采用局部更換法修復船用大型鑄鋼件缺陷方法*

浙江國際海運職業技術學院 王雪峰

船用鑄鋼件一般由鎮靜鋼制成，有著良好的承壓、耐高溫、耐低溫性能，并具有可鑄性、可焊性，適用于各種大型形狀復雜部件，如機座、機架、齒輪、箱體、曲軸、首柱、尾柱、舵承、螺旋槳等，也適用于一些承壓部件，如鍋爐、氣瓶和管系閥件等，以及一些內空零件，如絞纜機卷筒等。這些大型鑄鋼零件常常是機器中的關鍵零部件或船體關鍵部件，技術條件嚴格，綜合力學性能要求高。同時，船用鑄鋼件通常較大，在制造和使用中容易產生缺陷，導致性能下降甚至功能喪失。

一、船用鑄鋼件缺陷的產生

1.制造時缺陷

首先，大型鑄鋼件采用鑄造的方式進行生產，在生產中常存在著偏折、氣泡、夾雜、欠澆、變形、裂紋等缺陷。其次，鑄鋼件在鑄造完成后，應進行退火、正火或者淬火加回火等熱處理，奧氏體鑄鋼件還需要進行固溶處理，如果熱處理不當就會導致缺陷，而船用大型鑄鋼件由于體積和質量的限制，熱處理的難度增加，更易產生缺陷。最后，表面處理不當、開孔安裝等造成應力集中，在某種情況下也會產生缺陷。

2.使用中產生缺陷

船用大型鑄鋼件形狀復雜，在使用過程中應力集中嚴重，極易產生裂紋等缺陷。大型鑄鋼件又通常為重要受力構件，長期使用后不可避免會出現疲勞，在過載狀態下，疲勞更易發生。同時某些鑄鋼件還會因工作環境惡劣而被磨損、腐蝕等。

3.事故導致缺陷

船舶鑄鋼件如柴油機的機座、機架、曲軸、錨鏈孔等常常因機械事故受損。由于船舶處于特殊的工作環境，碰撞、擱淺等事故無法完全避免，首柱、尾柱、軸系、螺旋槳等也會因此產生變形、裂紋、斷裂等缺陷。

二、局部更換法在修復大型船用鑄鋼件局部缺陷中的應用

1.局部更換法修復船用鑄鋼件缺陷的程序

局部更換法堆焊是大型鑄鋼件缺陷修復的一種實用技術。該技術是根據母件損壞的程度和強度、精度要求，將鑄鋼件缺陷進行部分更換，即先對母件缺陷的位置、大小形狀、強度、密封性等分別充分評估，確定母件缺陷的機加工范圍和方法，確定子件的材質、焊接方法和缺陷防止方法、后處理方法等，然后對母件及子件進行機加工，根據母件焊接面的要求加工子件，最后進行局部拼鑲焊接。

首先，要進行焊接物理化學變化、保證焊縫和母件成分的一致性研究。通過實驗分析金屬的化學成分對鑄鋼組織和力學性能影響，充分考慮母件、子件及焊材的成分，考慮其是否具有可焊性，焊接后對其成分和性能尤其是母件的性能影響。

其次，母件缺陷的去除必須遵循適當部位、適量去除、適合焊接原則。在采用刨床、鉆床、手砂輪等工具去除缺陷時，應該完全去除缺陷，又不能去除太多沒有缺陷的部位，以免造成損失，增加修復難度，同時要避免因去除缺陷而造成新的缺陷。如果使用氧乙炔焰去除缺陷，還要注意防止局部溫度過高，以免造成保留區域金屬發生變化。缺陷去除區域應具有可達性，防止因位置不利影響焊接質量。

再次，子件的制作要適應母件的要求。子件的形狀應盡量與母件缺陷割除區形狀吻合，如果的確無法實現吻合，應將可能產生的不吻合放在不影響母件性能的部位，如果修復后不能完全恢復母件性能，則可以改變子件形狀以增強母件性能，但是這種改變不應干涉母件與其他零部件的配合間隙和安裝位置要求。

