船用鑄鋼件裂紋修復(fù)工藝

郭華　楊昌逢

摘 要：本文根據(jù)加拿大180 000 DWT 散貨船在運(yùn)營過程中由于復(fù)雜的工作環(huán)境，導(dǎo)致舵銷鑄鋼件與舵板焊縫產(chǎn)生裂紋，根據(jù)裂紋具體情況提出行之有效的修復(fù)工藝方案。

關(guān)鍵詞：船用鑄鋼件;舵板裂紋;修復(fù)焊接

1 焊接裂紋種類和原因

1.1 焊接裂紋種類

1）焊趾裂紋：出現(xiàn)在母材與焊縫交界處，并有明顯應(yīng)力集中部位，裂紋走向經(jīng)常與焊道平行，一般由焊趾表面開始向母材深處擴(kuò)展;

2）焊縫中裂紋：經(jīng)常發(fā)生在淬硬傾向較大，含氫量較高的焊接熱影響區(qū)，一般情況下裂紋走向與熔合線平行;

3）焊縫根部裂紋：是延遲裂紋中表現(xiàn)出來的一種比較常見的形態(tài)，主要發(fā)生在含氫量較高，預(yù)熱溫度不足的情況下，它與焊趾裂紋相似，起源于焊縫根部應(yīng)力集中最大的部位。

1.2 冷裂紋形成原因

1）鑄鋼件的化學(xué)成分對冷裂紋形成的影響：鑄鋼的淬硬傾向很大程度上取決于鑄鋼的化學(xué)成分，當(dāng)鑄鋼淬硬傾向較大時(shí)，在快速冷卻下就會出現(xiàn)片狀馬氏體，而且片內(nèi)有平行狀的孿晶，也稱孿晶馬氏體。它的硬度很高，性能很脆，很容易產(chǎn)生焊接冷裂紋。由于船用鑄鋼件為低碳鋼，并且添加了多種微量元素，使這類鋼熱影響區(qū)呈低碳馬氏體和自回火馬氏體，有較好的塑性和韌性。因此船用鑄鋼件添加合理的化學(xué)成分為其具有良好的焊接性提供了保證;

2）合理的焊接工藝對于控制冷裂紋形成的作用：對于重要的焊接結(jié)構(gòu)，焊接線能量的控制特別嚴(yán)格。線能量過大，會引起熱影響區(qū)過熱使晶粒粗大，導(dǎo)致粗晶區(qū)變大，降低焊縫的抗裂性能;而線能量過小則會降低冷卻時(shí)間，使熱影響區(qū)淬硬，也不利于氫的逸出，增加了冷裂傾向。因此，制定焊接工藝時(shí)選擇合理的焊接線能量，并在施工時(shí)嚴(yán)格按照制定好的工藝施工非常重要。

3）氫和碳的含量對冷裂紋的影響：冷裂紋均發(fā)生在“高氫地帶”。可見，氫對冷裂紋有十分重要的影響。在焊接高溫作用下有大量的氫溶解在熔池中，而在隨后的冷卻和凝固過程中，奧氏體相變?yōu)殍F素體卻引起氫的溶解度急劇降低。此時(shí)氫極力逸出，但因冷卻速度很快，氫來不及逸出而保留在焊縫金屬中，從而使此處氫處于過飽和狀態(tài)。當(dāng)氫的濃度足夠高時(shí)，將產(chǎn)生焊縫根部裂紋或焊趾裂紋。由于船用鑄鋼件的含氫量很低，所以我們選用焊材時(shí)均要為低氫型，但由于外部因素如焊接材料中的水分，焊件坡口處的鐵銹、油污以及環(huán)境濕度等都是焊縫中富集氫的原因，另外往往坡口和清根用碳弧氣刨開設(shè)，坡口處的碳跡必須打磨干凈出白，以保證焊接處的含碳量。

4）預(yù)熱溫度與層間溫度的控制對冷裂紋形成的影響：合理的預(yù)熱可以有效的防治冷裂紋。預(yù)熱溫度不能過高，過高導(dǎo)致勞動(dòng)條件惡化，無形中增加成本;另一方面局部過熱會產(chǎn)生附近應(yīng)力，反而會加劇冷裂紋的產(chǎn)生。因此在焊接前對焊縫兩側(cè)各300mm范圍采用加熱器或火焰進(jìn)行預(yù)熱并覆蓋防火巖棉，預(yù)熱時(shí)必須緩慢且均勻（約50～100oC/h），溫度控制在120～200oC以避免出現(xiàn)裂紋和變形。可采用電腦或者選派專人用測溫儀對溫度進(jìn)行控制。

