激光熔覆在修複渦輪機和壓縮機軸方麵越來越受歡迎。客戶對激光熔覆選項的需求增加也使越來越多的激光焊接供應商樂於提供各種解決方案。
了解激光熔覆工藝的基本能力、局限性和潛在缺陷，以及該工藝怎麽才能合格並確保激光焊接修複滿足給定應用的要求變得尤為重要。
與其它焊接工藝一樣，理想的結果是沉積物冶金性能良好，達到或超過最低應用設計標準。填充材料合金的選擇、形式和輸送方法會對熔敷金屬的質量和適用性產生重大影響。渦輪機械設備最關鍵的部件之一是轉子。這些精密組件以極高的速度旋轉，並且必須在很長的服務時間內承受巨大的壓力。為了達到這種可靠性水平，製造商必須確保組件適合應用。對成分、機械性能和加工的嚴格控製確保部件是合格的。這些檢查、驗證和保障措施最大限度地延長了使用壽命，同時最大限度地降低了災難性故障的風險。但是，正常操作造成的磨損最終仍然會造成一定程度的損壞，需要維修或更換。累積的損壞通常是表麵的，與更換整個轉子相比，維修提供了成本和時間優勢。典型的修複工藝包括噴塗、電鍍、電弧焊、等離子焊和激光焊。這些工藝各有優缺點，這取決於各種因素，包括損壞的位置和程度、操作條件、服務環境、基材和所需的修複材料以及客戶接受度。Elliott集團材料工程師Michael W.Kuper博士和該集團四級材料工程焊接工程師Michael J.Metzmier共同撰寫(xie) 了一篇研究論文，特別關(guan) 注了激光焊接修複以及激光焊接工藝如何有益於(yu) 壓縮機和渦輪機軸修複，包括需要解決(jue) 的問題。論文還對最常維修的軸區域及在該區域進行激光焊接的相關(guan) 風險，以及評定程序所需的測試類型等內(nei) 容展開討論。
《激光製造商情》小編特此編譯該論文以饗讀者。開始之前先看看相關(guan) 的命名法：HAZ=熱影響區；LBW=激光束焊接；LBW-P=激光束焊接（粉末填充金屬）；LBW-W=激光束焊接（焊絲(si) 金屬）；PWHT=焊後熱處理；SAW=埋弧焊；WPS=焊接工藝規範。
1.激光束焊接(LBW)
在激光束焊接 (LBW) 出現之前，最常見的軸修複工藝是埋弧焊 (SAW)——該工藝堅固耐用且熔敷率高，但是，該工藝涉及高熱輸入，這會導致軸變形和高殘餘應力。由於變形，SAW 修複往往需要從修複區域移除所有突出特征，重建這些特征，並進行大量覆蓋以確保有足夠的機加工餘量來恢複尺寸。此外，由於焊接產生的殘餘應力很高，在最終機加工之前，必須進行焊後熱處理 (PWHT)，這可以消除殘餘應力，從而最大限度地減少機加工過程中軸的變形。使用激光束可以進行焊接（包括熔覆）、切割和熱處理。盡管 LBW 自 1970 年代就已存在，但技術的改進和可承受性已經擴大了其工業應用範圍，包括渦輪機械轉子修複。LBW 的主要優點是：它是一種高能量密度工藝，能夠以非常低的熱輸入進行焊接，從而最大限度地減少母材退化、限製熱影響區 (HAZ) 的大小、殘餘應力和變形，同時還能實現非常快的焊接速度。同時，較小的熱影響區（HAZ）也是有益的，因為細小的軸體可能會因熔化過程中的熱量而產生有害的特性。這對於通常用於渦輪機轉子的調質鋼（如淬火和回火鋼）等可熱處理合金尤為重要。激光焊接設置示例如圖1所示。除了低熱輸入外，LBW工藝還可以產生具有冶金結合的高質量熔焊（無分層——塗層中可能會因附著力而發生分層），易於自動化以實現一致性和可重複性，並且具有高幾何精度。例如，用於本研究的激光器的光斑尺寸範圍從用於小焊縫的直徑0.2毫米到用於更高沉積速率堆焊的直徑2.0毫米。為了利用LBW工藝的優勢，工藝能力必須與應用相匹配，並且在實施 LBW轉子修複之前還必須探索下麵其他注意事項。2.填充金屬的輸送
