Rotor adalah salah satu komponen terpenting dalam mesin dan peralatan impeler. Komponen presisi ini berputar dengan kecepatan yang sangat tinggi dan harus menahan tekanan yang signifikan selama rentang waktu servis yang luas.
Untuk mencapai tingkat keandalan ini, pabrikan harus memastikan bahwa komponen tersebut sesuai untuk aplikasi. Kontrol ketat pada komposisi, sifat mekanis, dan pemrosesan memastikan bahwa suku cadang dapat diterima.
Pemeriksaan, verifikasi, dan perlindungan ini memaksimalkan masa pakai sekaligus meminimalkan risiko kegagalan katastropik.
Namun, keausan dari pengoperasian normal pada akhirnya akan menyebabkan kerusakan yang cukup untuk memerlukan perbaikan atau penggantian. Akumulasi kerusakan biasanya dangkal, dan perbaikan memberikan keuntungan biaya dan waktu dibandingkan mengganti seluruh rotor sambil meningkatkan risiko minimal yang terkait dengan proses perbaikan.
Proses perbaikan yang umum termasuk pengecatan, pelapisan, pengelasan busur, pengelasan plasma, dan pengelasan laser. Setiap proses memiliki kelebihan dan kekurangan tergantung pada berbagai faktor termasuk lokasi dan tingkat kerusakan, kondisi pengoperasian, lingkungan penggunaan, substrat dan material perbaikan yang diperlukan, dan penerimaan pelanggan.
Artikel ini berfokus secara khusus pada perbaikan pengelasan laser dan bagaimana proses pengelasan laser dapat bermanfaat bagi perbaikan kompresor dan poros turbin, termasuk masalah yang harus ditangani.
Pembahasan mencakup area poros yang paling sering diperbaiki, risiko pengelasan laser di lokasi tersebut, dan jenis pengujian yang harus diminta untuk memvalidasi prosedur.
Pengelasan Sinar Laser
Sebelum munculnya las sinar laser (LBW), proses perbaikan poros yang paling umum adalah las busur terendam (SAW), terutama karena kekasaran dan tingkat deposisi yang tinggi.
Namun, proses ini melibatkan masukan panas yang tinggi, yang dapat menyebabkan distorsi poros dan tegangan sisa yang tinggi. Karena distorsi, perbaikan SAW seringkali memerlukan penghapusan semua fitur yang menonjol dari area perbaikan, rekonstruksi fitur ini, dan overlay ekstensif untuk memastikan kelonggaran pemesinan yang memadai untuk memulihkan dimensi.
Selain itu, karena tingginya tegangan sisa yang dihasilkan oleh pengelasan, perbaikan selalu membutuhkan Post Weld Heat Treatment (PWHT) sebelum pemesinan akhir, yang mengurangi tegangan sisa dan dengan demikian meminimalkan gerakan aksial (distorsi) selama operasi pemesinan.
Pengelasan (termasuk kelongsong), pemotongan dan perlakuan panas dapat dilakukan dengan menggunakan laser terfokus. Meskipun LBW telah ada sejak tahun 1970-an, peningkatan teknologi dan keterjangkauan telah memperluas aplikasi industrinya hingga sekarang mencakup perbaikan rotor mekanis impeler.
Keuntungan utama dari LBW adalah proses kepadatan energi yang tinggi dan oleh karena itu dapat dilas dengan input panas yang sangat rendah, sehingga meminimalkan degradasi logam dasar, ukuran zona yang terpengaruh panas (HAZ), tegangan sisa dan distorsi, sementara juga memungkinkan untuk pengelasan yang sangat cepat. kecepatan pengelasan.
Pada saat yang sama, zona yang terkena panas yang lebih kecil juga bermanfaat karena lebih sedikit volume aksial yang memiliki sifat merusak yang disebabkan oleh panas yang dihasilkan oleh proses fusi.
Hal ini sangat penting dalam kasus paduan yang dapat diberi perlakuan panas, seperti baja yang dipadamkan dan dikeraskan, yang biasanya digunakan pada rotor mesin impeler. Contoh pengaturan pengelasan laser ditunjukkan pada Gambar 1.
Selain masukan panas yang rendah, proses LBW menghasilkan las fusi berkualitas tinggi dengan ikatan metalurgi (tidak ada delaminasi, adhesi yang dapat terjadi pada lapisan), otomatisasi yang mudah, konsistensi dan pengulangan, serta akurasi geometrik yang tinggi.
