齒輪襯套裂紋焊補修復工藝及應用

沈江龍　葛文華　馬險峰　黃崗　李健

(1. 南通迪施有限公司　南通　226003)

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原創

齒輪襯套裂紋焊補修復工藝及應用

沈江龍1葛文華1馬險峰1黃崗1李健1

(1. 南通迪施有限公司南通226003)

基于某型近海自升式海洋鉆井平臺，針對其齒輪齒條式提升系統的齒輪襯套與齒輪箱安裝座基礎焊接后出現的大量裂紋，研究了A487鑄鋼材料特性，制定了1套以生鐵焊接技術為核心，溫度把控為關鍵的齒輪襯套裂紋修復工藝。試驗及實際應用結果表明，該修復工藝是科學的。該修復工藝已成功應用于某型自升式海洋鉆井平臺，并可應用于其他領域。

自升式海洋鉆井平臺提升系統齒輪襯套A487鑄鋼焊接技術

0　引言

自升式鉆井平臺的關鍵部分—齒輪箱安裝座基礎及支撐結構的焊接難度最大，主要是因為其中的主板EQ56板材為全進口的高強度調質鋼板，齒輪襯套為A487高強度承壓鑄鋼，焊接要求及過程控制要求非常高。

在建造焊接施工過程中，齒輪箱安裝座基礎在與齒輪襯套焊接后出現了大量的裂紋，其中9只齒輪襯套中的貫穿裂紋就有9條之多，長度在7～16cm不等，小裂紋有數十處，而且根據船級社規范裂紋只能返修1次。

齒輪襯套出現裂紋后，生產單位對有貫穿裂紋的齒輪襯套建議報廢，但如果報廢，勢必嚴重影響建造周期，同時將影響船東及船級社對該船廠建造自升式鉆井平臺的信心，對船廠的后續接單產生重大影響。

針對齒輪襯套裂紋情況，研究人員進行了認真分析研究，論證之后制定了焊補修復工藝流程。

1　焊補工藝

1.1母材及焊材分析

ASTMA487 GRADE 4-D[1]承壓鑄鋼的材質成份見表1：

項目參數成份CSiMnPSCr占比0.270.350.660.020.0130.75成分NiMoCuAlVW占比0.710.230.040.0100.0060.018

其碳當量為：

Ceq=C+40(Mn+Cr)/360+20Ni/360

+28Mo/360=0.484

(1)

一般認為, 當材料的碳當量Ceq ≥0.45%時, 可焊性較差。材料的碳當量越高, 焊縫及熱影響區的淬硬傾向越大, 越容易產生裂紋。此外,厚度越大, 散熱越快, 越易形成淬硬組織。

經過各項分析論證，將研究人員制定的齒輪襯套裂紋補焊工藝提交給船東和船級社，并取得了認可[2-3]。

1.2去除裂紋

認真分析裂紋產生[4-8]主要原因： (1) 由于齒輪襯套在鑄造時本身就存在鑄造缺陷加大，誘發產生裂紋，如氣孔、砂眼等。在焊接過程中，這些隱蔽的缺陷隨時有可能發展成裂紋。(2) 齒輪襯套焊接于齒輪箱安裝座圓形孔中，體積大、質量重、結構復雜，焊后退火困難，難以完全驅除應力。(3) 在原有鑄造缺陷處形成嚴重的殘余應力集中現象，從而缺陷加大，誘發成為裂紋。

去除裂紋方案： (1) 去除裂紋前先磁粉(MT)探傷確認裂紋位置并標記，小裂紋直接用角磨機去除。(2) 貫穿裂紋研究裂紋走向后在裂紋前端5 mm 處打直徑為6 mm貫通止裂孔，用砂輪打磨機去除裂紋，用角磨機修整坡口，坡口內應圓滑，易于施焊。(3) 去除裂紋后MT探傷檢驗裂紋是否挖除干凈，用砂輪打磨機在坡口的補焊區周圍100 mm以上的寬度磨出金屬光澤表面。(4) 對于貫穿較大裂紋，打磨后坡口開口較大，則可以在軸套背面加上焊接面打磨光亮的墊板。(5) 用酒精將坡口及補焊區周圍清掃干凈后，方可焊接。

操作步驟如圖1所示。

圖1　操作步驟

1.3焊前準備

因為鑄鋼件的可焊性較差，必須選用有經驗的焊工進行焊接作業。焊前應作本工藝的操作練習，用焊樣證明能掌握本工藝后再對齒輪襯套進行焊接。

焊接工具應有焊接設備、尖形手錘、鋼絲刷子、手電筒、電焊條保溫筒、角磨機和測溫器等。

由于焊接過程中溫度高，做好防燙，防中暑等安全準備。應有2人以上焊接人員輪流焊接，另應配有溫度監控人員，焊縫錘擊人員。

焊材的準備：補焊使用Conarc80 Ф3.2(林肯)焊條，所有焊材(E11018)的控制、領用及保管必須嚴格按照焊材管理程序執行。

1.4預熱

焊前預熱的目的, 一方面減緩焊縫及熱影響區的冷卻速度, 從而有利于軟化影響區的纖維組織,避免焊縫及熱影響區出現淬硬組織; 另一方面在于有利于氫的逸出。

預熱溫度主要是根據母材和焊縫金屬的化學成分、板厚、接頭的拘束度及施焊時的工藝方法來進行選擇。預熱溫度越高, 防止裂紋產生的效果越好,但是超過必須的預熱溫度不僅不經濟, 而且會使熔合區附近的金屬晶粒粗化, 從而降低接頭質量。