有兩種不同的激光焊接工藝。一種使用粉末基填充金屬(LBW-P)，另一種使用線基填充金屬(LBW-W)。在LBW-P中，粉末通過管道和一個或多個噴嘴通過惰性氣體射流從送粉器輸送，惰性氣體將粉末輸送到熔池中。在LBW-W中，通過手動或機械送絲機將焊絲送入熔池來輸送填充金屬。這兩種方法在冶金和輸送方麵存在差異，在確定給定維修的最合適工藝時必須考慮這些差異。考慮到ASME BPVC（ASME鍋爐和壓力容器規範）中尚未考慮這些差異，這一點尤其正確。ASME BPVC第IX節表QW-264和QW-264.1涵蓋了用於激光束焊接的焊接工藝規範 (WPS) 的變量。基本變量包括與粉末填充金屬相關的細節，包括粉末金屬尺寸、密度和進料速度。但是，沒有提及填充焊絲參數。這表明當前規範僅考慮基於粉末的激光焊接應用。因此，程序鑒定也將僅與基於粉末的激光焊接相關。這就是為什麽激光束焊接可能需要額外的程序鑒定要求的原因之一。3.激光源
多種激光源可用於激光焊接。本文重點介紹用於焊接Nd:YAG激光器和光纖激光器的兩種最常見的激光源。Nd:YAG激光器由摻釹釔鋁石榴石晶體組成，由氙閃光燈激發產生激光束，而光纖激光器由二極管陣列組成，激發摻雜稀土元素的光纖產生激光束。雖然這些激光源中的任何一個都可用於轉子修複，但它們都需要權衡取舍，包括光束質量、光束尺寸、光束頻率、壽命、成本和效率。選擇最好的激光器取決於應用。如果重視ASME BPVC合規性，光纖激光器則是更好的選擇。其原因在於激光束的產生方式及其隨時間的穩定性不同。在Nd:YAG激光器中，氙閃光燈燈泡會隨著時間的推移而退化，並隨著時間的推移變得更暗。調光燈泡導致Nd:YAG晶體的激發減弱，從而降低了產生的激光束的強度。結果導致給定激光設置的功率輸出會在閃光燈的整個使用壽命期間降低，盡管降低的速度可能是未知的。這對於合規性來說是有問題的——因為根據ASME BPVC第IX節表QW-264，激光功率是一個關鍵變量，對於給定的焊接程序不能改變。對於Nd:YAG激光器來說，保證這點幾乎是不可能的，盡管規範中沒有提到這一點。與Nd:YAG源相比，光纖激光源沒有這個問題，因為激發是由二極管執行的。因此，在需要符合規範的情況下，光纖激光器非常優越，而且可以說是必要的。4.連續或脈衝激光
現在的一些激光係統能夠在脈衝模式和連續模式下運行。使用脈衝激光的優點是可以減少熱輸入，從而最大限度地減小HAZ的尺寸、殘餘應力量和變形量。除了一般優點外，脈衝在特定情況下也很有用，例如在無法進行PWHT的精加工零件上進行焊接。這是因為脈衝功率比連續功率具有更低的熱輸入。然而，脈衝激光操作主要限於LBW-W，因為LBW-P係統使用連續功率操作最有效。這是因為在基於粉末的應用中，粉末是連續輸送的，這會導致大量粉末浪費或由於脈衝之間的熱量不足而導致未熔合。對於基於焊絲的係統，送絲機由設備精確控製以保持穩定的焊接條件。值得注意的是，作為獨立變量的焊接模式也會對焊接過程的沉積速率產生影響，但這在很大程度上取決於係統類型以及修複條件。總的來說，焊接模式的選擇應基於(yu) 填充金屬的類型，還應基於(yu) 修複類型和所需的焊接性能。
二、焊接工藝要素
1.焊縫設計
