32500DWT散货船挂舵臂铸钢件焊接裂纹修复

[摘 要]本文通过介绍船厂处理32500DWT散货船挂舵臂铸钢件与船体外板焊缝在坞修时发现的延迟裂纹，从力学及化学性能方面分析裂纹产生的原因，给出有效的焊接工艺方案，为今后处理类似问题提供解决方法。

[关键词]挂舵臂；延迟裂纹；焊接热影响区；后热缓冷；

中图分类号：S455 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）02-0256-01

1.前言

2011年，我司为某船东建造32500DWT散货船，在坞内检查时，发现挂舵臂与船体钢板焊接处有两条细小的裂纹，本船为悬挂式舵，交船已经有1年多时间，已过了质保期。船东向船厂求助，我们根据船东提供的检查报告，分析裂纹产生的原因，并给船东和现场验船师提供详细的焊接裂纹修复工艺，同时现场指导，顺利地解决了问题。下面介绍我司对该船挂舵臂铸钢件裂纹修复所采取的工艺措施。

2.挂舵臂铸钢件焊缝裂纹概述

挂舵臂焊缝的裂纹位置见下图，在与厚度为65mm的船体外板焊接处有2条裂纹，单条裂纹长度约900mm，呈L型，深度为55mm，左右舷对称。焊缝处船体结构为高强钢的E级板，抗拉强度为490～620N/mm2，屈服应力最小值为355N/mm2。铸钢件的抗拉强度大于400N/mm2，屈服应力最小值为200N/mm2（图1）。

3.挂舵臂铸钢件裂纹产生的原因分析

经研究，我们认为此处出现的裂纹为氢致延迟裂纹，出现的原因如下：

（1）焊缝处存在较大的焊接内应力是导致裂纹的主要原因之一。由于此处铸钢件厚度较大，且铸钢件与钢板接合处截面积存在突变，加大了焊缝处的内应力。

（2）在使用过程中挂舵臂承载舵叶传来的较大的交变载荷，从而给焊缝施加了巨大的附加应力，长期处于如此恶劣的工况下工作，也是裂纹出现的原因之一。

（3）焊缝熔敷金属中存在一定量的扩散氢，是引起此处铸钢件与高强钢焊接冷裂纹的主要原因。高强钢焊接接头的含氢量越高，裂纹的敏感性越强，此类氢致裂纹具有延迟的特征。

4.挂舵臂铸钢件焊接裂纹修复工艺

4.1 修复方案的可行性分析

由于焊接裂纹发生在铸钢件与船体外板的异种材料的对接焊缝上，相比高强高，铸钢件的含碳量最高，所以我们只需要分析挂舵臂铸钢件的焊接性。

（1）铸钢件的碳当量越高，散热越快，容易形成淬硬组织，其焊缝及热影响区的淬硬倾向越大，冷裂纹敏感性也越大，也就越容易产生冷裂纹。利用国际焊接协会（IIW）提供的计算公式，根据挂舵臂的化学成分，我们计算的碳当量为Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Cu+Ni）/15=0.57%，处于高碳当量区间，必须采用特殊的焊接工艺措施。

（2）挂舵臂铸钢件厚度越大，拘束度越大。焊接时，熔池温度很高，在金属的屈服为零的情况下，熔敷金属处于自由变形状态，当焊接热源移开后，金属恢复强度时其收缩受到周围金属的限制，同时组织转变过程中又发生体积的变化，从而产生焊接残余应力。由于挂舵臂铸钢件是个整体，与之焊接的高强钢厚度为65mm，刚性非常大，焊缝冷收缩产生的内应力就集中在焊缝及热影响区内，产生冷裂纹的可能性就非常大，需要注意采取后热缓冷的工艺措施。

（3）降低焊缝的氢含量，使熔敷金属中扩散氢能快速逸出是焊缝修复的关键因素。由于应力集中部位集聚的扩散氢是形成冷裂纹的重要原因，而目前裂纹最深裂纹达到55mm，由于无法在背面施工，其坡口吸潮面积较大，加上6月份为梅雨季节，海边空气湿度大，所以防止冷裂纹的难度较大。

综上所述，挂舵臂铸钢件焊接裂纹的修复难度是非常大的，需要采取行之有效的工艺措施。

4.2 焊接裂纹修复工艺

（1）焊接材料的选用。焊接材料选用应根据母材的化学成分、力学性能、焊接性能综合考虑，对于异种钢的焊接，推荐采用与强度级别较低的母材相匹配的焊接材料，可以防止冷裂纹。此处铸钢件的强度级别较低，焊接材料的熔敷金属的重要化学成分应与铸钢件的母材相同或相近。由于挂舵臂铸钢件刚性大，并且处于受载荷状态，我们选用熔敷金属韧性和塑形较高的E5015碱性低氢焊条，采用直流反接法，相关的焊接工艺评定工作船厂已有现成的。焊条需要进行300～350℃烘干2h，尽可能减少焊条的氢含量，使用时放在保温筒内，保温筒要保持通电保温状态。

