船舶銅質(zhì)螺旋槳的修復(fù)技術(shù)

蘭現(xiàn)卿，韋 瑋，譚宏武，楊東民，趙 剛

（三門峽庫區(qū)水文水資源局，河南 三門峽 472000）

0 引言

螺旋槳起推動(dòng)船舶前進(jìn)的作用，它的性能對(duì)航行影響很大。 由于黃河泥沙大，加之有暗石、漣子水或應(yīng)力腐蝕等原因，經(jīng)常會(huì)造成螺旋槳槳葉彎曲、裂紋、缺口等局部損壞，當(dāng)損壞嚴(yán)重時(shí)，會(huì)喪失船舶推進(jìn)性能。 因此，對(duì)螺旋槳的修復(fù)是非常必要的。

對(duì)于船用銅質(zhì)螺旋槳，由于銅及銅合金導(dǎo)熱性強(qiáng)，液態(tài)時(shí)具有較強(qiáng)的吸氣性及一定的氧化性，而且高溫時(shí)合金元素易被氧化、燒損（如溫度在400℃～700℃時(shí)，其強(qiáng)度和塑性劇烈下降，脆性增加）。所以，船用銅質(zhì)螺旋槳容易引起焊接裂縫及氣孔等缺陷。筆者試根據(jù)多年的船舶設(shè)計(jì)、維修和管理工作等經(jīng)驗(yàn)，對(duì)船用銅質(zhì)螺旋槳的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行探討。

1 銅質(zhì)螺旋槳的焊接特點(diǎn)及技術(shù)

1.1 銅質(zhì)螺旋槳的焊接特點(diǎn)

目前，制造銅質(zhì)螺旋槳的材料主要有Cul(1 級(jí)錳青銅)、Cu2(2 級(jí)鎳錳青銅)、Cu3（3 級(jí)鎳鋁青銅）、Cu4(4 級(jí)錳鋁青銅)4 種類型的銅合金。 除此之外，還有GB1176 及GB818 中的幾十種合金牌號(hào)的銅合金。

銅質(zhì)螺旋槳的焊接特點(diǎn)有：（1）銅的氧化使塑性降低，并易引起裂紋。 （2）由于導(dǎo)熱性強(qiáng)，對(duì)于厚大焊件，還需采用預(yù)熱措施。（3）對(duì)剛性較大的焊件，易產(chǎn)生裂縫。 （4）合金元素的蒸發(fā)和燒損促使熱裂縫、氣孔以及夾渣等缺陷的產(chǎn)生。 （5）氣孔是銅及銅合金焊接中常見的缺陷之一。若在焊縫金屬凝固前，氣體未能全部逸出，則會(huì)在焊縫中形成氣孔。（6）銅在高溫時(shí)的低強(qiáng)度和低塑性、過飽和氫的聚集析出等作用，是形成裂縫的主要因素。 （7）銅合金螺旋槳焊接后，在使用中有產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的趨向，亦稱“自裂”，原因是焊接引起殘余應(yīng)力的存在和熱影響區(qū)快速冷卻過程中脆性組織的出現(xiàn)。

1.2 焊接準(zhǔn)備的技術(shù)工作

（1）清洗焊絲及焊件表面的油污和氧化物。 （2）恰當(dāng)制備坡口。 坡口制備恰當(dāng)與否將影響焊接質(zhì)量好壞。（3）根據(jù)螺旋槳的材質(zhì)、修復(fù)部位和技術(shù)要求，選擇合適的焊接方法（氣焊、手工電弧焊、鎢極氬弧焊、溶化極氬弧焊等）。 （4）焊接材料的選擇。 焊接材料必須具備良好的抗水腐蝕性能、 焊接工藝性能和一定的機(jī)械性能。

1.3 焊接過程中的技術(shù)問題

1.3.1 焊接變形的控制及定位焊

螺旋槳在焊接修復(fù)時(shí)變形大， 會(huì)影響其幾何尺寸。為此，應(yīng)在焊接過程中用焊接胎架固定法或反變形法控制其變形。

1.3.2 預(yù)熱

（1）預(yù)熱溫度的確定。 根據(jù)焊接方法不同，預(yù)熱溫度應(yīng)而有所區(qū)別。 采用氣焊時(shí)，預(yù)熱溫度應(yīng)在350℃~450℃；采用手工電弧焊時(shí)，預(yù)熱溫度應(yīng)在200℃~300℃。 預(yù)熱溫度過高，容易產(chǎn)生過高焊流，會(huì)影響焊接質(zhì)量；溫度過低，熔池達(dá)不到要求，會(huì)影響焊接強(qiáng)度。