Misalnya, ukuran titik laser yang digunakan dalam penelitian ini dapat berkisar dari lasan kecil dengan diameter {{0}}.2 mm hingga overlay laju deposisi tinggi dengan diameter 2,0 mm.
Untuk memanfaatkan sepenuhnya proses LBW, kemampuan proses harus disesuaikan dengan aplikasi, dan pertimbangan lain yang diuraikan di bawah ini harus diperiksa sebelum menerapkan LBW untuk perbaikan rotor.
Pengisian Logam
Ada dua proses berbeda untuk pengelasan laser. Satu menggunakan logam berisi bubuk (LBW-P) dan yang lainnya menggunakan logam isi berbasis kawat (LBW-W). Dalam LBW-P, bubuk dikirim dari pengumpan bubuk melalui tabung dan satu atau lebih nosel dengan jet gas lembam, yang mengangkut bubuk ke kolam las.
Dalam LBW-W, logam pengisi dikirim dengan pengumpan kawat manual atau mekanis yang mengumpankan kawat ke kolam las.
Ada perbedaan metalurgi dan logistik antara kedua metode tersebut, yang harus diperhitungkan saat menentukan proses yang paling tepat untuk perbaikan tertentu. Ini terutama benar mengingat ASME BPVC belum memperhitungkan perbedaan ini.
Di antara variabel dasar adalah detail yang berkaitan dengan logam pengisi bubuk, termasuk ukuran logam bubuk, densitas, dan laju umpan. Namun, tidak disebutkan parameter garis isian.
Ini menunjukkan bahwa spesifikasi saat ini hanya mempertimbangkan aplikasi pengelasan laser bubuk. Ini juga mengikuti bahwa karakterisasi proses hanya relevan untuk pengelasan laser berbasis bubuk.
Inilah salah satu alasan mengapa pengelasan sinar laser mungkin memerlukan persyaratan karakterisasi proses tambahan.
Sumber Laser
Berbagai sumber sinar laser dapat digunakan untuk pengelasan laser. Artikel ini berfokus pada dua sumber laser pengelasan yang paling umum, laser Nd:YAG dan laser serat.
Laser Nd:YAG terdiri dari kristal garnet aluminium yttrium yang didoping neodymium yang dieksitasi oleh senter xenon untuk menghasilkan sinar laser, sementara laser serat terdiri dari satu set dioda yang merangsang serat yang didoping elemen bumi yang langka untuk menghasilkan laser balok.
Meskipun kedua sumber laser dapat digunakan untuk perbaikan rotor, keduanya menawarkan pengorbanan termasuk kualitas pancaran, ukuran pancaran, frekuensi pancaran, masa pakai, biaya, dan efisiensi.
Memilih laser terbaik bergantung pada aplikasinya. Namun, ketika kepatuhan ASME BPVC menjadi masalah, laser serat adalah pilihan yang lebih baik.
Alasannya adalah perbedaan cara sinar laser dihasilkan dan stabilitasnya dari waktu ke waktu. Pada laser Nd:YAG, bohlam lampu kilat xenon menurun seiring waktu dan meredup seiring bertambahnya usia.
Meredupkan bohlam menyebabkan eksitasi kristal Nd:YAG berkurang, yang mengurangi intensitas sinar laser yang dihasilkan. Hasilnya adalah bahwa daya keluaran dari pengaturan laser yang diberikan berkurang sepanjang umur senter, meskipun tingkat peluruhannya mungkin tidak diketahui.
Ini bermasalah untuk kepatuhan karena, menurut ASME BPVC Bagian IX Tabel QW-264, daya laser merupakan variabel penting yang tidak dapat diubah selama proses pengelasan tertentu.
Mempertahankan persyaratan ini hampir tidak mungkin untuk laser Nd:YAG, meskipun fakta ini tidak disebutkan dalam kode. Berbeda dengan sumber Nd:YAG, sumber laser serat tidak memiliki masalah ini karena eksitasi dilakukan oleh dioda.
Oleh karena itu, laser serat lebih unggul dan bisa dibilang diperlukan dalam situasi di mana kepatuhan kode diperlukan.
Laser Kontinu atau Berdenyut
Beberapa sistem laser sekarang memiliki kemampuan untuk beroperasi dalam mode pulsa dan mode operasi kontinyu. Keuntungan menggunakan laser pulsa adalah input panas dapat dikurangi untuk meminimalkan ukuran HAZ, tegangan sisa, dan penyimpangan.
