自航式絞吸挖泥船耳軸堆焊工藝性能試驗(yàn)

周弋琳, 夏勝登, 包 孔， 趙建忠， 杜 渝

(1.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125；2.上海海工裝備智能焊接制造工程技術(shù)研究中心， 上海 200125；3.上海振華港機(jī)重工有限公司， 上海 202155)

0 引 言

隨著海洋工程裝備制造的要求及能力的不斷提高，對(duì)設(shè)備及用材的耐高溫、耐腐蝕、耐磨等性能要求也越來(lái)越高，為了降低制造成本，通常采用在普通碳鋼或低合金高強(qiáng)鋼表面堆焊鎳基合金的方式達(dá)到裝備防腐及耐磨的要求。

鎳基合金焊絲具有耐活性氣體、耐苛性介質(zhì)、耐還原性酸介質(zhì)腐蝕的良好性能，又具有強(qiáng)度高、塑性好、抗金屬間摩擦磨損能力強(qiáng)、可冷熱變形和加工成形及可焊接等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金、原子能、海洋開(kāi)發(fā)、航空、航天等工業(yè)中，解決一般不銹鋼和其他金屬、非金屬材料無(wú)法解決的工程腐蝕問(wèn)題，是一種非常重要的耐磨和耐腐蝕金屬材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鎳基合金成分焊材正以平均每年6%的增長(zhǎng)率進(jìn)入全球眾多的工業(yè)領(lǐng)域[1]。

5 000 kW鉸刀功率自航式絞吸挖泥船擁有國(guó)際領(lǐng)先的設(shè)計(jì)理念和設(shè)備配置，裝備了強(qiáng)大的挖掘系統(tǒng)及先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)挖泥、監(jiān)控及無(wú)人操控，極大地提高了作業(yè)效率，是亞洲最大的自航絞吸式挖泥船之一。該船裝有泥泵和吸泥裝置，挖泥時(shí)用鉸刀鉸動(dòng)水底地殼，再用泥泵將泥漿從吸泥管吸入，經(jīng)過(guò)排泥管送到岸上或排入駁船運(yùn)走，是中國(guó)自主設(shè)計(jì)制造的名符其實(shí)的造島神器。

耳軸作為5 000 kW鉸刀功率自航式絞吸挖泥船的重要構(gòu)件，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品能否安全使用。為了提高耳軸端外襯套內(nèi)壁的耐磨及耐腐蝕性能，節(jié)約成本，在襯套內(nèi)壁堆焊鎳基合金成為一種既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的加工方式。不過(guò)，鎳基合金的焊接性較一般鋼材差，為保證產(chǎn)品順利制作，對(duì)鎳基合金堆焊工藝進(jìn)行試驗(yàn)，開(kāi)展相關(guān)工藝評(píng)定，對(duì)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際制作具有重要意義。開(kāi)展Q345B鋼板堆焊鎳基合金的工藝試驗(yàn)，為挖泥船耳軸產(chǎn)品的制作提供技術(shù)保障。

1 試驗(yàn)材料

采用規(guī)格為26 mm×150 mm×150 mm的Q345B鋼板為試板，其化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。焊接材料是具有優(yōu)良塑性、韌性、抗裂性和耐腐蝕性能的牌號(hào)為CHM-NiCrMo-3的氣保焊絲，直徑1.2 mm，其化學(xué)成分如表3所示。為保證焊接質(zhì)量及焊縫成形，采用98%Ar+2%O2的混合氣體作為保護(hù)氣體。

表1 試板化學(xué)成分

表2 試板力學(xué)性能

表3 焊材化學(xué)成分

2 試驗(yàn)方法

采用型號(hào)為CL-500的焊接電源進(jìn)行焊接，電源極性為直流反接(DCEP)。為確保順利施焊，焊接前用鋼絲刷對(duì)試板表面焊接區(qū)的油、銹等雜質(zhì)進(jìn)行清理，焊接時(shí)采用小線能量，道間溫度控制在130 ℃以下。焊接工藝參數(shù)如表4所示。堆焊層最小尺寸為寬38 mm×長(zhǎng)1 500 mm×厚5 mm，如圖1所示。實(shí)際操作時(shí)堆焊層尺寸稍微大于該尺寸，留余量加工試樣。

表4 焊接工藝參數(shù)

