船用大型鑄鋼件焊接裂縫及修復(fù)工藝研究

王 帆

（中國(guó)人民解放軍4805工廠，上海 200135）

0 引 言

船體結(jié)構(gòu)中的鑄鋼件一般具有較大的厚度和剛性，且形狀復(fù)雜，常用于承受較大載荷的結(jié)構(gòu)件，如：艏柱、艉柱、艉軸架及掛舵臂等，這些鑄件鋼結(jié)構(gòu)一旦由于焊接和熱處理時(shí)產(chǎn)生裂紋缺陷時(shí)再修復(fù)往往比較困難。如何掌握正確的焊接原理，采取行之有效的修理焊接工藝是確保質(zhì)量的關(guān)鍵。

材料因受熱的影響（但未溶化）而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域稱(chēng)之為熱影響區(qū)。凡是通過(guò)局部加熱，實(shí)現(xiàn)金屬連接的焊接方法，不論是熔焊或固態(tài)焊接，由于其加熱的瞬時(shí)性和局部性使焊縫附近的母材都經(jīng)受了一種特殊熱循環(huán)的作用。其特點(diǎn)為升溫速度快，冷卻速度快[1]。例如在板厚為20mm的低碳鋼上用16kJ/cm的熱輸入進(jìn)行焊條電弧堆焊時(shí)，由室溫加熱到峰值溫度為1100℃所需時(shí)間僅為4s左右，冷卻到200℃僅需 1min左右。焊接加熱的另一特點(diǎn)為溫度場(chǎng)分布極不均勻，緊靠焊縫的高溫區(qū)內(nèi)接近于熔點(diǎn)，遠(yuǎn)離焊縫的低溫區(qū)內(nèi)接近于室溫，而且峰值溫度越高的部位，加熱速度越快，冷卻速度也越快。因此形成了一個(gè)組織和性能極不均勻的焊接熱影響區(qū)，使該部位的組織和性能變壞。

1 焊接裂紋種類(lèi)和成因

對(duì)于船用大型鑄鋼件的焊接, 只要選擇了合適的焊接材料和工藝, 可以采用手工電弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊等不同的方法。焊接過(guò)程所要解決的首要問(wèn)題就是防止焊后裂紋的產(chǎn)生; 其次是在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的同時(shí), 提高焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)的韌性, 使之滿(mǎn)足材料和焊接規(guī)范的要求。

1.1 裂紋種類(lèi)

焊縫的裂紋大體分為熱裂紋和冷裂紋，裂紋是大型鑄鋼件焊接接頭中最為嚴(yán)重的缺欠，其危害性極大。焊接接頭中的裂紋不僅僅產(chǎn)生于焊接過(guò)程中的焊接裂紋，還有在焊后熱處理中產(chǎn)生的裂紋，如消除應(yīng)力處理時(shí)產(chǎn)生的裂紋是在對(duì)焊接接頭再次加熱到高溫（通常在500～700℃）時(shí)產(chǎn)生的，可以稱(chēng)之為“再熱裂紋”。另一類(lèi)裂紋則是要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才出現(xiàn)，剛開(kāi)始少量出現(xiàn)隨著時(shí)間增長(zhǎng)逐漸增多和擴(kuò)展，稱(chēng)之為“延遲裂紋”[1]。

針對(duì)鑄件對(duì)接在最為關(guān)鍵的施焊過(guò)程中容易產(chǎn)生的幾種最常見(jiàn)冷裂紋有：

1) 焊趾裂紋：起源于母材與焊縫交界處，并有明顯應(yīng)力集中部位，裂紋走向經(jīng)常與焊道平行，一般由焊趾表面開(kāi)始向母材深處擴(kuò)展；

2) 焊道下裂紋：經(jīng)常發(fā)生在淬硬傾向較大，含氫量較高的焊接熱影響區(qū)，一般情況下裂紋走向與熔合線平行；

3) 根部裂紋：是延遲裂紋中比較常見(jiàn)的一種形態(tài)，主要發(fā)生在含氫量較高、預(yù)熱溫度不足的情況下，它與焊趾裂紋相似，起源于焊縫根部應(yīng)力集中最大的部位[2]。

1.2 冷裂紋形成原因

1) 鑄鋼件的化學(xué)成分對(duì)冷裂紋形成的影響：鑄鋼的淬硬傾向很大程度上取決于鑄鋼的化學(xué)成分，當(dāng)鋼淬硬傾向較大時(shí)，在快速冷卻下就會(huì)出現(xiàn)片狀馬氏體，而且片內(nèi)有平行狀的孿晶，也稱(chēng)孿晶馬氏體[3]。它的硬度很高，性能很脆，很容易產(chǎn)生焊接冷裂紋。由于船用鑄鋼件為低碳鋼，且添加了多種微量元素，使這類(lèi)鋼熱影響區(qū)呈低碳馬氏體和自回火馬氏體，有較好的塑性和韌性。因此船用鑄鋼件添加合理的化學(xué)成分為其具有良好的焊接性提供了保證；