Selain keuntungan umum, pulsing dapat berguna dalam kasus khusus, seperti pengelasan pada bagian jadi dimana PWHT tidak memungkinkan. Ini disebabkan oleh fakta bahwa daya pulsa memiliki input panas yang lebih rendah daripada daya kontinu.
Namun, operasi laser berdenyut sebagian besar terbatas pada LBW-W, karena sistem LBW-P menggunakan daya terus menerus untuk beroperasi paling efisien. Hal ini disebabkan fakta bahwa dalam aplikasi berbasis bubuk, bubuk dikirim terus menerus, yang akan menghasilkan sejumlah besar bubuk yang terbuang atau kurangnya fusi karena panas yang tidak mencukupi di antara pulsa.
Untuk sistem berbasis kabel, pengumpan kabel dikontrol dengan tepat oleh peralatan untuk mempertahankan kondisi pengelasan yang konsisten. Penting untuk dicatat bahwa mode las sebagai variabel independen juga dapat berpengaruh pada laju pengendapan proses pengelasan, tetapi ini sangat tergantung pada jenis sistem, serta kondisi perbaikannya.
Secara keseluruhan, pilihan pola las harus didasarkan pada jenis logam pengisi yang dikirim, tetapi juga pada jenis perbaikan dan sifat las yang diinginkan.
Desain sambungan las
Untuk meminimalkan potensi cacat, desain sambungan harus sesuai dengan jenis sistem pengelasan yang digunakan. Sistem pengelasan berbasis kawat umumnya lebih toleran terhadap sudut tajam dan alur yang dalam daripada sistem pengelasan bubuk.
Hal ini dikarenakan sistem kawat tidak memerlukan sistem transportasi gas untuk membawa bahan pengisi ke zona las. Dalam sistem pengelasan berbasis bubuk, turbulensi dalam gas pembawa yang digunakan untuk mengangkut bubuk ke kolam cair yang disebabkan oleh geometri substrat (misalnya, v-bevel) menghasilkan tingkat pengiriman bubuk yang lebih buruk dan pelindung yang lebih buruk.
Tingkat pengiriman serbuk yang buruk dapat menyebabkan pengelasan yang tidak efisien dan panas berlebih yang mencapai substrat, sementara sifat pelindung yang buruk dapat menyebabkan porositas dan pembentukan inklusi oksida. Selain itu, dengan LBW-P, kelebihan bedak yang tidak menyatu dapat menumpuk di persendian.
Pengelasan pada bedak tabur tersebut dapat menyebabkan cacat serius termasuk kurangnya peleburan, porositas, atau retak. Akibatnya, pengiriman logam pengisi berbahan dasar bubuk pada bevel membutuhkan sudut bevel yang lebih lebar, yang menghasilkan lebih banyak sambungan las tetapi juga meningkatkan volume bevel.
Akibatnya, saat menggunakan LBW-P, volume v-groove yang diperlukan untuk mengekstraksi spesimen sangat besar dibandingkan dengan dimensi tipikal las laser, sehingga tidak praktis membuat spesimen untuk karakterisasi proses.
Dalam kasus pengiriman logam pengisi berbasis kawat, dinding alur yang miring menghadirkan tantangan geometris untuk melindungi pengiriman gas dan kawat, yang meningkatkan kemungkinan porositas dan meningkatkan kerentanan terhadap kurangnya cacat fusi.
Namun, beveling dimungkinkan dengan pengelasan LBW. Selain itu, untuk sebagian besar perbaikan poros di mana LBW dapat diterapkan, perbaikan sering kali berupa overlay las dan tidak memerlukan pengelasan bevel.
Gambar 2 menunjukkan jenis umum dari perbaikan poros, termasuk overlay, penumpukan, dan perbaikan rintisan. Meskipun perbaikan rintisan membutuhkan pengelasan bevel, LBW biasanya tidak digunakan karena proses lain memiliki tingkat deposisi yang lebih tinggi.
Mengenai jenis bahan pengisi, LBW-P dan LBW-W dapat digunakan untuk perbaikan poros secara umum, tetapi harus berhati-hati saat mengelas di dekat tangga atau fitur yang dapat menyebabkan turbulensi dalam proses pembuatan serbuk.
Namun, persyaratan kualifikasi proses pengelasan mungkin tidak mungkin atau tidak praktis untuk LBW-P, dan LBW-P juga dapat mengalami kesulitan di mana porositas tidak dapat diterima.
Biaya dan Ketersediaan Logam Pengisi
Kemampuan untuk memilih logam pengisi tergantung pada ketersediaan bahan yang dibahas.