（2）預(yù)熱方法的選擇。 預(yù)熱方法的正確與否，將形成兩種完全相反的結(jié)果。正確的預(yù)熱，能改善焊接應(yīng)力分布，減少應(yīng)力腐蝕開裂的危險(xiǎn)程度，防止預(yù)熱過程中裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。 反之，將造成應(yīng)力集中、金屬組織變壞，使預(yù)熱過程中裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。通常用遠(yuǎn)紅外線、焦炭、柴油等軟性火焰進(jìn)行加熱，盡可能不用氧氣、乙炔等熱能量集中的熱源。預(yù)熱中心位置應(yīng)選擇在裂紋根部以外的部位，以防裂紋擴(kuò)展。

1.3.3 焊接方法

裂紋及斷塊結(jié)補(bǔ)，采用分段步退焊的措施。 在分段步退過程中，采用多層焊，而步退焊的長(zhǎng)度，以使焊縫兩端不產(chǎn)生拉裂為宜，或根據(jù)接縫處厚度來確定。 因銅液流動(dòng)性大，銅合金焊接較難實(shí)現(xiàn)全位置。 采取立向或橫向位置時(shí)，應(yīng)采用階梯平面的焊接次序，使每一焊道處于平焊條件下，這是焊接獲得成功的關(guān)鍵。

2 減少焊接應(yīng)力變形的措施

焊接銅質(zhì)螺旋槳時(shí)，在工藝上可采用以下幾種方法來減小焊接應(yīng)力及變形。

2.1 選擇合理的裝焊順序

在許多場(chǎng)合下，裝焊順序?qū)ψ冃蔚挠绊懞艽?。例如，在裝焊工字梁時(shí)，可將下翼板和復(fù)板先裝焊成T 字形，然后，將上翼板焊成工字梁，亦可將它們一起進(jìn)行定位焊，直接焊成工字梁。 這兩種不同裝焊順序，其結(jié)果變形完全不同。 同樣，在焊接斷裂銅質(zhì)螺旋槳時(shí)，亦可對(duì)焊接工件的斷裂部分先進(jìn)行定位點(diǎn)焊，然后將工件固定在模具內(nèi)（或加復(fù)板）。 這樣在焊接過程中，剛性及焊縫到焊件中心線間距離都未發(fā)生變化， 因此兩邊焊縫引起的變形相互抵消，最后保持槳葉的原來狀態(tài)。

2.2 選擇合理的焊接順序

合理的焊接順序是減少焊接應(yīng)力及變形最有效的方法之一。 在選擇焊接順序時(shí)，通常遵循以下原則。（1）盡可能使焊縫能自由收縮。螺旋槳較厚或焊縫較大的焊接，應(yīng)從中間向四周展開。 在進(jìn)行焊縫對(duì)接焊時(shí)，無論采用什么樣的焊接工藝，橫向收縮都會(huì)在焊縫內(nèi)引起很大的應(yīng)力， 甚至產(chǎn)生裂紋，所以應(yīng)設(shè)法使它能自由收縮。 為此，可將焊縫留出一段后焊，使對(duì)接接頭的橫向收縮能自由地進(jìn)行，即從中間向四周焊接。（2）采用對(duì)稱焊。對(duì)稱的焊縫最好由成雙的焊工對(duì)稱地進(jìn)行焊接，如在漿榖圓筒體附近進(jìn)行對(duì)接焊時(shí)，為減小變形，應(yīng)按對(duì)稱的順序，由兩名焊工對(duì)稱地焊接。（3）采用不同焊接順序。在焊接較長(zhǎng)焊縫時(shí)，可采用逐步退焊法、分中逐步退焊法、跳焊法、交替焊法；對(duì)中等長(zhǎng)度的焊縫，可采用分中對(duì)稱焊法。 一般退焊法和跳焊法每段焊縫長(zhǎng)度100～350 mm（較大螺旋槳）較為適宜。 交替焊法因工作位置移動(dòng)次數(shù)太多，故較少采用。