2) 氫和碳對(duì)冷裂紋形成的影響：冷裂紋均發(fā)生在“富氫地帶”，可見(jiàn)，氫對(duì)冷裂紋有十分重要的影響。在焊接高溫作用下有大量的氫溶解在熔池中，而在隨后的冷卻和凝固過(guò)程中，奧氏體相變?yōu)殍F素體卻引起氫的溶解度急劇降低。此時(shí)氫極力逸出，但因冷卻速度很快，氫來(lái)不及逸出而保留在焊縫金屬中，從而使此處氫處于過(guò)飽和狀態(tài)。當(dāng)氫的濃度足夠高時(shí)，將產(chǎn)生根部裂紋或焊趾裂紋[4]。一般情況下船用鑄鋼件的含氫量很低，所選用的焊材也均為低氫型，但由于外部因素如運(yùn)輸、儲(chǔ)存、預(yù)處理等造成了氫的富集，如焊接材料中的水分，焊件坡口處的鐵銹、油污以及環(huán)境濕度等都是焊縫中富氫的原因，另外往往坡口和清根用碳弧氣刨開(kāi)設(shè)，坡口處的碳跡必須打磨干凈出白，以降低焊接處的碳當(dāng)量。所以對(duì)焊接環(huán)境的控制如焊條的烘干、坡口的清潔等以對(duì)氫含量和碳含量進(jìn)行嚴(yán)格的控制。這一點(diǎn)，對(duì)于幾乎完全在露天作業(yè)的大型鑄鋼件焊接顯得尤為重要；

3) 焊接工藝對(duì)冷裂紋形成的影響：對(duì)于重要的焊接結(jié)構(gòu)，焊接線能量的控制特別嚴(yán)格。線能量過(guò)大，會(huì)引起熱影響區(qū)過(guò)熱使晶粒粗大，降低接頭的抗裂性能；而線能量過(guò)小則會(huì)降低冷卻時(shí)間，使熱影響區(qū)淬硬，也不利于氫的逸出，增加冷裂傾向。因此，制定焊接工藝時(shí)應(yīng)當(dāng)合理選擇焊接線能量，并在施工中嚴(yán)格進(jìn)行控制，不能隨意變動(dòng)；

4) 預(yù)熱溫度與層間溫度的控制對(duì)冷裂紋形成的影響：預(yù)熱可以有效的防止冷裂紋。但預(yù)熱溫度并不是越高越好，預(yù)熱溫度選擇過(guò)高，一方面惡化勞動(dòng)條件，增加成本；另一方面局部過(guò)熱產(chǎn)生附加應(yīng)力，反而會(huì)加劇冷裂紋的產(chǎn)生，因此在鑄鋼件焊接前一般是對(duì)焊縫兩側(cè)各100～200mm范圍采用履帶式加熱器進(jìn)行預(yù)熱，溫度控制在125～200℃?？刹扇‰娔X對(duì)預(yù)熱溫度進(jìn)行控制，并可輸出“溫度～時(shí)間”曲線，從而對(duì)預(yù)熱溫度進(jìn)行有效的控制。另外多層焊也會(huì)對(duì)冷裂紋產(chǎn)生影響，由于后焊層會(huì)對(duì)前焊層有消氫作用并能改善前層焊縫和熱影響區(qū)的金相組織，較合適的層間溫度為150～250℃，其溫度下限用以保證在多層焊中后道焊縫有基本的預(yù)熱條件，其溫度上限以避免出現(xiàn)熱應(yīng)力裂紋。在焊接過(guò)程中可通過(guò)補(bǔ)充加熱或緩慢焊接來(lái)控制層間溫度；

5) 焊后熱處理對(duì)冷裂紋形成的影響：大型鑄鋼件在焊接完畢后應(yīng)將焊縫區(qū)域用電加熱設(shè)備加熱到400～500℃保溫2h，并覆以防火巖棉，然后使其緩慢冷卻；

6) 拘束應(yīng)力對(duì)冷裂紋形成的影響：當(dāng)焊接產(chǎn)生的拘束應(yīng)力增大到超過(guò)臨界拘束應(yīng)力時(shí)，就開(kāi)始產(chǎn)生裂紋。焊接過(guò)程中的拘束應(yīng)力主要有不均勻加熱及冷卻過(guò)程所產(chǎn)生的熱應(yīng)力金屬相變時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力，相對(duì)于相變時(shí)體積變化形成的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)自身拘束所造成的應(yīng)力更具破壞性。這種應(yīng)力包括結(jié)構(gòu)的剛度、焊縫位置、焊接順序、構(gòu)件的自重和負(fù)載,以及其他受熱部位冷卻過(guò)程中的收縮使焊接接頭所承受的應(yīng)力，不同的裝配形式和焊接次序往往會(huì)產(chǎn)生截然不同的結(jié)果。

