船舶铜质螺旋桨的修复技术

兰现卿，韦 玮，谭宏武，杨东民，赵 刚

（三门峡库区水文水资源局，河南 三门峡 472000）

0 引言

螺旋桨起推动船舶前进的作用，它的性能对航行影响很大。 由于黄河泥沙大，加之有暗石、涟子水或应力腐蚀等原因，经常会造成螺旋桨桨叶弯曲、裂纹、缺口等局部损坏，当损坏严重时，会丧失船舶推进性能。 因此，对螺旋桨的修复是非常必要的。

对于船用铜质螺旋桨，由于铜及铜合金导热性强，液态时具有较强的吸气性及一定的氧化性，而且高温时合金元素易被氧化、烧损（如温度在400℃～700℃时，其强度和塑性剧烈下降，脆性增加）。所以，船用铜质螺旋桨容易引起焊接裂缝及气孔等缺陷。笔者试根据多年的船舶设计、维修和管理工作等经验，对船用铜质螺旋桨的修复技术进行探讨。

1 铜质螺旋桨的焊接特点及技术

1.1 铜质螺旋桨的焊接特点

目前，制造铜质螺旋桨的材料主要有Cul(1 级锰青铜)、Cu2(2 级镍锰青铜)、Cu3（3 级镍铝青铜）、Cu4(4 级锰铝青铜)4 种类型的铜合金。 除此之外，还有GB1176 及GB818 中的几十种合金牌号的铜合金。

铜质螺旋桨的焊接特点有：（1）铜的氧化使塑性降低，并易引起裂纹。 （2）由于导热性强，对于厚大焊件，还需采用预热措施。（3）对刚性较大的焊件，易产生裂缝。 （4）合金元素的蒸发和烧损促使热裂缝、气孔以及夹渣等缺陷的产生。 （5）气孔是铜及铜合金焊接中常见的缺陷之一。若在焊缝金属凝固前，气体未能全部逸出，则会在焊缝中形成气孔。（6）铜在高温时的低强度和低塑性、过饱和氢的聚集析出等作用，是形成裂缝的主要因素。 （7）铜合金螺旋桨焊接后，在使用中有产生应力腐蚀裂纹的趋向，亦称“自裂”，原因是焊接引起残余应力的存在和热影响区快速冷却过程中脆性组织的出现。

1.2 焊接准备的技术工作

（1）清洗焊丝及焊件表面的油污和氧化物。 （2）恰当制备坡口。 坡口制备恰当与否将影响焊接质量好坏。（3）根据螺旋桨的材质、修复部位和技术要求，选择合适的焊接方法（气焊、手工电弧焊、钨极氩弧焊、溶化极氩弧焊等）。 （4）焊接材料的选择。 焊接材料必须具备良好的抗水腐蚀性能、 焊接工艺性能和一定的机械性能。

1.3 焊接过程中的技术问题

1.3.1 焊接变形的控制及定位焊

螺旋桨在焊接修复时变形大， 会影响其几何尺寸。为此，应在焊接过程中用焊接胎架固定法或反变形法控制其变形。

1.3.2 预热

（1）预热温度的确定。 根据焊接方法不同，预热温度应而有所区别。 采用气焊时，预热温度应在350℃~450℃；采用手工电弧焊时，预热温度应在200℃~300℃。 预热温度过高，容易产生过高焊流，会影响焊接质量；温度过低，熔池达不到要求，会影响焊接强度。

（2）预热方法的选择。 预热方法的正确与否，将形成两种完全相反的结果。正确的预热，能改善焊接应力分布，减少应力腐蚀开裂的危险程度，防止预热过程中裂纹进一步扩展。 反之，将造成应力集中、金属组织变坏，使预热过程中裂纹进一步扩展。通常用远红外线、焦炭、柴油等软性火焰进行加热，尽可能不用氧气、乙炔等热能量集中的热源。预热中心位置应选择在裂纹根部以外的部位，以防裂纹扩展。

1.3.3 焊接方法

裂纹及断块结补，采用分段步退焊的措施。 在分段步退过程中，采用多层焊，而步退焊的长度，以使焊缝两端不产生拉裂为宜，或根据接缝处厚度来确定。 因铜液流动性大，铜合金焊接较难实现全位置。 采取立向或横向位置时，应采用阶梯平面的焊接次序，使每一焊道处于平焊条件下，这是焊接获得成功的关键。

2 减少焊接应力变形的措施

焊接铜质螺旋桨时，在工艺上可采用以下几种方法来减小焊接应力及变形。

2.1 选择合理的装焊顺序

在许多场合下，装焊顺序对变形的影响很大。例如，在装焊工字梁时，可将下翼板和复板先装焊成T 字形，然后，将上翼板焊成工字梁，亦可将它们一起进行定位焊，直接焊成工字梁。 这两种不同装焊顺序，其结果变形完全不同。 同样，在焊接断裂铜质螺旋桨时，亦可对焊接工件的断裂部分先进行定位点焊，然后将工件固定在模具内（或加复板）。 这样在焊接过程中，刚性及焊缝到焊件中心线间距离都未发生变化， 因此两边焊缝引起的变形相互抵消，最后保持桨叶的原来状态。