為了盡量減少潛在的缺陷，焊縫設計必須適合所用焊接係統的類型。基於焊絲的焊接係統通常比粉末係統更能容忍尖角和深槽。這是因為焊絲係統不需要氣體輸送係統來將填充材料輸送到焊接區。在基於粉末的焊接係統中，用於將粉末輸送到熔池的載氣中由基板幾何形狀（例如V形槽）引起的湍流會導致粉末輸送率低和屏蔽不良。粉末輸送率低會導致焊接效率低下和過多的熱量到達基材，而屏蔽不良會導致孔隙率和氧化物夾雜物的形成。此外，對於LBW-P，多餘的未熔融粉末也會積聚在焊縫中。在這種鬆散的粉末上進行焊接會導致嚴重的缺陷，包括未熔合、氣孔或開裂。因此，在坡口中輸送粉末基填充金屬需要更寬的坡口角度，這樣可以更接近焊縫，但也會增加坡口的體積。因此，與激光焊縫的典型尺寸相比，使用LBW-P時提取試樣所需的V形槽體積非常大，這使得製造用於工藝鑒定的試樣不切實際。在基於焊絲的填充金屬輸送的情況下，凹槽的傾斜壁為保護氣體和焊絲輸送帶來了幾何挑戰，這增加了孔隙率的可能性並增加了缺乏熔合缺陷的敏感性。但是，LBW可以進行坡口焊接。此外，對於適用LBW的大多數軸修複，修複往往是堆焊，不需要坡口焊。圖2顯示了常見的軸修複類型，包括覆蓋、堆積和短軸修複。雖然短管修複需要坡口焊，但通常不會使用LBW進行，因為其他工藝具有更高的沉積速率。關於填充材料類型，LBW-P和LBW-W可用於一般的軸修複，但當焊縫靠近可能在粉末工藝中引起湍流的台階或特征時應小心。但是，對於LBW-P，焊接工藝資格要求或許是不可能或不切實際的，並且LBW-P在孔隙率不可接受的情況下也可能會遇到困難。2.填充金屬成本和可用性
選擇填充金屬的能力取決於相關材料的可用性。通常，線材和粉末材料均適用於各種材料。然而，線材材料往往僅限於常用的焊接合金，而粉末材料往往適用於高合金鋼和特種合金。這是因為粉末生產的主要驅動力之一是基於粉末的增材製造，它對於更奇特的材料具有最高的成本效益比。因此，很難找到粉末形式的碳鋼和低合金鋼，因為這些材料足夠便宜，因此粉末形式的使用對於大多數工業應用來說並不具有成本效益。由於碳鋼和低合金鋼在渦輪機械行業中大量使用，因此基於線材的激光焊接係統往往是更好的選擇，因為這些材料的可用性更高。此外，線材形式的填充金屬通常也比粉末形式便宜。3.缺陷
從應用的角度來看，基於粉末和基於線材的激光焊接之間的一個主要區別是缺陷類型和焊接過程中形成缺陷的可能性。LBW-W能夠產生完全致密、無缺陷的焊縫，而LBW-P通常具有最少的少量孔隙率。無論如何，次優的焊接參數、焊縫形狀或條件都會產生缺陷。示例如圖3所示，圖3顯示了LBW-P堆焊層中的缺陷。圖3. 激光焊接中出現的典型缺陷。這些缺陷是在使用基於粉末的填充金屬輸送製成的焊縫中發現的。可以看到孔隙率散布在每個圖像上。孔隙率的特征是焊縫內出現空隙，這些空隙是由凝固過程中捕獲的逸出氣體產生的。對於LBW，有幾種方式可以導致氣體引入熔池，但主要理論包括捕獲保護氣體或金屬蒸汽、不穩定的小孔焊接引起的氣蝕以及霧化過程中粉末顆粒中捕獲的氣體並在焊接過程中釋放。此外，焊接過程中保護氣體覆蓋不良也可能會導致氣孔，這通常是由於氣體透鏡對準不當或焊池附近的湍流造成的。這可能是由於正在凝固的熔池快速氧化產生的湍流，或者是由於空氣中的氧氣燃燒產生的氣體。最後，基底金屬和填充材料清潔度不足也會導致孔隙率增加。在有機物（油、油脂、汙垢、氧化物等）上進行焊接會導致焊接過程中放氣，凝固時氣體會被困在熔池中。