綜上所述，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該通過(guò)充分的對(duì)比研究和理論分析,制訂出一套合理的焊接工藝和監(jiān)控措施才能防止大型鑄件在焊接過(guò)程中產(chǎn)生缺欠。

2 焊接工藝和裂紋修補(bǔ)方法

針對(duì)海軍某大型遠(yuǎn)洋拖船后艉軸支架A點(diǎn)為鑄件對(duì)接產(chǎn)生缺欠區(qū)域，見(jiàn)圖1；缺欠現(xiàn)狀為表面可見(jiàn)焊趾裂紋與經(jīng)超聲探傷后測(cè)得根部裂紋，需要對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行修復(fù)方可滿(mǎn)足使用要求。

圖1 后艉軸支架焊接缺欠區(qū)域

2.1 現(xiàn)狀分析

該鑄件焊接為大型艉軸支架臂與支臂連接塊的對(duì)接，鑄鋼材質(zhì)為 ZG200-400C，該焊接區(qū)域的特點(diǎn)是支架厚度最寬處達(dá) 200mm，為長(zhǎng)弧線型，焊接工作量大。支臂連接塊作為整體構(gòu)件臂厚，預(yù)熱溫度難以掌握，不宜采用傳統(tǒng)的火焰式加熱，因不易加熱透。且施焊環(huán)境室外晝夜溫差大和焊縫形式需長(zhǎng)時(shí)間反面朝天仰焊，這些都對(duì)施工和焊接人員提出很高的要求。

2.2 修復(fù)方案

1) 先扣除反面所有焊縫，打磨出白把滲碳層磨光，著色檢驗(yàn)，有裂紋處繼續(xù)扣除，扣除厚度為鑄件厚的1/2，以坡口壁上無(wú)裂紋為主，見(jiàn)圖2；

2) 檢驗(yàn)無(wú)裂紋后進(jìn)行局部預(yù)熱處理，預(yù)熱范圍為距焊縫中心200mm范圍內(nèi)和支臂連接塊，預(yù)熱溫度125～200℃，加熱方式為電加熱；

3) 焊接電流不易過(guò)大，采用手工電弧焊直流反接方式焊接，焊條采用低氫型E5015焊條，電流90～160A，電壓24～30V；

4) 焊接時(shí)先從兩邊緣開(kāi)始堆焊，堆焊厚度兩邊各不小于10mm，堆到成形最佳的焊接坡口然后進(jìn)行退火處理，后熱溫度為400～500℃。用電加熱控制冷卻速度，使其緩慢冷卻，見(jiàn)圖3；

5) 冷卻后打磨出白堆焊部位，進(jìn)行表面著色探傷檢查，是否有裂紋，有裂紋立即進(jìn)行修補(bǔ)，在無(wú)裂紋的情況下方可進(jìn)行預(yù)熱處理，溫度達(dá)到后開(kāi)始焊接。焊接過(guò)程中應(yīng)避免“弧傷”，因其使鑄鋼件局部區(qū)域淬硬且應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂紋。故在焊前兩端裝引弧板，每道焊縫引弧時(shí)交叉50mm，焊接手法采用退焊法，焊接時(shí)嚴(yán)格控制層間溫度在150～250℃。焊接到下一層時(shí)要清除焊渣和缺欠，當(dāng)連續(xù)焊接到2/3處，停止焊接進(jìn)行后熱，后熱溫度400～500℃，緩慢冷卻，見(jiàn)圖4；

6) 正面清根照反面做法，然后對(duì)坡口兩側(cè)及反面焊層進(jìn)行著色檢查有無(wú)裂紋，無(wú)裂紋即進(jìn)行預(yù)熱，步驟同4)；

7) 當(dāng)正面焊到2/3時(shí)，最后一道蓋面正、反面同時(shí)焊接一次完成，到焊接結(jié)束為止，見(jiàn)圖5；

8) 后熱溫度達(dá)到400～500℃，用電加熱控制冷卻速度，使其緩慢冷卻。

以上所有工序完成后對(duì)修復(fù)的焊縫區(qū)域進(jìn)行外觀成形檢測(cè)和著色、超聲波探傷檢測(cè)。使修復(fù)質(zhì)量完全符合材料使用要求和規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

總結(jié)該型遠(yuǎn)洋拖船的艉軸鑄鋼件焊縫裂紋成功修復(fù)的經(jīng)驗(yàn)是，為預(yù)防在大型鑄鋼件焊接過(guò)程中焊縫裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)注意控制焊前預(yù)熱溫度，保持焊時(shí)層間溫度，同時(shí)要因工況環(huán)境合理選用加熱方式與焊接線能量、焊接參數(shù)以及嚴(yán)格執(zhí)行后熱處理工序。

[1] 崔忠訢. 金屬學(xué)與熱處理[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版. 1995.

[2] 薛迪甘. 焊接概論[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社出版. 1992.

[3] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 新編金屬材料使用手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)知識(shí)出版社出版. 2007.

[4] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社出版. 2007.