5）焊后熱處理對冷裂紋形成的影響：大型鑄鋼件焊接完成后，應(yīng)立即通過電加熱器或火焰將焊縫區(qū)域加熱到300～350oC并保溫2h，并覆蓋上防火巖棉，然后使其緩慢冷卻，降溫速度≤50℃/小時(shí)。

6）拘束應(yīng)力對冷裂紋的影響：當(dāng)焊接產(chǎn)生的拘束應(yīng)力增大到超過臨界拘束應(yīng)力時(shí)，就開始產(chǎn)生冷裂紋。焊接過程中的拘束應(yīng)力主要有不均勻加熱及冷卻過程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，金屬相變時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力，相對于相變時(shí)體積變化形成的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)自身拘束所造成的應(yīng)力更具破壞性。

2 舵板焊縫裂紋修理工藝方案

2.1 焊前準(zhǔn)備

1）為了保證焊接質(zhì)量將舵板拆下后運(yùn)車間內(nèi)，水平墊高放置。

2）因上、下舵銷鑄鋼件與舵板對接焊縫處出現(xiàn)裂紋，須對整條對接焊縫進(jìn)行PT（或者M(jìn)T），確認(rèn)裂縫長度范圍。

3）用碳弧氣刨的方法消去裂紋，氣刨前預(yù)熱至150℃-180℃，使用自動(dòng)溫控電加熱裝置加熱，有效加熱范圍保持焊縫兩側(cè)各300mm的寬度。并在整個(gè)氣刨過程中保持此溫度。

4）采用“U”型坡口槽，可以使焊接收縮率最小化，深度直至消除裂紋，底部圓弧半徑大于8mm。“U”型坡口角度20°～30°并使坡口端部與焊道緩坡過渡。

5）氣刨后，把坡口內(nèi)表面打磨平整，打磨出白清除碳跡，清除焊槽附近表面雜物。

6）打磨好后進(jìn)行PT著色探傷，確定裂紋完全消除。（向船東、船檢報(bào)檢）

2.2 焊接過程

1）焊接電流不易過大，焊絲選用低氫藥芯CO2焊絲THY-51B（AWS E70T-1），直徑1.2mm。

2）在焊接前對焊縫周圍預(yù)熱至150℃-180℃，使用自動(dòng)溫控電加熱裝置加熱，有效加熱范圍保持焊縫兩側(cè)各300mm的寬度。并在整個(gè)焊接過程中保持此溫度，預(yù)熱可以使焊接接頭分布均勻，減少焊縫的應(yīng)力，降低焊接接頭和熱影響區(qū)的淬硬傾向，防止產(chǎn)生冷裂紋。

3）采用多層多道的焊接方法，每道焊縫焊完后應(yīng)輕敲擊以釋放應(yīng)力（注：第一道焊和最后一道焊不能敲擊，同時(shí)保證整個(gè)過程中，層間溫度保證在150-180℃（測量點(diǎn)見圖一）。

4）焊接規(guī)范參數(shù)見下圖，單條焊道寬度10-12mm，厚度小于3mm。

5）為了減少焊接殘余應(yīng)力，應(yīng)盡量采用逐段退焊法施焊，每段長300mm。

6）在焊接過程中應(yīng)注意保證填滿弧坑和確保接頭處有良好焊縫成型，因?yàn)闊崃鸭y容易出現(xiàn)在未填滿的弧坑。

7）蓋面層焊完后，應(yīng)再加焊一層（表層退火層），退火層焊完后要求把焊縫上下焊趾與母材連接部位打磨光順，消除咬邊缺陷，防止在熱處理時(shí)因應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋。

2.3焊后處理（依據(jù)焊評）

1）焊后必須進(jìn)行后熱處理。應(yīng)在焊接完成后立即將構(gòu)件加熱到300～350℃，溫控曲線應(yīng)符合熱處理規(guī)范，升、降溫速度≤50℃/小時(shí)，保溫時(shí)間2.5分鐘/mm的要求。

2）后熱處理完畢，焊縫完全冷卻后打磨去除表層退火層，并使上下焊趾處圓滑過渡，不應(yīng)有咬邊出現(xiàn)。

3）熱處理結(jié)束48小時(shí)后，再進(jìn)行100%UT和100%MT。

3 結(jié)語

總結(jié)該型遠(yuǎn)洋散貨船舵板鑄鋼件焊縫裂紋修復(fù)的成功經(jīng)驗(yàn)是，為預(yù)防在焊接過程中產(chǎn)生裂紋，應(yīng)注意控制焊前溫度，焊接過程中保持層間溫度，焊后保溫，溫度升降速度不能過快，以及焊接規(guī)范參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]齊偉;周華方;沈忠;李小燕;淺析船用鑄鋼件缺陷的焊補(bǔ)工藝[J];金屬加工（熱加工）;2019年01期