未熔合的特征在於填充金屬未與母材熔合的位置。當熱源產生的熱量不足以使填料和基底金屬聚結時，就會發生這種情況。造成這種情況的典型原因包括焊接角度不良、填充材料進給速度過快和/或激光功率不足。與未熔合類似，未熔合顆粒的特征是焊縫中存在未熔化粉末的殘餘物。這種缺陷是LBW-P獨有的，因為它涉及粉末，而LBW-W則沒有。未熔合顆粒的原因是沒有足夠的熱量使填充材料與基材完全熔化和熔合。這通常是因為激光沒有時間、功率和/或正確定位來熔化焊接區域中的所有填充金屬。開裂的特征是焊縫金屬因應力而斷裂。開裂可能由多種因素引起，但常見的例子包括高度受限的焊縫設計、快速冷卻速率、填充金屬敏感性、汙染、焊道輪廓和/或不正確的焊接參數。4.粉末與線材填充金屬傳送
對於軸的修複，LBW-W通常比LBW-P更適用。原因是LBW-W形成缺陷的可能性較低，即孔隙率，可能導致最終加工後出現不合格的表麵跡象。其次，在LBW-W中使用脈衝激光源減少了熱輸入，這有助於最大限度地減少變形、殘餘應力和HAZ的尺寸。第三，線材填充金屬比一般的粉末更便宜、更容易獲得，它可能是通常用作渦輪機械軸材料的碳鋼和低合金鋼的唯一選擇。5.焊後熱處理
對於使用傳統電弧焊進行的轉子修複，通常需要PWHT。首先，電弧焊產生的殘餘應力大到足以在最終機加工後引起軸移動，特別是在渦輪轉子所需的熱穩定性測試期間。PWHT消除了殘餘應力，最大限度地減少加工過程中的軸運動。此外，由於轉子通常是淬火和回火馬氏體鋼，因此焊接會在焊縫和HAZ中產生硬而脆的未回火馬氏體——未回火的馬氏體會降低衝擊韌性，可能低於基礎材料要求，尤其是對於低溫服務。PWHT對焊接過程中形成的新鮮馬氏體進行回火處理，從而恢複軸的衝擊韌性。不幸的是，PWHT也會使基材過度回火，這在某些情況下可能會導致強度損失。焊後熱處理也是一項昂貴且耗時的操作。圖4顯示了應用於轉子的PWHT的設置。對於這個過程，軸必須垂直懸掛以盡量減少變形。換句話說，如果對轉子進行水平熱處理，則轉子會在熱處理後在支撐件之間形成永久性的彎曲和下垂。豎直懸掛軸後，添加加熱毯和熱電偶，它們必須提供強烈而精確的熱量（通常超過1000 °F），並且這種熱量必須均勻分布。如果不均勻地加熱，則應力將不均勻地釋放，這可能導致有害的變形。必須仔細控製和監測加熱/冷卻速率和保持時間。總體而言，該過程相對複雜、費時且成本高。通常，激光焊接塗敷器聲稱其工藝不需要進行焊後熱處理，因為激光焊接產生的熔敷和熱影響區足夠小，它們的存在對整體軸性能的影響可以忽略不計。然而，關於激光焊接修複在渦輪機械應用中的機械性能的學術研究很少。雖然焊縫和HAZ可能很小，但假設它們不會影響軸的適用性是危險的，特別是當軸材料為最常用的軸材料——調質鋼時。為了避免PWHT，必須采取預防措施以確保在沒有PWHT的情況下修複將滿足所需的性能。這些預防措施包括本文後麵推薦的測試，以及考慮與操作環境的侵蝕和腐蝕要求的兼容性。6.當前的鑒定標準
如上所述，當前的ASME BPVC沒有區分LBW-P和LBW-W，也沒有說明Nd:YAG 激光器輸出功率隨時間不可避免的變化。這將需要在未來進行補充，以解決這些過程在典型應用和鑒定方麵的差異。關於工藝鑒定，坡口焊縫將根據ASME BPVC第IX節表QW-451.1進行鑒定。然而，對於轉子修複，LBW修複通常是對表麵損壞進行的，因此將被視為堆焊。ASME BPVC第IX節表QW-453中對堆焊的工藝鑒定要求以及對坡口焊縫的要求可在如下表1中找到。表 1：根據 ASME BPVC第IX節對堆焊和坡口焊的工藝鑒定測試要求。盡管硬麵覆蓋層需要硬度讀數，但ASME並未列出驗收標準。如前所述，大多數轉子維修符合堆焊要求，但除了上述要求外，在某些情況下可能還需要對激光束焊接進行進一步測試。通常，還應考慮軸的關(guan) 鍵設計因素，這取決(jue) 於(yu) 軸的哪一部分需要維修。