最后，要注意焊接質量控制和焊接后處理。在焊接時正確選擇焊材和焊接工藝條件，配合一些工藝措施，如預熱、緩冷、加冷卻勢板、控制層間溫度等；防止有害氣體侵入液體金屬，以及造成氣孔、夾渣之類的缺陷；控制輸入能量，減少成分偏析和結晶形態對熱裂紋敏感性影響。焊接完成后，焊縫需要清潔、防腐，有些焊接區域還要進行熱處理。

2.焊接工藝選擇及焊接缺陷防止

船用鑄鋼件修復時常采用手工焊條電弧焊和CO2氣體保護焊。前者操作簡便靈活，需要的輔助設備少，適用于平焊、立焊和仰焊等各種空間位置的焊接，對于形狀復雜的鑄鋼件缺陷修理，優越性更為突出。但是焊接時需要清渣及換焊條，熔敷速度比較低，而且焊縫質量很大程度上依賴于焊工的技術水平。

對于大型鑄鋼件的缺陷，由于需要焊接的焊縫較長及較深，相比手工焊條電弧焊來說，CO2氣體保護焊可以節約焊絲、節省工時。[1]更重要的是，在進行多層堆焊時，CO2氣體保護焊的焊渣較薄，施焊過程中一般不需要層間清渣，焊接質量相比手工電弧焊而言更有保證。但是在施焊過程中要注意氣體對焊縫的保護以及控制焊接熱量輸入等。

鑄鋼件局部更換法堆焊修復過程中要盡量防止和減少缺陷的產生。首先，要進行工藝分析、材料復驗、焊接工藝評定、焊接試驗、工藝規程編制、設備工裝配套等技術準備過程，以避免焊接對于母件的焊接區產生不利影響。其次，在施焊前要做好焊材烘干、被焊部位清理、預熱等準備工作；為了減小焊接變形，要研究變形的種類、方式、方向及程度，充分考慮焊縫形式、坡口、長短及布置方式，焊接方法，焊接順序，焊接工藝參數（電流、電壓、焊接速度）等，制定出控制與防止焊接變形的措施和方法；施焊時要按規定的焊接順序進行焊接，盡量避免產生氣孔、夾渣、熱裂紋等不良影響。最后，焊接后要進行質量檢驗，焊縫不合格或變形超過規定的應按要求進行返修、整形；[2]焊接完成后，要進行消氫處理、消除應力退火、振動時效處理、焊趾修磨、噴丸強化等。

三、采用局部更換法堆焊修復船用鑄鋼件缺陷實例

某船一臺G250柴油機發生一起飛車事故，第三缸連桿螺栓斷裂，連桿伸腿，導致右側機座出現裂紋，左側曲軸箱道門下邊緣被連桿打擊變形并裂開。經觀察與測試，機座整體未出現變形，右側機座裂紋對柴油機運行不會構成重要影響，所以機座裂紋處采用手工焊條電弧焊堆焊修復（見圖1，由于主材焊接性能不好，焊接位置不利，只能立焊，且限于船員施焊水平，焊瘤非常明顯），修復后使用沒有出現異常情況。

而道門處的裂紋因為涉及密封問題修復就復雜很多。首先采取氧乙炔焰加熱，再用木柄圓頭手錘敲擊矯正，考慮到材料是鑄鋼，一般而言不得敲擊，[3]所以錘擊力度不能太大，而鑄鋼本身就不易被整形，加上該處鑄鋼厚度達27 mm，所以整形后沒有恢復原樣，裂紋前側邊（從飛輪端看）比后側邊向外凸出約3 mm，且裂紋恰好在道門螺栓孔處（見圖2），所以該螺栓無法安裝。因此，焊接后盡管采用打磨焊縫前側比后側凸出的部分、加厚道門蓋墊床，以及在結合面涂密封膠等措施，依然無法保持密封性，使用過程中一直滲漏滑油，經研究決定采取局部更換法修復。