2.2 选择合理的焊接顺序

合理的焊接顺序是减少焊接应力及变形最有效的方法之一。 在选择焊接顺序时，通常遵循以下原则。（1）尽可能使焊缝能自由收缩。螺旋桨较厚或焊缝较大的焊接，应从中间向四周展开。 在进行焊缝对接焊时，无论采用什么样的焊接工艺，横向收缩都会在焊缝内引起很大的应力， 甚至产生裂纹，所以应设法使它能自由收缩。 为此，可将焊缝留出一段后焊，使对接接头的橫向收缩能自由地进行，即从中间向四周焊接。（2）采用对称焊。对称的焊缝最好由成双的焊工对称地进行焊接，如在浆榖圆筒体附近进行对接焊时，为减小变形，应按对称的顺序，由两名焊工对称地焊接。（3）采用不同焊接顺序。在焊接较长焊缝时，可采用逐步退焊法、分中逐步退焊法、跳焊法、交替焊法；对中等长度的焊缝，可采用分中对称焊法。 一般退焊法和跳焊法每段焊缝长度100～350 mm（较大螺旋桨）较为适宜。 交替焊法因工作位置移动次数太多，故较少采用。

2.3 采取合理的防变形方法

2.3.1 反变形法

反变形法就是焊前给予焊件一个与焊后方向相反的变形，以此来减少焊件的变形。 实践表明，这种方法是切实可行的。

2.3.2 刚性固定法

刚性固定法是采用强制的手段来减小焊后变形的焊接方法。 在焊接薄板时，为了减少它的变形，多用这种方法。

2.3.3 敲击法

用手锤或风锤敲击焊缝金属，能促使金属的塑性变形，从而使焊接应力及变形减小。 敲击时，必须做到要均匀，防止在桨叶表面形成凸凹现象。 如果桨叶表面不光滑，会影响螺旋桨的过水量。

2.3.4 冷却法

将容易散热的物体放置在焊接区域的周围，使焊件迅速冷却，以减小焊接受热区域，变形会因之减小。冷却方法有多种，有时可将焊缝四周的焊件都浸在水中。

2.3.5 预热法

把焊件预先加热到一定的温度 （一般150℃～350℃），然后再焊接。 预热的目的是使焊接部分金属和周围基本金属的温度差比较接近，可以均匀的同时冷却，以减少焊件的内应力。 对于易裂的焊接材料及修补刚性较大的焊件的裂缝，通常应用此法。

2.3.6 回火法

对焊接结构进行回火处理，是消除内应力最好的一种方法。回火温度一般在500℃～600℃左右。 在这种温度下，金属的屈服极限已经降低到最低值，金属具有很大的塑性，原有的内应力在产生了一定的塑性变形后就会完全消失。 但在进行这种工作时，要注意结构的均匀加热和冷却，否则可能引起更严重的应力。 大构件的加热速度不应超过25～60℃/h，冷却时，应随炉一起冷却到50℃左右，才可以从炉内取出。

3 桨叶的弯曲矫正

3.1 弯曲矫正方法

桨叶的弯曲矫正方法可分为锤击动载法和用千斤顶压重载等缓慢矫正法。根据加热状态，又可分为动载冷态矫正法和动载热态矫正法。 动载冷态矫正法温度小于200℃，能防止击伤叶面，适用于桨叶边缘弯曲部位厚度小于20 mm 时的矫正，但其工作量大。 动载热态矫正法相应的工作量小，速度快，但需保证高温均衡，温度需保持在550℃～760℃，并且此方法修复的桨叶容易发脆，需要二次回火。

3.2 弯曲矫正注意事项

（1）动载冷态矫正法可在任何希望的温度下使用。 但是，经过压力矫正后的螺旋桨，应进行热处理，以消除内应力。 （2）动载热态矫正法一般需要加热到铜合金的再结晶温度以上，用此法矫正应注意温度的变化，矫正必须在金属透明状态下或锤击时没有清脆的金属声。（3）经过焊补、矫正修复的螺旋桨，一般应进行校正，测量螺距直径，并进行静平衡试验，以便保证螺旋桨的修复质量。

4 结语

由于黄河含泥沙量大，在水文测量工作中，机动测量船舶的螺旋桨容易损坏。 若能及时对损坏的螺旋桨进行修复，不仅可以减少测船的停泊时间，提高其工作效率，还可以减少测船的运行费用。 在对船用铜质螺旋桨进行焊接修复时，可以通过选择合理的装焊顺序、焊接顺序和采取相应的技术措施，来减少焊接应力变形，从而快速、高质量地完成修复工作。

[1] 席龙飞，冯恩德. 船舶设计基础[M]. 武汉：武汉造船工程学会编辑部，1985：289-407.

[2] 《焊接技术》编写组. 焊接技术[M]. 北京：国防工业出版社，1975：192-258.

[3] 张振家. 船舶原理[M]. 北京：国防工业出版社，1988：135-177.