修複軸上最常見的損壞位置包括聯軸器配合、軸頸、探頭區域、密封區域和主體。由於修複過程的性質（熔敷焊縫和HAZ的形成），據了解，修複區域的特性將與原始軸材料的特性不匹配。此外，軸的每個部分都有自己的一套設計標準。因此，確保修複區域滿足每個修複位置的最低設計要求非常重要。考慮到這一點，下麵討論了軸的每個區域應考慮的關鍵特性。此信息的摘要見表 2。1.主軸體
主軸體維修通常位於應力最低的區域，通常不需要匹配軸材料成分和性能。在這些位置，修複的目的是恢複尺寸而不在其他地方造成扭曲。由於軸的主體與工藝氣體接觸，因此對用於氫氣服務（氫氣分壓超過100 psig）的設備進行的焊接修複必須限製在120 ksi的最大屈服強度和34洛氏C的硬度，以滿足API 617的要求。因此，需要進一步分析以確定是否以及如何將LBW應用於將在氫氣服務中運行的轉子修複。與軸的主體相比，軸頸、密封件和探頭區域的直徑通常較小，因此這些位置的應力適中，在選擇修複方法時應考慮在內。抗拉強度和韌性應該是這些區域修複的評估內容。軸頸區域還必須能夠滿足最終機加工和研磨後的表麵粗糙度要求（通常為32微英寸或更高），這意味著這些位置的孔隙率可能是一個問題。位於探頭區域的維修必須具有統一的微觀結構，以防止電氣跳動讀數不穩定。探頭區域通常經過研磨和拋光，以最大限度地提高探頭精度和準確度。填充材料還必須作為渦流探頭的目標材料，並且可能需要考慮探頭校準的變化。雖然硬度不是軸頸和探針區域的主要問題，但密封區域將與工藝氣體接觸，如果轉子在氫氣環境中運行，則必須滿足上述最大強度和硬度要求。3.聯軸器
聯軸器區域通常是整個軸上直徑最小的區域之一，這意味著它承受著最高的應力。該區域還可能包含額外的應力集中點，例如鍵槽、凹槽或壓縮配合。除非轉子上有其他高應力的整體特征，如渦輪盤，否則整軸的強度都是根據這個特征來選擇的。軸的這一部分也可能承受非常高的交變應力，這可能是由驅動轉子的設備引起的，這意味著必須考慮耐久極限。確定耐久極限時應小心，因為與基礎材料相比，經過表麵處理的材料可能會降低達50%的耐久極限。因此，除了拉伸性能外，還需要直接測試疲勞特性。聯軸器修複的疲勞因素是複雜的，需要額外的考慮和測試，遠遠超出ASME BPVC指南。由於聯軸器維修設計和評估的重要性和複雜性，本文不考慮這方麵的維修。根據本節中確定的關鍵特性，僅ASME BPVC第IX節要求的測試不足以評估除軸主體外的所有常見維修位置的維修適用性。為了彌補這種差異，建議至少對軸頸、探頭和密封區域中的所有維修鑒定進行補充拉伸試驗和衝擊試驗。在氫氣環境限製轉子屈服強度的情況下，還必須對主體和密封件進行硬度測量。此外，耦合區域需要與疲勞試驗相關的額外考慮，這超出了本文的範圍。1.機械測試