由計算公式:

(2)

可求出預熱溫度δ=190℃。

式中:Tp為預熱溫度;Ceq為含碳量;t為板厚(mm)。焊接時, 保持層間溫度不低于預熱溫度。

預熱時將加熱片緊貼齒輪襯套修復端繞一圈進行布置，并用保溫棉在外層緊密包裹。做好電加熱片及防觸電安全保護措施。

對有裂紋齒輪襯套表面用加熱帶整體加熱至200～300℃，加熱時間不低于2.0h，達到溫度后保溫1.0h以上，焊前再降溫至150～200℃之間，降溫時間0.5～1.0h。溫度通過熱傳感器和溫度控制柜控制，溫控人員做好監測和記錄。

1. 5 焊接、層溫控制

待所有準備工作到位，溫度達到焊接要求后開始焊接，焊接過程中，焊縫層間溫度保持在170～200℃之間，每道焊之前，溫控人員都要測量溫度，并做好溫控記錄。溫度過高則等溫度降下來再焊，溫度過低則需加熱。施焊人員要掌握好施焊節奏。

每焊完一段后，在電弧熄滅的當即，焊道尚在紅熱狀態，用尖手錘似雨點般快速錘擊焊道，直至焊波消失，也就是當焊縫結晶產生拉應力時，用外力助其塑性延伸而降低熱應力，并且提高其致密性。如果動作太慢，使焊縫冷卻后再錘擊，其效果喪盡，甚至有加速硬化和破碎熔合線之害。所以趁熱快速錘擊是取得降低應力的關鍵，故其錘擊的操作應由另外一個人協助工作。并將殘渣清理干凈，這可消除應力和使焊縫組織細化，以防止產生裂紋。

在焊完1層焊縫后，尤其是母材側的焊縫，清除藥皮后應仔細檢查有無裂紋、剝離層等缺陷，發現該缺陷后立即打磨掉重焊。

在焊上層焊道時，應把下層焊道重疊一半(圖2)。焊道半重疊，可改善焊縫組織，起到退火作用，并有利于消除下層焊道的氣孔。

圖2　焊接過程

采用先焊坡口邊，后焊坡口中心，并有一定次序的定向交叉焊接，如圖2所示，這可減緩焊縫從坡口兩側向中間會合時所產生的強收縮，防止產生裂紋。

層間焊接時單層焊道厚度不超過3mm，焊完之后焊縫余高不超過母材3mm，探傷時用砂輪打磨機打磨平。

1. 6后熱及退火

后熱又稱去氫處理, 它的作用是進一步促進剩余氫從焊縫中向外擴散。對多層焊來說, 隨著后熱溫度的提高和時間的延長, 擴散氫會迅速減少。采取焊后立即用石棉布包好進行退火處理，以去除焊接應力。焊后熱處理溫度控制在580～600℃，并保溫不低于3h。 其熱處理曲線如圖3所示。

圖3　熱處理曲線

1.7探傷合格檢驗

MT探傷要求在焊后熱處理完成后48.0h進行，探傷前將焊縫表面打磨光滑，使焊縫與母材光滑過度，探傷檢查未發現裂紋。這說明, 只要采用合理的焊接工藝和焊接方法進行補焊，完全可以消除裂紋。

3　修復意義

齒輪襯套裂紋的成功焊補，避免了重大損失，克服了自升式鉆井平臺在制造過程中出現的最大困難，提高了的生產進度，增加了船東船檢對該船務公司自升式平臺制造的信心，為自升式鉆井平臺最終完工按期交付做出了重大貢獻。

4　先進性及推廣應用

應用專有生鐵焊接技術于齒輪襯套裂紋補焊，

其順序為：

(1) 綜合分析裂紋形狀結構，確定打磨坡口形式及尺寸；

(2) 分析應力分布，確定焊接形式及焊接順序；

(3) 焊接過程中適時密集的錘擊。

由于采用了科學的預熱溫度分析控制方法，因材而施，保證了焊接工藝的科學性。將高強度鋼焊接技術與專有生鐵焊接技術相結合，創造性地形成了1種獨特的高強度鋼焊接技術。

5　結語

齒輪襯套裂紋修復工藝的關鍵在于焊接材料的選擇、焊接過程，將溫度控制在相對恒定的合理區域，各工藝步驟時間節點的無余量銜接。同時，與裂紋的去除徹底、各種應力消除、焊工的素質技能等因素都密不可分。

該修復工藝已在某型自升式海洋平臺上應用，并得到可行可靠驗證。可推廣應用于其他領域，主要針對各類高強度鋼，如自升式平臺的樁腿焊接及裂紋修復。

[1] ASTM A487/A487M-D[S].美國ASTM標準一般用途承壓鑄鋼，1998.

[2] 海洋平臺建造規范[M]，美國船級社(ABS),2008.

[3] STEEL VESSELS [M]，美國船級社(ABS),2008.

[4] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].機械工業出版社，第1版，2002.

[5] 鄒增大.焊接材料、工藝及設備手冊[M].化學工業出版社，2001，8.

[6] 王成文.焊接材料手冊及工程應用案例[M].山西科學技術出版社，2004，6.

[7] 王宗杰，臧汝恒，李德元.工程材料焊接技術問答[M].機械工業出版社，2002，8.

[8] 羅誠.焊接和切割新技術新工藝與應用技術標準[M].中國科學文化出版社.