2.3 采取合理的防變形方法

2.3.1 反變形法

反變形法就是焊前給予焊件一個(gè)與焊后方向相反的變形，以此來減少焊件的變形。 實(shí)踐表明，這種方法是切實(shí)可行的。

2.3.2 剛性固定法

剛性固定法是采用強(qiáng)制的手段來減小焊后變形的焊接方法。 在焊接薄板時(shí)，為了減少它的變形，多用這種方法。

2.3.3 敲擊法

用手錘或風(fēng)錘敲擊焊縫金屬，能促使金屬的塑性變形，從而使焊接應(yīng)力及變形減小。 敲擊時(shí)，必須做到要均勻，防止在槳葉表面形成凸凹現(xiàn)象。 如果槳葉表面不光滑，會(huì)影響螺旋槳的過水量。

2.3.4 冷卻法

將容易散熱的物體放置在焊接區(qū)域的周圍，使焊件迅速冷卻，以減小焊接受熱區(qū)域，變形會(huì)因之減小。冷卻方法有多種，有時(shí)可將焊縫四周的焊件都浸在水中。

2.3.5 預(yù)熱法

把焊件預(yù)先加熱到一定的溫度 （一般150℃～350℃），然后再焊接。 預(yù)熱的目的是使焊接部分金屬和周圍基本金屬的溫度差比較接近，可以均勻的同時(shí)冷卻，以減少焊件的內(nèi)應(yīng)力。 對(duì)于易裂的焊接材料及修補(bǔ)剛性較大的焊件的裂縫，通常應(yīng)用此法。

2.3.6 回火法

對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行回火處理，是消除內(nèi)應(yīng)力最好的一種方法?；鼗饻囟纫话阍?00℃～600℃左右。 在這種溫度下，金屬的屈服極限已經(jīng)降低到最低值，金屬具有很大的塑性，原有的內(nèi)應(yīng)力在產(chǎn)生了一定的塑性變形后就會(huì)完全消失。 但在進(jìn)行這種工作時(shí)，要注意結(jié)構(gòu)的均勻加熱和冷卻，否則可能引起更嚴(yán)重的應(yīng)力。 大構(gòu)件的加熱速度不應(yīng)超過25～60℃/h，冷卻時(shí)，應(yīng)隨爐一起冷卻到50℃左右，才可以從爐內(nèi)取出。

3 槳葉的彎曲矯正

3.1 彎曲矯正方法

槳葉的彎曲矯正方法可分為錘擊動(dòng)載法和用千斤頂壓重載等緩慢矯正法。根據(jù)加熱狀態(tài)，又可分為動(dòng)載冷態(tài)矯正法和動(dòng)載熱態(tài)矯正法。 動(dòng)載冷態(tài)矯正法溫度小于200℃，能防止擊傷葉面，適用于槳葉邊緣彎曲部位厚度小于20 mm 時(shí)的矯正，但其工作量大。 動(dòng)載熱態(tài)矯正法相應(yīng)的工作量小，速度快，但需保證高溫均衡，溫度需保持在550℃～760℃，并且此方法修復(fù)的槳葉容易發(fā)脆，需要二次回火。

3.2 彎曲矯正注意事項(xiàng)

（1）動(dòng)載冷態(tài)矯正法可在任何希望的溫度下使用。 但是，經(jīng)過壓力矯正后的螺旋槳，應(yīng)進(jìn)行熱處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。 （2）動(dòng)載熱態(tài)矯正法一般需要加熱到銅合金的再結(jié)晶溫度以上，用此法矯正應(yīng)注意溫度的變化，矯正必須在金屬透明狀態(tài)下或錘擊時(shí)沒有清脆的金屬聲。（3）經(jīng)過焊補(bǔ)、矯正修復(fù)的螺旋槳，一般應(yīng)進(jìn)行校正，測(cè)量螺距直徑，并進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)，以便保證螺旋槳的修復(fù)質(zhì)量。

4 結(jié)語

由于黃河含泥沙量大，在水文測(cè)量工作中，機(jī)動(dòng)測(cè)量船舶的螺旋槳容易損壞。 若能及時(shí)對(duì)損壞的螺旋槳進(jìn)行修復(fù)，不僅可以減少測(cè)船的停泊時(shí)間，提高其工作效率，還可以減少測(cè)船的運(yùn)行費(fèi)用。 在對(duì)船用銅質(zhì)螺旋槳進(jìn)行焊接修復(fù)時(shí)，可以通過選擇合理的裝焊順序、焊接順序和采取相應(yīng)的技術(shù)措施，來減少焊接應(yīng)力變形，從而快速、高質(zhì)量地完成修復(fù)工作。

[1] 席龍飛，馮恩德. 船舶設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 武漢：武漢造船工程學(xué)會(huì)編輯部，1985：289-407.

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