以下章節詳細介紹了通常用於軸的低合金鋼的LBW性能鑒定的示例測試結果。這些基材金屬中的每一種都是使用 AWS A5.28 等級ER120S-1焊接的。本研究中使用的材料，包括本文中使用的縮寫、相關行業標準以及每種材料中主要合金元素的成分限製，可在表 3 中找到。表 3：本節所述材料的縮寫、行業標準和主要合金元素的組成。所有焊件均使用帶有光纖激光源的900瓦脈衝激光焊接係統製造的。用於這項研究的焊接參數被認為是知識產權，不能詳細分享。然而，在整個研究中使用了相同的焊接參數，平均激光功率為522 W。該功率約為激光係統能力的58%，因此代表中等沉積速率（約0.10 lb/hr）。對於每種基材，將v形槽加工成1英寸（25.4 mm）的板用於焊接。凹槽加工成25° 夾角（每側12.5°），深度為0.625英寸（15.9 毫米）。測量凹槽底部的深度，凹槽的加工半徑為 0.1875 英寸（4.76 毫米）。焊接後，對焊件進行表麵缺陷液體滲透測試，然後提取試樣進行機械測試。除了坡口焊縫外，通過沉積和堆疊焊縫金屬層創建了完全由焊縫金屬組成的拉伸試樣，每層焊縫金屬由一個焊珠墊組成（類似於增材製造）。鋼筋大約0.5英寸寬、0.5英寸高和5英寸長。從每個試樣中提取兩個拉伸試樣用於測試。一個試樣在焊接狀態下進行測試，而另一個試樣在1200 °F下接受三小時的焊後熱處理測試。下表總結了為本研究中焊接的每種母材進行LBW-W工藝鑒定所進行的機械測試，所有試樣均取自v形槽坡口焊縫，除非另有說明。2.測試結果
所有焊縫均通過液體滲透檢測和側彎檢測。宏觀測試也通過了檢查，這意味著它在放大5倍的情況下沒有可見裂紋。圖5顯示了LBW堆焊層的橫截麵，突出顯示了LBW覆蓋層中HAZ的小尺寸，在本研究中平均厚度為0.00975英寸。此外，LBW焊縫沉積物幹淨，沒有可檢測到的孔隙。圖像上的深色斑點來自輕微的表麵鏽蝕。表4顯示了全焊縫拉伸試驗的結果，包括屈服強度、拉伸強度、斷裂伸長率和斷麵收縮率。表 4：在焊接和PWHT條件下從全焊接金屬 (ER120S-1) 堆積中提取的試樣的拉伸試驗結果。此表列出了焊接樣品和PWHT樣品的實驗值，並包括AWS A5.28中填充焊絲的性能要求。表5是所用四種基底金屬的坡口焊縫拉伸試驗結果。測試結果包括屈服強度、抗拉強度、斷裂伸長率、斷麵收縮率和斷裂位置。表 5：使用 ER120S-1 焊絲在各種基材上進行的 V 形槽焊縫的平均拉伸試驗結果以及每種基材的機械性能要求。表 6：用 ER120S-1 在各種基材上製成的 V 形槽焊縫的平均衝擊試驗結果以及每種基材的衝擊韌性要求 。測試結果包括測試溫度、平均衝擊韌性、平均橫向膨脹和平均剪切百分比。各坡口焊縫的硬度測量結果見表 7。表7還包含每個焊縫的焊縫沉積物和HAZ 的測量厚度。表 7：用 ER120S-1 焊接的每種材料的平均維氏硬度 (HV10) 和焊縫金屬、HAZ 和母材的厚度。3.修複示例
除了為工藝鑒定進行的機械測試外，還對兩個損壞的軸進行了焊補。如圖6所示，第一根軸在密封件、探頭和軸頸區域受到廣泛的點蝕損壞。該圖還顯示了焊接後和最終機加工後修複後的軸。探頭區域也經過打磨和拋光，並進行了電氣跳動測量。如圖 7 所示。圖 7. 修複後燒焦的探針區域示例（左）。由於基體金屬和焊縫金屬之間的差異，修複區域看起來很暗；然而，修複滿足了探針區域所需的幾何公差、表麵光潔度和電氣跳動（右）。修複區域和軸的其餘部分之間的顏色差異是由於拋光過程中基材的硬度差異造成的，但是，機械和電氣跳動讀數在要求的公差範圍內。圖8顯示的是一個被美工刀劃傷的軸。劃痕深約 0.003 英寸，使用單個焊縫進行了局部修複，如圖 8 所示。修複後，將軸磨回幾何規格、檢查並安裝以供使用。圖 8. 劃痕區域（左）；LBW修複後的相同劃痕（中）；以及精加工後的修複區域（右）。4.機械性能：拉伸性能和衝擊韌性
