lors de l'utilisation de LBW-P est très important par rapport à la taille typique d'un cordon de soudure au laser, ce qui rend la fabrication d'éprouvettes pour la qualification de la procédure peu pratique.

Dans le cas de la livraison de métal d'apport à base de fil, la paroi inclinée de la rainure crée des défis géométriques pour la livraison de gaz de protection et de fil, ce qui augmente la probabilité de porosité et augmente la susceptibilité au manque de défauts de fusion.

Cependant, le soudage sur chanfrein est possible avec LBW. De plus, pour la plupart des réparations d'arbres où LBW est applicable, les réparations ont tendance à être des recouvrements de soudure, qui ne nécessitent pas de soudure en rainure.

La figure 2 montre les types de réparation d'arbre courants, y compris les superpositions, les accumulations et la réparation de tronçon. Bien que la réparation du talon nécessiterait un soudage en rainure, elle ne serait généralement pas effectuée à l'aide de LBW, car d'autres procédés ont un taux de dépôt plus élevé.

En ce qui concerne le type de matériau de remplissage, LBW-P et LBW-W seront acceptables pour les réparations générales de l'arbre, bien que des précautions doivent être prises lorsque les soudures seront proches de marches ou de caractéristiques qui pourraient provoquer des turbulences avec un processus de poudre.

Cependant, les exigences de qualification de la procédure de soudage peuvent être impossibles ou peu pratiques pour LBW-P, et LBW-P peut également rencontrer des difficultés lorsque la porosité est inacceptable.

La possibilité de choisir un métal d'apport dépend de la disponibilité du matériau en question.

Généralement, les versions fil et poudre sont disponibles pour une variété de matériaux.

Cependant, les matériaux à base de fil ont tendance à être limités aux alliages couramment soudés, tandis que les matériaux en poudre ont tendance à être orientés vers les aciers fortement alliés et les alliages spéciaux.

En effet, l'un des principaux moteurs de la production de poudre est la fabrication additive à base de poudre, qui présente le rapport coût-bénéfice le plus élevé pour les matériaux les plus exotiques.

Pour cette raison, il est difficile de trouver de l'acier au carbone et de l'acier faiblement allié sous forme de poudre, car ces matériaux sont suffisamment bon marché pour que l'utilisation de la forme de poudre ne soit pas rentable pour la plupart des applications industrielles.

Étant donné que les aciers au carbone et faiblement alliés sont largement utilisés dans l'industrie des turbomachines, les systèmes de soudage au laser à fil tendent à être une meilleure option en raison de la meilleure disponibilité de ces matériaux. De plus, le métal d'apport sous forme de fil est également généralement moins cher que sous forme de poudre.

Du point de vue des applications, une différence majeure entre le soudage laser à base de poudre et à base de fil est le type de défauts et la probabilité de formation de défauts pendant le soudage.

LBW-W est capable de produire des soudures entièrement denses et sans défaut, tandis que LBW-P a généralement une petite quantité de porosité au minimum. Quoi qu'il en soit, des paramètres de soudage, une géométrie de joint ou des conditions sous-optimaux peuvent générer des défauts pour l'un ou l'autre des processus.

Les défauts typiques qui se produisent dans le soudage au laser sont les suivants, avec des exemples illustrés à la figure 3, qui montre des défauts dans un revêtement LBW-P.

La porosité est caractérisée par des vides qui se produisent dans le dépôt de soudure, créés par les gaz qui s'échappent et qui sont piégés lors de la solidification.

Pour LBW, il existe plusieurs méthodes par lesquelles les gaz peuvent être introduits dans le bain de soudure, mais les principales théories incluent le piégeage du gaz de protection ou des vapeurs métalliques, la cavitation causée par le soudage en trou de serrure instable et les gaz qui ont été piégés dans les particules de poudre pendant le processus d'atomisation et libérés pendant le soudage.

De plus, la porosité peut provenir d'une mauvaise couverture de gaz de protection pendant le soudage, qui est généralement causée par une lentille de gaz mal alignée ou des turbulences près du bain de soudure.

Cela peut se produire en raison de la turbulence créée par l'oxydation rapide du bain de soudure qui se solidifie ou des gaz créés par la combustion de l'oxygène présent dans l'air. Enfin, le manque de propreté du métal de base et du matériau d'apport peut également contribuer à la porosité.

Le soudage sur des matières organiques (huile, graisse, saleté, oxydes, etc.) provoque un dégazage lors du soudage qui se retrouve emprisonné dans le bain de soudure lors de sa solidification.

Le manque de fusion est caractérisé par des endroits où le métal d'apport n'a pas fusionné avec le métal de base. Cela se produit lorsque la source de chaleur génère une chaleur insuffisante pour fusionner les métaux d'apport et de base.

Les causes typiques en sont un mauvais angle de soudage, une vitesse d'alimentation excessive du matériau d'apport et/ou une puissance laser inadéquate. Semblable au manque de fusion, les particules non fondues sont caractérisées par des restes de poudre non fondue présents dans la soudure.

Ce type de défaut est exclusif à LBW-P car il implique de la poudre alors que LBW-W ne le fait pas. La cause des particules non fusionnées est similaire au manque de fusion, où il n'y a pas suffisamment de chaleur pour fondre complètement et fusionner le matériau de remplissage avec le matériau de base.

Cela se produit généralement parce que le laser n'avait pas le temps, la puissance et/ou le positionnement correct pour faire fondre tout le métal d'apport dans la zone de soudure.

La fissuration est caractérisée par une fracture du métal soudé due à la contrainte. La fissuration peut être causée par une multitude de facteurs, bien que des exemples courants incluent une conception de joint très restreinte, des vitesses de refroidissement rapides, la sensibilité du métal d'apport, la contamination, le profil du cordon de soudure et/ou des paramètres de soudage incorrects.

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.