圖1 堆焊位置及堆焊層尺寸

焊接完成后對(duì)焊縫進(jìn)行目檢，目檢合格后采用滲透探傷對(duì)焊縫表面進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，要求焊縫中不得出現(xiàn)以下3種類(lèi)型的缺陷：(1)相關(guān)的線性指示；(2)直徑大于5 mm的相關(guān)圓形指示；(3)在一條直線上，邊緣間間距小于或等于1.5 mm的4個(gè)或4個(gè)以上的相關(guān)圓形指示。

滲透探傷后，垂直堆焊層方向切取斷面試樣，對(duì)試樣的2個(gè)暴露斷面進(jìn)行拋光，并用適當(dāng)?shù)那治g劑進(jìn)行侵蝕，然后用5倍放大鏡肉眼檢查是否存在缺陷。

滲透探傷合格后,將堆焊層表面進(jìn)行處理，并在試樣截面進(jìn)行硬度測(cè)試，共3組，每組3個(gè)點(diǎn)，硬度測(cè)試點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 堆焊層硬度測(cè)試點(diǎn)位置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試板焊接完畢后，焊縫外觀成形良好，無(wú)裂紋、夾渣、氣孔等缺陷(見(jiàn)圖3)。參照標(biāo)準(zhǔn)ASME BPVC IX[2]相關(guān)要求對(duì)焊縫表面進(jìn)行滲透探傷(見(jiàn)圖4)，檢測(cè)結(jié)果顯示沒(méi)有超標(biāo)缺陷存在，鑒定為合格。

圖3 焊縫外觀成形

圖4 試板滲透探傷

堆焊接頭焊縫截面宏觀腐蝕形貌如圖5所示，堆焊層與母材熔合良好，焊道、焊層清晰，厚度均勻，成形美觀，所有暴露面的基層金屬或熱影響區(qū)無(wú)未熔合、夾渣、氣孔等缺陷。

圖5 焊縫截面宏觀腐蝕形貌

根據(jù)圖2所示位置對(duì)堆焊接頭各區(qū)域的硬度值進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表5所示，各區(qū)域硬度值均勻，焊縫整體硬度平均值為206HV10，滿足產(chǎn)品制造的相關(guān)技術(shù)要求[3-5]。

現(xiàn)場(chǎng)采用本試驗(yàn)工藝在5 000 kW鉸刀功率自航式絞吸挖泥船耳軸端外襯套內(nèi)壁進(jìn)行耐磨層的堆焊，產(chǎn)品堆焊完成后的形貌如圖6所示。探傷合格后，將堆焊層進(jìn)行機(jī)加工，如圖7所示。結(jié)果顯示：在材質(zhì)為Q345B的耳軸端外襯套上采用CHM-NiCrMo-3焊絲進(jìn)行堆焊能夠達(dá)到產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)要求，堆焊層具有良好的強(qiáng)度及耐磨性能，可免去構(gòu)件的熱處理工序，有效節(jié)約產(chǎn)品制作的成本。該工藝已在現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用，效果良好。

表5 堆焊接頭硬度測(cè)試結(jié)果

圖6 耳軸端外襯套堆焊層形貌

圖7 耳軸端外襯套堆焊層機(jī)加工后形貌

4 結(jié) 論

為提高5 000 kW鉸刀功率自航式絞吸挖泥船耳軸端外襯套內(nèi)壁的耐磨性及強(qiáng)度，解決重大構(gòu)件難以進(jìn)行熱處理的問(wèn)題，采用鎳基合金焊材CHM-NiCrMo-3，在Q345B試板表面進(jìn)行耐磨層堆焊工藝試驗(yàn)，結(jié)論如下：

(1) 采用鎳基合金焊材CHM-NiCrMo-3在Q345B構(gòu)件上進(jìn)行堆焊，得到熔合良好、成形美觀、探傷及力學(xué)性能合格的堆焊焊縫。

(2) 選用合理的保護(hù)氣體、焊接工藝參數(shù)，焊縫成形良好，堆焊層與母材熔合良好，接頭截面宏觀腐蝕形貌未見(jiàn)缺陷，且硬度值符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3) 采用在耳軸端外襯套內(nèi)壁堆焊鎳基合金，焊后再轉(zhuǎn)機(jī)加工的工藝，有效保證襯套內(nèi)部耐磨性，不需采用其他熱處理工藝，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)節(jié)約了制作成本。