本研究中使用的焊態ER120S-1在所有焊縫拉伸試樣中的屈服強度、抗拉強度和伸長率分別超過AWS線材標準的26.7%、14.2%和21.4%的機械性能要求。據推測，這些優異的值源於激光焊接過程固有的快速凝固引起的晶粒細化。對於焊件，從每個V型坡口測試的樣品得知，除BM4外，所有情況下的機械性能均超過相關基材的要求。因此，BM1、BM2和BM3可以使用本研究中使用的工藝與ER120S-1焊接，而不必擔心滿足母材機械性能。BM4焊件不符合BM4母材要求的原因是該母材與焊接材料匹配度過高。ER120S-1的最小抗拉強度為120ksi，而BM4的最小抗拉強度為175ksi。盡管如此，焊件的性能還是非常出色，在測試時達到了142.3ksi的抗拉強度。與其他焊縫相比，此處顯示的更高強度可能是由於母材稀釋造成的。盡管在焊接條件下具有出色的機械性能，但接受焊後熱處理的試樣的拉伸強度和屈服強度分別降低了41%和28%，與本研究中使用的所有基材相比，達到了無法接受的水平。因此，除非從設計角度來看，預期的強度下降是可接受的，否則不得在需要焊後熱處理的情況下使用該填充線。總的來說，衝擊韌性結果非常出色。所有焊接接頭（有衝擊韌性要求的）的衝擊韌性均遠高於要求值。此外，橫向膨脹和剪切百分比結果也非常出色。據推測，這些優異的結果是由於焊縫金屬的細晶粒尺寸，如圖5所示，但需要進一步的表征和測試來確認。5.硬度
如前所述，ASME規範要求對堆焊層進行硬度掃描，但沒有設定驗收標準。對於轉子修複，最適用的限製是API 617規定的在富氫環境中運行的壓縮機軸的最大硬度要求 (34洛氏硬度C)。這一要求適用於主體和密封件的維修，因為軸的這些區域會接觸工藝氣體。根據管理硬度換算的ASTM E140 表 1，34洛氏C等於維氏硬度標度的336。當最大值為336 HV時，由於HAZ硬度超過規定的極限，本研究中使用的任何母材在補焊後均不可用於氫環境。此外，除BM3焊件外，焊縫金屬在所有情況下都超過了336 HV的硬度限值，該值在335 HV下測量，應考慮到可接受性的極限。還應指出，BM4在任何情況下都不能用於氫環境，因為基底金屬硬度也太高。由於HAZ和焊縫的高硬度，本研究中使用的所有材料均不適用於焊接狀態下的氫環境。使用PWHT可以降低這些區域的硬度，但是如前所述，本研究中使用的焊縫金屬因熱處理而失去相當大的強度，這對於軸應用來說可能是不可接受的。如果需要PWHT，其他填充金屬可能更合適，但這不在本研究的範圍。此外，HAZ的極高硬度可能需要大量PWHT，以滿足API 617對氫環境的要求，這可能會使軸的基底金屬過度回火，從而使強度降低到應用設定的極限之外。值得注意的是，解決這個問題的一個潛在解決方案是使用感應加熱進行局部焊後熱處理，這種方法具有趨膚效應，可以在不顯著過度回火軸體的情況下回火熱影響區。這種可能性尚未被探索，需要進一步研究。無論如何，由於此處概述的原因，在涉及氫款境的情況下，LBW可能不是維修的最佳選擇，尤其是當基材為調質鋼時。6.修複完成
