船用铸钢件裂纹修复工艺

郭华　杨昌逢

摘 要：本文根据加拿大180 000 DWT 散货船在运营过程中由于复杂的工作环境，导致舵销铸钢件与舵板焊缝产生裂纹，根据裂纹具体情况提出行之有效的修复工艺方案。

关键词：船用铸钢件;舵板裂纹;修复焊接

1 焊接裂纹种类和原因

1.1 焊接裂纹种类

1）焊趾裂纹：出现在母材与焊缝交界处，并有明显应力集中部位，裂纹走向经常与焊道平行，一般由焊趾表面开始向母材深处扩展;

2）焊缝中裂纹：经常发生在淬硬倾向较大，含氢量较高的焊接热影响区，一般情况下裂纹走向与熔合线平行;

3）焊缝根部裂纹：是延迟裂纹中表现出来的一种比较常见的形态，主要发生在含氢量较高，预热温度不足的情况下，它与焊趾裂纹相似，起源于焊缝根部应力集中最大的部位。

1.2 冷裂纹形成原因

1）铸钢件的化学成分对冷裂纹形成的影响：铸钢的淬硬倾向很大程度上取决于铸钢的化学成分，当铸钢淬硬倾向较大时，在快速冷却下就会出现片状马氏体，而且片内有平行状的孪晶，也称孪晶马氏体。它的硬度很高，性能很脆，很容易产生焊接冷裂纹。由于船用铸钢件为低碳钢，并且添加了多种微量元素，使这类钢热影响区呈低碳马氏体和自回火马氏体，有较好的塑性和韧性。因此船用铸钢件添加合理的化学成分为其具有良好的焊接性提供了保证;

2）合理的焊接工艺对于控制冷裂纹形成的作用：对于重要的焊接结构，焊接线能量的控制特别严格。线能量过大，会引起热影响区过热使晶粒粗大，导致粗晶区变大，降低焊缝的抗裂性能;而线能量过小则会降低冷却时间，使热影响区淬硬，也不利于氢的逸出，增加了冷裂倾向。因此，制定焊接工艺时选择合理的焊接线能量，并在施工时严格按照制定好的工艺施工非常重要。

3）氢和碳的含量对冷裂纹的影响：冷裂纹均发生在“高氢地带”。可见，氢对冷裂纹有十分重要的影响。在焊接高温作用下有大量的氢溶解在熔池中，而在随后的冷却和凝固过程中，奥氏体相变为铁素体却引起氢的溶解度急剧降低。此时氢极力逸出，但因冷却速度很快，氢来不及逸出而保留在焊缝金属中，从而使此处氢处于过饱和状态。当氢的浓度足够高时，将产生焊缝根部裂纹或焊趾裂纹。由于船用铸钢件的含氢量很低，所以我们选用焊材时均要为低氢型，但由于外部因素如焊接材料中的水分，焊件坡口处的铁锈、油污以及环境湿度等都是焊缝中富集氢的原因，另外往往坡口和清根用碳弧气刨开设，坡口处的碳迹必须打磨干净出白，以保证焊接处的含碳量。

4）预热温度与层间温度的控制对冷裂纹形成的影响：合理的预热可以有效的防治冷裂纹。预热温度不能过高，过高导致劳动条件恶化，无形中增加成本;另一方面局部过热会产生附近应力，反而会加剧冷裂纹的产生。因此在焊接前对焊缝两侧各300mm范围采用加热器或火焰进行预热并覆盖防火岩棉，预热时必须缓慢且均匀（约50～100oC/h），温度控制在120～200oC以避免出现裂纹和变形。可采用电脑或者选派专人用测温仪对温度进行控制。

5）焊后热处理对冷裂纹形成的影响：大型铸钢件焊接完成后，应立即通过电加热器或火焰将焊缝区域加热到300～350oC并保温2h，并覆盖上防火岩棉，然后使其缓慢冷却，降温速度≤50℃/小时。

6）拘束应力对冷裂纹的影响：当焊接产生的拘束应力增大到超过临界拘束应力时，就开始产生冷裂纹。焊接过程中的拘束应力主要有不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力，金属相变时产生的组织应力，相对于相变时体积变化形成的应力，结构自身拘束所造成的应力更具破坏性。

2 舵板焊缝裂纹修理工艺方案

2.1 焊前准备

1）为了保证焊接质量将舵板拆下后运车间内，水平垫高放置。

2）因上、下舵销铸钢件与舵板对接焊缝处出现裂纹，须对整条对接焊缝进行PT（或者MT），确认裂缝长度范围。

3）用碳弧气刨的方法消去裂纹，气刨前预热至150℃-180℃，使用自动温控电加热装置加热，有效加热范围保持焊缝两侧各300mm的宽度。并在整个气刨过程中保持此温度。

4）采用“U”型坡口槽，可以使焊接收缩率最小化，深度直至消除裂纹，底部圆弧半径大于8mm。“U”型坡口角度20°～30°并使坡口端部与焊道缓坡过渡。

5）气刨后，把坡口内表面打磨平整，打磨出白清除碳迹，清除焊槽附近表面杂物。

6）打磨好后进行PT着色探伤，确定裂纹完全消除。（向船东、船检报检）

2.2 焊接过程

1）焊接电流不易过大，焊丝选用低氢药芯CO2焊丝THY-51B（AWS E70T-1），直径1.2mm。

2）在焊接前对焊缝周围预热至150℃-180℃，使用自动温控电加热装置加热，有效加热范围保持焊缝两侧各300mm的宽度。并在整个焊接过程中保持此温度，预热可以使焊接接头分布均匀，减少焊缝的应力，降低焊接接头和热影响区的淬硬倾向，防止产生冷裂纹。

3）采用多层多道的焊接方法，每道焊缝焊完后应轻敲击以释放应力（注：第一道焊和最后一道焊不能敲击，同时保证整个过程中，层间温度保证在150-180℃（测量点见图一）。

4）焊接规范参数见下图，单条焊道宽度10-12mm，厚度小于3mm。

5）为了减少焊接残余应力，应尽量采用逐段退焊法施焊，每段长300mm。

6）在焊接过程中应注意保证填满弧坑和确保接头处有良好焊缝成型，因为热裂紋容易出现在未填满的弧坑。

7）盖面层焊完后，应再加焊一层（表层退火层），退火层焊完后要求把焊缝上下焊趾与母材连接部位打磨光顺，消除咬边缺陷，防止在热处理时因应力集中而出现裂纹。

2.3焊后处理（依据焊评）

1）焊后必须进行后热处理。应在焊接完成后立即将构件加热到300～350℃，温控曲线应符合热处理规范，升、降温速度≤50℃/小时，保温时间2.5分钟/mm的要求。

2）后热处理完毕，焊缝完全冷却后打磨去除表层退火层，并使上下焊趾处圆滑过渡，不应有咬边出现。

3）热处理结束48小时后，再进行100%UT和100%MT。

3 结语

总结该型远洋散货船舵板铸钢件焊缝裂纹修复的成功经验是，为预防在焊接过程中产生裂纹，应注意控制焊前温度，焊接过程中保持层间温度，焊后保温，温度升降速度不能过快，以及焊接规范参数。

参考文献

[1]齐伟;周华方;沈忠;李小燕;浅析船用铸钢件缺陷的焊补工艺[J];金属加工（热加工）;2019年01期