（2）气刨焊接坡口前和焊前预热。对气刨焊接坡口位置和焊接位置进行预热处理，有助于氢的逸出，减缓焊件的冷却速度，从而避免在气刨坡口及焊接时产生裂纹。预热温度应选择150～300℃，预热速率不能超过100℃/h，预热范围在焊缝两侧100～200mm以内。为方便控制预热温度和使预热均匀，采用温控仪控制的电磁加热，预热温度用点温计监测。

（3）焊接坡口制作。预热后，开始用圆形碳棒刨掉裂纹源，焊接坡口尽量做成“U”型，减少母材熔入量，且不得有尖角，以减少坡口根部应力集中。由于经过碳刨后，焊接坡口表面深度0.2mm以内含碳量会增加，对防止焊接裂纹非常不利，须用角磨砂轮磨掉坡口表面约0.4mm，同时将坡口两侧约50mm范围用砂轮打磨干净，以保证焊接质量。坡口打磨光滑后，还需做着色或者磁粉探伤，不得有裂纹或其它未清除缺陷。

（4）合理的焊接工艺。挂舵臂铸钢件裂纹较深，坡口较大，处于横焊和立焊位置，并且母材厚度大，碳當量值较高，所以采用多层焊，并适当降低线能量，提高电弧电压，限制焊道的厚度，以保证焊缝具有合理的形状系数，方便熔池中氢的逸出，减少焊缝产生偏析和裂纹倾向，避免裂纹产生。

焊接前进行一次彻底的坡口清洁，并用点温计测量预热温度在150～300℃范围内开始施焊。首先，用Φ3.2mm焊条将坡口凹坑进行补焊，使之成光滑的“U”型坡口。然后采用多层多道焊，将焊道分成若干个段（每段约200mm），进行分步焊接，并且每层焊接的起点和终点互相错开30～50mm，以减少焊接内应力，再在每段之间进行多层多段焊接熔合成整体。焊接时，左右两舷焊缝分别安排一名具有船级社II级以上的焊工，按先横焊后立焊的顺序对称施焊。焊接第一层时，用Φ3.2mm焊条小电流短弧焊（焊接电流85～125A），以减小熔池和母材熔入量，防止热裂纹，其它层用Φ4.0mm焊条较长电弧焊（焊接电流120～145A），焊接速度控制在3.0～4.0m/h。同时要注意控制层间温度不低于预热温度，预热和层间温度应在距坡口50mm处进行测量。每焊完一层后及时用锤击的方法释放应力。在焊接下一道焊缝之前，要检查并清除上一道焊缝的任何缺陷，清除所有杂质。另外，要注意从补焊区域内引弧，再快速拉伸到补焊区域的起点，正式补焊。收弧时，焊条在收弧处回旋一圈，待填满弧坑后停止焊接，避免产生弧坑裂纹。

（5）焊后的后热缓冷处理。焊后立即将焊件的全部（或局部）进行加热或保温、缓冷的工艺措施叫后热。后热不仅能清除焊接残余应力，软化组织，降低焊缝及热影响区的淬硬性，还有助于扩散氢逸出，减少裂纹倾向。根据经验，按不超过100℃/h的加热速率对修复后的焊缝进行局部加温到600～650℃（注意，不能超过铸钢件生产厂家的退火最高温度），加热时间大约6小时。再按焊缝每10mm厚度保温1小时的要求，保温时间约7小时，用玻璃棉包裹焊缝区域。再进行缓冷处理，要求按不超过50℃/h的降温要求，缓冷时间约12小时，挂舵臂铸钢件冷至室温。

（6）焊后检查。挂舵臂铸钢件缓冷至室温后，对焊缝表面进行打磨，使之满足《中国造船质量标准CB/T4000-2005》。24小时后，经无损探伤检验，未发现任何缺陷。

5.结论

本船挂舵臂铸钢件裂纹修复工艺经过验船师批准，修复过程也全程受控。该裂纹的成功修复，为今后处理类似问题积累了经验。

参考文献

[1] CCS船级社.材料与焊接规范2014.

作者简介

许咏斌（1974-），男，工程师，从事船舶设计制造行业19年。