掛舵臂超厚鑄鋼件裂紋修復(fù)工藝和應(yīng)用

王國林，楊文華

中遠(yuǎn)海運重工有限公司 上海 200120

1 序言

近年來，隨著船舶行業(yè)的快速發(fā)展，萬箱級以上的超大型集裝箱船越來越受歡迎，而船舶的大型化也意味著掛舵臂鑄鋼件的大型化。掛舵臂鑄鋼件是支撐和懸掛舵結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，也是船舶上使用的重要結(jié)構(gòu)部件[1]，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在使用過程中會受到較大的彎曲疲勞應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋，且裂紋主要出現(xiàn)在外表面和近表面區(qū)域。某集裝箱船在進廠修理檢查時發(fā)現(xiàn)掛舵臂鑄鋼件與船外板焊接接頭處出現(xiàn)裂紋，現(xiàn)場施工人員對此裂紋按照常規(guī)方法進行碳刨，但碳刨深度達到50mm后仍然無法消除裂紋，致使焊接過程無法延續(xù)。

經(jīng)現(xiàn)場實地勘驗，協(xié)調(diào)質(zhì)檢、技術(shù)部門共同確定施工方案，編寫焊接工藝，并嚴(yán)格按照工藝要求進行裂紋修復(fù)，最終高質(zhì)高效地完成了焊接修復(fù)工作。

2 裂紋存在部位及裂紋走向

本工程兩處裂紋均存在于艉船殼板與掛舵臂相連的焊縫處，為左右對稱形裂紋，裂紋沿著焊縫向鑄鋼件本體斜向上延伸（見圖1）。裂紋1：長度950m m，深度最大處120m m；裂紋2：長度850mm，深度最大處180mm。裂紋處鑄鋼件本體厚度為380mm，船外板為厚45mm的E級板。

圖1 裂紋走向及裂紋存在部位

3 裂紋修復(fù)難點

兩處裂紋部位的鑄鋼件本體厚度達到了380mm，在船體鑄鋼件中屬于超厚鑄鋼件，對于該處的焊接存在如下困難。

1）鑄鋼件碳當(dāng)量高，淬硬傾向大，冷裂紋敏感性大。

2）鑄鋼件晶粒粗大，存在殘余應(yīng)力，焊接時如焊接材料、焊接工藝不當(dāng)，則容易產(chǎn)生冷裂紋。

3）鑄鋼本身存在縮松和氣孔，而在電弧燃燒過程中，由于內(nèi)部氣體的分解增加了熔池中氣體的成分，所以更易產(chǎn)生氣孔。

4）鑄鋼件厚度非常大，快速升溫困難，消除焊接應(yīng)力難度大，且現(xiàn)場焊接非自由件，容易開裂。

5）本次修理裂紋部位的鑄鋼件厚度大，裂紋最深處達到了180mm，盡管其他工廠有鑄鋼件裂紋修復(fù)的成功經(jīng)驗，但達到此厚度的鑄鋼件及此深度的裂紋修復(fù)還未有先例。

6）為不影響塢期，后期焊接作業(yè)安排在水上進行。由于正值4月份，風(fēng)大且天氣冷，散熱快，因此層間溫度不容易保證，更容易產(chǎn)生裂紋。

綜上所述，若在整個修理過程中工藝不當(dāng)或焊工沒有按照焊接工藝的要求進行焊接，在焊縫及熱影響區(qū)就會出現(xiàn)裂紋，從而導(dǎo)致整個修復(fù)過程失敗。因此，整個裂紋的修復(fù)難度非常大，采取行之有效的工藝措施顯得尤為重要[2]。

4 焊接工藝評定

裂紋修復(fù)之前，現(xiàn)場驗船師提出必須提供焊接工藝評定，然而國內(nèi)做過大厚度鑄鋼件焊接工藝評定的船廠幾乎沒有，而且若要做焊接工藝評定試驗，鑄鋼件需要進行澆注，時間上不允許。經(jīng)過和現(xiàn)場驗船師協(xié)商后，參考了第三方船廠的一項40mm船用鑄鋼件與高強鋼EH36對接焊縫的焊接工藝評定試驗，針對項目中ZG240-450鑄鋼件和E36板主要化學(xué)成分進行了分析（見表1、表2），按現(xiàn)場施工工藝要求進行焊接工藝評定。焊接參數(shù)符合焊接工藝規(guī)程的要求，嚴(yán)禁大電流焊接，從而減小焊接熱影響區(qū)。兩種焊接方法的焊接參數(shù)見表3。在該輪出廠1個月以后，同樣的裂紋出現(xiàn)在另一艘船舶上，我們向該輪入級的BV船級社申請了焊接工藝評定認(rèn)可，嚴(yán)格按照我方施工工藝要求進行試驗，試驗結(jié)果完全符合要求。