Secara umum, versi kawat dan bubuk tersedia untuk berbagai bahan.
Namun, bahan berbasis kawat cenderung terbatas pada paduan las biasa, sedangkan bahan bubuk cenderung diarahkan pada baja paduan yang lebih tinggi dan paduan khusus.
Ini karena salah satu pendorong utama produksi bubuk adalah manufaktur aditif berbahan dasar bubuk, yang memiliki rasio biaya-manfaat tertinggi untuk bahan yang lebih eksotik.
Karena itu, sulit untuk menemukan baja karbon dan baja paduan rendah dalam bentuk bubuk karena bahan ini cukup murah sehingga tidak efektif untuk menggunakan bentuk bubuk untuk sebagian besar aplikasi industri.
Karena karbon dan baja paduan rendah banyak digunakan dalam industri mesin impeler, sistem pengelasan laser berbasis kawat seringkali merupakan pilihan yang lebih baik karena ketersediaan bahan-bahan ini yang lebih baik. Selain itu, logam pengisi dalam bentuk kawat juga biasanya lebih murah daripada bentuk bubuk.
Kekurangan
Dari sudut pandang aplikasi, salah satu perbedaan utama antara las laser berbasis bubuk dan las laser berbasis kawat adalah jenis cacat dan kemungkinan pembentukan cacat selama proses pengelasan.
LBW-W mampu menghasilkan las yang sepenuhnya padat dan bebas cacat, sedangkan LBW-P biasanya memiliki jumlah porositas paling sedikit. Bagaimanapun, parameter pengelasan suboptimal, geometri sambungan atau kondisi dapat menghasilkan cacat pada salah satu proses.
Cacat khas yang terjadi pada pengelasan laser meliputi berikut ini, yang menunjukkan cacat pada overlay LBW-P:
- Porositas
- Kurangnya fusi
- Partikel yang tidak menyatu
- Retak
Porositas ditandai dengan adanya rongga pada deposit las, yang tercipta karena keluarnya gas yang terperangkap selama pemadatan.
Untuk LBW, ada beberapa cara untuk memasukkan gas ke dalam kolam las, tetapi teori utamanya meliputi perangkap gas pelindung atau uap logam, kavitasi yang disebabkan oleh las lubang kecil yang tidak stabil, dan gas yang terperangkap dalam partikel bubuk selama atomisasi dan dilepaskan selama proses pengelasan.
Selain itu, cakupan gas pelindung yang buruk selama proses pengelasan dapat menyebabkan kavitasi, yang biasanya disebabkan oleh lensa gas yang tidak selaras atau turbulensi di dekat kolam las.
Hal ini dapat terjadi karena turbulensi dari oksidasi cepat kolam las yang diawetkan, atau gas karena pembakaran oksigen di udara. Terakhir, kurangnya kebersihan bahan dasar dan pengisi juga dapat menyebabkan porositas.
Pengelasan pada material organik (minyak, gemuk, kotoran, oksida, dll.) dapat menyebabkan outgassing selama proses pengelasan, terperangkap di kolam las saat mengeras.
Kurangnya fusi ditandai dengan logam pengisi tidak menyatu dengan logam dasar di suatu lokasi. Ini terjadi ketika sumber panas tidak menghasilkan panas yang cukup untuk mengikat bahan pengisi dan logam dasar.
Penyebab umum dari kondisi ini termasuk sudut las yang buruk, laju umpan bahan pengisi yang tinggi, dan/atau daya laser yang tidak memadai. Mirip dengan unfused, partikel unfused ditandai dengan adanya residu bubuk yang tidak menyatu di lasan.
Jenis cacat ini unik untuk LBW-P karena melibatkan bedak, sedangkan LBW-W tidak. Alasan partikel yang tidak menyatu mirip dengan kurangnya fusi, yaitu tidak cukup panas untuk melelehkan dan meleburkan bahan pengisi dengan bahan dasarnya.
Ini biasanya karena laser tidak memiliki cukup waktu, tenaga, dan/atau posisi yang tepat untuk melelehkan semua logam pengisi di area las.
Cracking ditandai dengan putusnya logam las akibat tegangan. Retak dapat disebabkan oleh berbagai faktor, contoh umum meliputi desain sambungan yang sangat terbatas, laju pendinginan yang cepat, kerentanan logam pengisi, kontaminasi, bentuk las, dan/atau parameter pengelasan yang salah. Diterjemahkan dengan www.DeepL.com/Translator (versi gratis)
