掛舵臂超厚鑄鋼件裂紋修復工藝和應用

王國林，楊文華

中遠海運重工有限公司 上海 200120

1 序言

近年來，隨著船舶行業的快速發展，萬箱級以上的超大型集裝箱船越來越受歡迎，而船舶的大型化也意味著掛舵臂鑄鋼件的大型化。掛舵臂鑄鋼件是支撐和懸掛舵結構的關鍵部件，也是船舶上使用的重要結構部件[1]，其結構復雜，在使用過程中會受到較大的彎曲疲勞應力，容易產生裂紋，且裂紋主要出現在外表面和近表面區域。某集裝箱船在進廠修理檢查時發現掛舵臂鑄鋼件與船外板焊接接頭處出現裂紋，現場施工人員對此裂紋按照常規方法進行碳刨，但碳刨深度達到50mm后仍然無法消除裂紋，致使焊接過程無法延續。

經現場實地勘驗，協調質檢、技術部門共同確定施工方案，編寫焊接工藝，并嚴格按照工藝要求進行裂紋修復，最終高質高效地完成了焊接修復工作。

2 裂紋存在部位及裂紋走向

本工程兩處裂紋均存在于艉船殼板與掛舵臂相連的焊縫處，為左右對稱形裂紋，裂紋沿著焊縫向鑄鋼件本體斜向上延伸（見圖1）。裂紋1：長度950m m，深度最大處120m m；裂紋2：長度850mm，深度最大處180mm。裂紋處鑄鋼件本體厚度為380mm，船外板為厚45mm的E級板。

圖1 裂紋走向及裂紋存在部位

3 裂紋修復難點

兩處裂紋部位的鑄鋼件本體厚度達到了380mm，在船體鑄鋼件中屬于超厚鑄鋼件，對于該處的焊接存在如下困難。

1）鑄鋼件碳當量高，淬硬傾向大，冷裂紋敏感性大。

2）鑄鋼件晶粒粗大，存在殘余應力，焊接時如焊接材料、焊接工藝不當，則容易產生冷裂紋。

3）鑄鋼本身存在縮松和氣孔，而在電弧燃燒過程中，由于內部氣體的分解增加了熔池中氣體的成分，所以更易產生氣孔。

4）鑄鋼件厚度非常大，快速升溫困難，消除焊接應力難度大，且現場焊接非自由件，容易開裂。

5）本次修理裂紋部位的鑄鋼件厚度大，裂紋最深處達到了180mm，盡管其他工廠有鑄鋼件裂紋修復的成功經驗，但達到此厚度的鑄鋼件及此深度的裂紋修復還未有先例。

6）為不影響塢期，后期焊接作業安排在水上進行。由于正值4月份，風大且天氣冷，散熱快，因此層間溫度不容易保證，更容易產生裂紋。

綜上所述，若在整個修理過程中工藝不當或焊工沒有按照焊接工藝的要求進行焊接，在焊縫及熱影響區就會出現裂紋，從而導致整個修復過程失敗。因此，整個裂紋的修復難度非常大，采取行之有效的工藝措施顯得尤為重要[2]。

4 焊接工藝評定

裂紋修復之前，現場驗船師提出必須提供焊接工藝評定，然而國內做過大厚度鑄鋼件焊接工藝評定的船廠幾乎沒有，而且若要做焊接工藝評定試驗，鑄鋼件需要進行澆注，時間上不允許。經過和現場驗船師協商后，參考了第三方船廠的一項40mm船用鑄鋼件與高強鋼EH36對接焊縫的焊接工藝評定試驗，針對項目中ZG240-450鑄鋼件和E36板主要化學成分進行了分析（見表1、表2），按現場施工工藝要求進行焊接工藝評定。焊接參數符合焊接工藝規程的要求，嚴禁大電流焊接，從而減小焊接熱影響區。兩種焊接方法的焊接參數見表3。在該輪出廠1個月以后，同樣的裂紋出現在另一艘船舶上，我們向該輪入級的BV船級社申請了焊接工藝評定認可，嚴格按照我方施工工藝要求進行試驗，試驗結果完全符合要求。

表1 ZG240-450主要化學成分（質量分數） （%）

表2 E36板主要化學成分及碳當量 （%）

表3 焊接參數

5 裂紋修復過程

在修理過程中，決定分兩步進行：一是塢內碳刨消除裂紋，搭好外掛腳手架，做好防風、防雨措施；二是進行水上焊接作業。

整個修復過程為：預熱→碳刨消除裂紋→緩冷到50℃以下→打磨→無損檢測（PT或MT）→預熱→焊接→焊后熱處理→無損檢測（MT及UT）。

（1）預熱 因為掛舵臂鑄鋼件碳當量高、厚度大、拘束力大，所以必須采取預熱措施來防止碳刨及焊接時產生裂紋。常規的火焰加熱此時已經不能適用，必須采用履帶式陶瓷電加熱器進行加熱，并用保溫棉進行保溫，以防止因與外界空氣接觸而造成溫差過大。為此，工廠緊急從吳江市林江焊割設備廠訂購了一只型號WSK智能程序溫度控制箱，該加熱器能同時控制12只陶瓷電加熱器，采用熱電偶溫度反饋，可以直接設定程序來控制整個預熱過程。碳刨前，先在兩邊裂紋周邊區域各覆蓋3～4片陶瓷加熱片（見圖2），預設溫度為300℃，升溫時間為0.5～1h，在此溫度進行保溫1～2h，以便使熱量向鑄鋼件本體滲透。

