船用鑄鋼件裂紋修復工藝

郭華　楊昌逢

摘 要：本文根據加拿大180 000 DWT 散貨船在運營過程中由于復雜的工作環境，導致舵銷鑄鋼件與舵板焊縫產生裂紋，根據裂紋具體情況提出行之有效的修復工藝方案。

關鍵詞：船用鑄鋼件;舵板裂紋;修復焊接

1 焊接裂紋種類和原因

1.1 焊接裂紋種類

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

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

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

1.2 冷裂紋形成原因

1）鑄鋼件的化學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成分，當鑄鋼淬硬傾向較大時，在快速冷卻下就會出現片狀馬氏體，而且片內有平行狀的孿晶，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：對于重要的焊接結構，焊接線能量的控制特別嚴格。線能量過大，會引起熱影響區過熱使晶粒粗大，導致粗晶區變大，降低焊縫的抗裂性能;而線能量過小則會降低冷卻時間，使熱影響區淬硬，也不利于氫的逸出，增加了冷裂傾向。因此，制定焊接工藝時選擇合理的焊接線能量，并在施工時嚴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，奧氏體相變為鐵素體卻引起氫的溶解度急劇降低。此時氫極力逸出，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。當氫的濃度足夠高時，將產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，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）預熱溫度與層間溫度的控制對冷裂紋形成的影響：合理的預熱可以有效的防治冷裂紋。預熱溫度不能過高，過高導致勞動條件惡化，無形中增加成本;另一方面局部過熱會產生附近應力，反而會加劇冷裂紋的產生。因此在焊接前對焊縫兩側各300mm范圍采用加熱器或火焰進行預熱并覆蓋防火巖棉，預熱時必須緩慢且均勻（約50～100oC/h），溫度控制在120～200oC以避免出現裂紋和變形。可采用電腦或者選派專人用測溫儀對溫度進行控制。

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，應立即通過電加熱器或火焰將焊縫區域加熱到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。

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

2 舵板焊縫裂紋修理工藝方案

2.1 焊前準備

1）為了保證焊接質量將舵板拆下后運車間內，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裂紋，須對整條對接焊縫進行PT（或者MT），確認裂縫長度范圍。

3）用碳弧氣刨的方法消去裂紋，氣刨前預熱至150℃-180℃，使用自動溫控電加熱裝置加熱，有效加熱范圍保持焊縫兩側各300mm的寬度。并在整個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）打磨好后進行PT著色探傷，確定裂紋完全消除。（向船東、船檢報檢）

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熱至150℃-180℃，使用自動溫控電加熱裝置加熱，有效加熱范圍保持焊縫兩側各300mm的寬度。并在整個焊接過程中保持此溫度，預熱可以使焊接接頭分布均勻，減少焊縫的應力，降低焊接接頭和熱影響區的淬硬傾向，防止產生冷裂紋。

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

4）焊接規范參數見下圖，單條焊道寬度10-12mm，厚度小于3mm。

5）為了減少焊接殘余應力，應盡量采用逐段退焊法施焊，每段長300mm。

6）在焊接過程中應注意保證填滿弧坑和確保接頭處有良好焊縫成型，因為熱裂紋容易出現在未填滿的弧坑。

7）蓋面層焊完后，應再加焊一層（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，防止在熱處理時因應力集中而出現裂紋。

2.3焊后處理（依據焊評）

1）焊后必須進行后熱處理。應在焊接完成后立即將構件加熱到300～350℃，溫控曲線應符合熱處理規范，升、降溫速度≤50℃/小時，保溫時間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，不應有咬邊出現。

3）熱處理結束48小時后，再進行100%UT和100%MT。

3 結語

總結該型遠洋散貨船舵板鑄鋼件焊縫裂紋修復的成功經驗是，為預防在焊接過程中產生裂紋，應注意控制焊前溫度，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，以及焊接規范參數。

參考文獻

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