表1 ZG240-450主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 E36板主要化學(xué)成分及碳當(dāng)量 （%）

表3 焊接參數(shù)

5 裂紋修復(fù)過程

在修理過程中，決定分兩步進行：一是塢內(nèi)碳刨消除裂紋，搭好外掛腳手架，做好防風(fēng)、防雨措施；二是進行水上焊接作業(yè)。

整個修復(fù)過程為：預(yù)熱→碳刨消除裂紋→緩冷到50℃以下→打磨→無損檢測（PT或MT）→預(yù)熱→焊接→焊后熱處理→無損檢測（MT及UT）。

（1）預(yù)熱 因為掛舵臂鑄鋼件碳當(dāng)量高、厚度大、拘束力大，所以必須采取預(yù)熱措施來防止碳刨及焊接時產(chǎn)生裂紋。常規(guī)的火焰加熱此時已經(jīng)不能適用，必須采用履帶式陶瓷電加熱器進行加熱，并用保溫棉進行保溫，以防止因與外界空氣接觸而造成溫差過大。為此，工廠緊急從吳江市林江焊割設(shè)備廠訂購了一只型號WSK智能程序溫度控制箱，該加熱器能同時控制12只陶瓷電加熱器，采用熱電偶溫度反饋，可以直接設(shè)定程序來控制整個預(yù)熱過程。碳刨前，先在兩邊裂紋周邊區(qū)域各覆蓋3～4片陶瓷加熱片（見圖2），預(yù)設(shè)溫度為300℃，升溫時間為0.5～1h，在此溫度進行保溫1～2h，以便使熱量向鑄鋼件本體滲透。

圖2 陶瓷加熱器覆蓋位置

（2）碳刨消除裂紋 由于裂紋深度非常大，靠打磨來去除裂紋完全不可能，所以只能通過碳刨消除裂紋源。清除過程中應(yīng)盡量形成U形坡口，以減小焊縫金屬熔入量。對坡口的上下表面應(yīng)盡量采用扁碳棒，以避免坡口內(nèi)部形成凹凸或尖角，坡口兩端按4倍板厚進行削斜處理。在碳刨過程中，由于右側(cè)裂紋非常深，影響到后期的焊接操作，經(jīng)研究后去掉了周邊一塊尺寸約為400mm×600mm的船外板，裂紋1、2消除后的焊接坡口形式如圖3所示。

圖3 裂紋1、裂紋2消除后的焊接坡口形式

（3）碳刨后打磨及無損檢測 碳刨后，坡口表面附著的一層高碳晶粒（滲碳層）是產(chǎn)生裂紋的致命缺陷，因此必須采用角向砂輪打磨清除掉熔渣與滲碳層。但如采用風(fēng)動砂輪，產(chǎn)生的冷風(fēng)不僅會造成坡口表面溫度的急劇降低而使得坡口內(nèi)部出現(xiàn)新的裂紋，而且常規(guī)的MT和PT都必須處于常溫下才能進行，因此必須先以50℃/h的速度緩冷到50℃以下，在坡口打磨光順后再進行PT或MT檢測，以確保裂紋徹底消除。

（4）鑄鋼件裂紋的焊接修復(fù)過程 由于整個焊接過程在水上進行，為保證鑄鋼件焊接時不受風(fēng)力的影響，在船舶出塢前已經(jīng)搭好了外掛腳手架，采用雙層彩塑布完成豎向與頂部風(fēng)雨屏蔽，腳手架上鋪上保溫棉，確保作業(yè)區(qū)域免受外界環(huán)境干擾。

焊前采用電加熱器對焊接坡口周圍進行預(yù)熱，兩邊焊縫坡口表面及上下區(qū)域各覆蓋4～5片陶瓷加熱片，預(yù)設(shè)溫度為300℃，在此溫度保溫1～2h，以便熱量向母材內(nèi)部傳遞，使得坡口內(nèi)側(cè)溫度盡量與表面溫度接近。預(yù)熱溫度達到后，去掉坡口表面的加熱陶瓷片，立即對兩處裂紋區(qū)域同時進行焊接。為防止熱量散發(fā)，在整個焊接過程中，坡口附近的陶瓷加熱片一直處于300℃保溫狀態(tài)。由于坡口非常深，CO2氣體保護焊焊槍無法深入操作，故采用焊條電弧焊進行施焊。采用低氫型焊條J507，焊條必須經(jīng)過350℃烘焙2h，并放置在100℃的保溫筒內(nèi)使用。