圖2 陶瓷加熱器覆蓋位置

（2）碳刨消除裂紋 由于裂紋深度非常大，靠打磨來去除裂紋完全不可能，所以只能通過碳刨消除裂紋源。清除過程中應盡量形成U形坡口，以減小焊縫金屬熔入量。對坡口的上下表面應盡量采用扁碳棒，以避免坡口內部形成凹凸或尖角，坡口兩端按4倍板厚進行削斜處理。在碳刨過程中，由于右側裂紋非常深，影響到后期的焊接操作，經研究后去掉了周邊一塊尺寸約為400mm×600mm的船外板，裂紋1、2消除后的焊接坡口形式如圖3所示。

圖3 裂紋1、裂紋2消除后的焊接坡口形式

（3）碳刨后打磨及無損檢測 碳刨后，坡口表面附著的一層高碳晶粒（滲碳層）是產生裂紋的致命缺陷，因此必須采用角向砂輪打磨清除掉熔渣與滲碳層。但如采用風動砂輪，產生的冷風不僅會造成坡口表面溫度的急劇降低而使得坡口內部出現新的裂紋，而且常規的MT和PT都必須處于常溫下才能進行，因此必須先以50℃/h的速度緩冷到50℃以下，在坡口打磨光順后再進行PT或MT檢測，以確保裂紋徹底消除。

（4）鑄鋼件裂紋的焊接修復過程 由于整個焊接過程在水上進行，為保證鑄鋼件焊接時不受風力的影響，在船舶出塢前已經搭好了外掛腳手架，采用雙層彩塑布完成豎向與頂部風雨屏蔽，腳手架上鋪上保溫棉，確保作業區域免受外界環境干擾。

焊前采用電加熱器對焊接坡口周圍進行預熱，兩邊焊縫坡口表面及上下區域各覆蓋4～5片陶瓷加熱片，預設溫度為300℃，在此溫度保溫1～2h，以便熱量向母材內部傳遞，使得坡口內側溫度盡量與表面溫度接近。預熱溫度達到后，去掉坡口表面的加熱陶瓷片，立即對兩處裂紋區域同時進行焊接。為防止熱量散發，在整個焊接過程中，坡口附近的陶瓷加熱片一直處于300℃保溫狀態。由于坡口非常深，CO2氣體保護焊焊槍無法深入操作，故采用焊條電弧焊進行施焊。采用低氫型焊條J507，焊條必須經過350℃烘焙2h，并放置在100℃的保溫筒內使用。

焊接過程中為避免坡口內的凹坑可能產生夾渣、未熔合等焊接缺陷，首先應采用φ3.2m m的焊條在坡口內進行一次打底焊（見表4中的焊接步驟2），以形成較為平順的焊接坡口，然后采用φ4.0mm或φ5.0mm的焊條進行多層多道焊接。施焊時，第二道焊道應該覆蓋第一道焊道的1/3～1/2寬度。由于堆焊層多（右側最終焊道數約為550道），焊縫內易產生較大的收縮應力，所以盡量使每一層的施焊順序以及施焊方向如圖4所示。每焊完一道焊縫，用風鏟進行振動清渣，在清渣的同時通過振動擊打焊縫表面，可消除部分焊接應力。在整個施焊過程中，使用點溫計對焊道間的溫度進行測量，確保層間溫度≥150℃。由于現場溫度非常高，保溫棉散發的氣體對人體有害，故現場操作的焊工應每小時進行一次輪班，且戴好防毒口罩。

圖4 每一層的施焊方向及堆焊順序

表4 鑄鋼件裂紋修復細則

6 焊后熱處理

對焊接修復區域的焊縫進行焊后熱處理，可使焊縫金屬中擴散氫逸出，并可清除殘余應力，軟化組織，降低焊縫及熱影響區的淬硬性，對防止產生延遲裂紋非常有效。焊接完畢后，立即采用陶瓷加熱器及保溫棉將焊接區域包裹嚴實，進行焊后熱處理。該處的焊后熱處理溫度參照了CCS船級社《材料與焊接規范》2014版中的要求，采用電加熱器，從焊后300℃以50℃/h的升溫速度升到600～650℃，在此溫度保溫4h左右（規范僅要求1～2h，但考慮到此鑄鋼件的厚度，為了使溫度向母材內部滲透，延長至4h），然后再以50℃/h的速度降溫到300℃后斷開電加熱器進行緩冷，約24h之后，焊接區域的溫度降到了常溫。

7 無損檢測

根據檢測構件的特點，對返修后的部位采用UT進行檢測（見圖5），檢測步驟如下。

圖5 UT檢測

1）對于A區域（外板與掛舵臂焊縫區域），可以采用橫波斜探頭在外板上進行掃查，探頭的選擇、掃查方式和掃查要求根據檢測角焊縫的技術要求進行。

2）對于B區域，鑄鋼件缺陷修復部分的檢測分兩步進行：①對近表面區域，由于選用常規探頭都存在檢測盲區，難以對近場區的缺陷檢測，因此采用雙晶縱波直探頭掃查檢測近場區的缺陷。②對鑄鋼件內部返修焊接區域缺陷的檢測，采用縱波直探頭進行檢測。由于直探頭對垂直于聲場方向的缺陷檢測最靈敏，故采用斜探頭對焊接修復區域交叉掃查。

3）為防止表面開口缺陷受力時延伸，對焊接修復及熱影響區表面進行PT或MT檢測。

4）檢測時機安排在焊接完成48h后進行。

焊接完畢后經第三方和我方無損檢測人員對該鑄鋼件裂紋修復部位進行MT和UT檢測，結果表面裂紋完全消除，且焊接修復區域未發現任何缺陷。

8 結束語

通過此次掛舵臂裂紋的修復過程，對180mm超大厚度鑄鋼件焊接工藝進行了研究和實踐，并取得了十分理想的效果，為企業贏得了信譽，也為今后承接類似鑄鋼焊接修復工程打下了堅實的技術基礎。