由於幾何跳動在焊接和精加工後的允許限度內 (0.002英寸)，LBW引起的變形微不足道。最終機加工後未發現表麵跡象，這意味著在液體滲透測試期間未檢測到孔隙。此外，使用標準工藝拋光探頭區域，從而產生可接受的幾何公差。也在公差範圍內，探頭區域的電氣跳動測試也是可接受的，在這種情況下，探頭不需要重新校準。據推測，可接受的電氣跳動可歸因於熔敷層的高度均勻性，這是由機械化 LBW 工藝固有的高精度和控製引起的。需要進一步研究來評估這一假設。對於劃痕修複，最初有人擔心局部焊縫在最終機加工後無法“清理”。換句話說，據預測，在焊接開始或停止時出現凹坑，或沿焊趾咬邊可能會導致最終加工後出現負空間（材料缺失）。然而，焊接後按原始尺寸進行的最終機加工產生了光滑的表麵，沒有拓撲缺陷或低點。1.劃痕修複
如果沒有可行的修複工藝，深度約為 0.003 英寸的劃痕會使軸變成廢料。由於需要從軸頸區域通過軸的聯接端進行焊接，因此傳統的電弧焊接派不上用場。在這種情況下，由於該位置的強度要求，在耦合區域進行焊接是不可行的。相反，激光焊接工藝用於對劃痕進行局部修複，無需在耦合區域進行焊接，同時節省了大量加工時間。修複區域的最終研磨不需要超出原始圖紙公差的額外切削量。2.覆蓋修複
如圖6中所示的渦輪機轉子在密封件和軸頸位置遭受了嚴重的點蝕損壞。這些區域的傳統電弧焊堆焊需要多步過程才能修複。首先，所有損壞和突出的特征（即填料齒、平衡環、止推盤等）都將從軸上加工掉，並附加 0.125英寸徑向毛坯底切。然後將對軸進行焊接，根據需要堆積材料，以恢複所有特征的幾何形狀，並添加額外的材料用於加工，並考慮焊接過程中的變形。然後，焊接修複需要進行應力消除熱處理，以消除殘餘應力。這是必要的，因為殘餘應力會在加工過程中移動軸，這很可能導致無法滿足所需的幾何公差。對於渦輪機軸，消除殘餘應力對於通過熱穩定性檢查至關重要。消除應力後，將對軸進行最終加工，並進行無損檢測。然後渦輪機轉子將接受上述熱穩定性檢查。而使用激光焊接，修複過程步驟則更少。首先，受損區域將被咬邊，但未受損區域（包括突出特征）可能會留在軸上。其次，將執行LBW 覆蓋，以使用額外的0.020英寸機加工餘量恢複軸尺寸。第三，根據圖紙尺寸進行修複，最後進行規定的無損檢測以檢查缺陷。總的來說，這個過程在焊接修複前後需要的機加工明顯減少，並且消除了焊後熱處理。此外，在轉子被諸如鎳基合金等耐腐蝕材料包覆的情況下，LBW沉積的材料更少，從而節省成本。應注意的是，LBW堆焊軸的時間可能比傳統的電弧焊工藝（如埋弧焊）更長，但使用LBW時加工時間更快，且無需PWHT，往往可以彌補在焊接過程中損失的任何時間。當然，這取決於多種因素，包括轉子尺寸、維修範圍、功能的複雜性等，因此，針對給定應用的最佳焊接修複工藝可能會有所不同，應根據具體情況進行選擇。盡管如此，LBW在許多情況下為修複表麵損壞提供了明顯的優勢，這種損壞通常會隨著時間的推移和暴露在使用條件下而發生。如果應用得當，激光焊接是修複渦輪機械軸的有效方法。該工藝在進行表麵修複時快速高效。在某些情況下，無需進行PWHT即可進行修複，從而進一步節省時間和成本。然而，為了在軸主體外部進行LBW修複，必須通過補充測試來完全驗證焊接工藝，以確保焊接修複的完整性。該測試包括拉伸測試、衝擊測試和硬度測試。雖然本文沒有廣泛討論，但疲勞測試對於聯軸器維修也至關重要。此外，ASME BPVC的第IX節需要解決這些要求以及對LBW中線材和粉末基填充金屬輸送之間差異的認識，以確保這些做法符合行業標準。
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