焊接過程中為避免坡口內(nèi)的凹坑可能產(chǎn)生夾渣、未熔合等焊接缺陷，首先應(yīng)采用φ3.2m m的焊條在坡口內(nèi)進行一次打底焊（見表4中的焊接步驟2），以形成較為平順的焊接坡口，然后采用φ4.0mm或φ5.0mm的焊條進行多層多道焊接。施焊時，第二道焊道應(yīng)該覆蓋第一道焊道的1/3～1/2寬度。由于堆焊層多（右側(cè)最終焊道數(shù)約為550道），焊縫內(nèi)易產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，所以盡量使每一層的施焊順序以及施焊方向如圖4所示。每焊完一道焊縫，用風(fēng)鏟進行振動清渣，在清渣的同時通過振動擊打焊縫表面，可消除部分焊接應(yīng)力。在整個施焊過程中，使用點溫計對焊道間的溫度進行測量，確保層間溫度≥150℃。由于現(xiàn)場溫度非常高，保溫棉散發(fā)的氣體對人體有害，故現(xiàn)場操作的焊工應(yīng)每小時進行一次輪班，且戴好防毒口罩。

圖4 每一層的施焊方向及堆焊順序

表4 鑄鋼件裂紋修復(fù)細(xì)則

6 焊后熱處理

對焊接修復(fù)區(qū)域的焊縫進行焊后熱處理，可使焊縫金屬中擴散氫逸出，并可清除殘余應(yīng)力，軟化組織，降低焊縫及熱影響區(qū)的淬硬性，對防止產(chǎn)生延遲裂紋非常有效。焊接完畢后，立即采用陶瓷加熱器及保溫棉將焊接區(qū)域包裹嚴(yán)實，進行焊后熱處理。該處的焊后熱處理溫度參照了CCS船級社《材料與焊接規(guī)范》2014版中的要求，采用電加熱器，從焊后300℃以50℃/h的升溫速度升到600～650℃，在此溫度保溫4h左右（規(guī)范僅要求1～2h，但考慮到此鑄鋼件的厚度，為了使溫度向母材內(nèi)部滲透，延長至4h），然后再以50℃/h的速度降溫到300℃后斷開電加熱器進行緩冷，約24h之后，焊接區(qū)域的溫度降到了常溫。

7 無損檢測

根據(jù)檢測構(gòu)件的特點，對返修后的部位采用UT進行檢測（見圖5），檢測步驟如下。

圖5 UT檢測

1）對于A區(qū)域（外板與掛舵臂焊縫區(qū)域），可以采用橫波斜探頭在外板上進行掃查，探頭的選擇、掃查方式和掃查要求根據(jù)檢測角焊縫的技術(shù)要求進行。

2）對于B區(qū)域，鑄鋼件缺陷修復(fù)部分的檢測分兩步進行：①對近表面區(qū)域，由于選用常規(guī)探頭都存在檢測盲區(qū)，難以對近場區(qū)的缺陷檢測，因此采用雙晶縱波直探頭掃查檢測近場區(qū)的缺陷。②對鑄鋼件內(nèi)部返修焊接區(qū)域缺陷的檢測，采用縱波直探頭進行檢測。由于直探頭對垂直于聲場方向的缺陷檢測最靈敏，故采用斜探頭對焊接修復(fù)區(qū)域交叉掃查。

3）為防止表面開口缺陷受力時延伸，對焊接修復(fù)及熱影響區(qū)表面進行PT或MT檢測。

4）檢測時機安排在焊接完成48h后進行。

焊接完畢后經(jīng)第三方和我方無損檢測人員對該鑄鋼件裂紋修復(fù)部位進行MT和UT檢測，結(jié)果表面裂紋完全消除，且焊接修復(fù)區(qū)域未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。

8 結(jié)束語

通過此次掛舵臂裂紋的修復(fù)過程，對180mm超大厚度鑄鋼件焊接工藝進行了研究和實踐，并取得了十分理想的效果，為企業(yè)贏得了信譽，也為今后承接類似鑄鋼焊接修復(fù)工程打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。