首先用氣割割除變形部分，為了修理方便，將其割成15 cm×25 cm長方形（見圖3）。鑒于該處鋼板厚度達27 mm，所以在兩面打60°坡口，為便于施焊，外側坡口深度較大，約為18 mm。限于船上沒有相同材質的鋼板，選用碳素結構鋼熱軋厚鋼板45，厚度為25 mm，保持外側表面一齊，與母件厚度相差2 mm在里側（見圖4），以不影響外側道門蓋密封。采用手工焊條電弧焊焊接，選擇的焊材為E5016，規格為φ3.2和φ4.0。

按國際焊接學會推薦的碳當量計算公式：Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15 （%）及ZG270-500、45鋼和焊材E5016的化學成分（見表1），計算得知：ZG270-500含碳量為0.66%，45鋼含碳量為0.61%，二者含碳量相差不多，含碳量對于焊接過渡區的性能改變不至太大。但它們都屬于中碳鋼，焊接性能不太好，焊接時容易淬硬（Ceq＞0.4%），[4]焊前需要預熱。可是由于機架太大，無法整體加熱，所以使用氧乙炔焰對道門焊接區進行較大范圍預熱，再對焊縫周圍加熱至250～300 ℃，并盡力保持區域溫度變化不大。焊材E5016含碳量較低，為0.27%，在焊接時可以產生較好的過渡區韌性，防止出現熱裂傾向，但是在焊接前要烘干。船舶沒有保溫箱，提前2 h使用氧乙炔焰加熱至約300 ℃，用石棉布覆蓋，防止溫度降低過快。因為所有焊接都是立焊，曲軸箱內側位置又非常不利于焊接，所以控制打底焊電流為100 A，層焊電流為130 A。

表1 母件、子件及焊材化學成分(質量分數)%

為了防止變形，先使用φ3.2焊條四角點焊固定子件，焊接時先焊底縫，再焊兩條邊縫，打底焊稍薄一些，且內外側對稱焊接，焊后用風鏟敲擊振動清渣，同時也可以消除部分應力。[5]為保證焊接質量，清渣時在對側用氧乙炔焰加熱以控制焊接區溫度，層焊時同樣如此，而且兩側層焊也交替進行。焊接完成后再使用氧乙炔焰加熱焊縫周圍至約550 ℃，然后覆蓋石棉布，使其溫度盡量緩慢下降，冷卻約10 h后用角磨砂輪磨平外側焊縫，在補板適宜處鉆孔，攻絲，重新配密封墊，裝復道門蓋試用，道門蓋密封處沒有滲漏。經過近一年的使用，道門蓋密封良好，焊接處沒有出現裂紋等現象。

四、結語

局部更換法堆焊修復有利于焊接并提高修理后的受力能力，減少因修理給鑄件帶來的不利影響，同時可以提高效率，縮短工期，節約費用。但是該技術廣泛涉及機械、鑄造、焊接、熱處理及分析測試領域，并且各工序相互聯系、相互影響，任何一道工序質量得不到保證都會直接影響到修復質量，因此，需要深入研究，并在具體的修理過程中不斷實踐。

[1]李亞江,張永喜,王娟.焊接修復技術[M].2版.北京:化學工業出版社,2008:194.

[2]中國船級社.材料與焊接規范[M].北京:人民交通出版社,2009:1-74.

[3]李偉,運新春,馬玉文.大型低合金鑄鋼件與高強船用結構鋼厚板的焊接[J].焊接技術,2010(3):30-34.

[4]孫萍,王仲鈺.ZG310-570鑄鋼與45鋼異種材料的焊接[J].電焊機,2006,36(6):68-69.

[5]周觀根,俞水其.厚鋼板和大型鑄鋼節點焊接技術研究[J].鋼結構,2004(6):50-53.