MAG冷焊及其在軸失重型失效修復(fù)中的應(yīng)用研究

郭連兔，馬振華，周圣兵，張富巨

(1.92854部隊(duì)，廣東湛江 524002;2.武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司，湖北武漢 430070;3.武漢大學(xué)焊接研究所，湖北 武漢 430072)

MAG冷焊及其在軸失重型失效修復(fù)中的應(yīng)用研究

郭連兔1，馬振華2，周圣兵1，張富巨3

(1.92854部隊(duì)，廣東湛江 524002;2.武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司，湖北武漢 430070;3.武漢大學(xué)焊接研究所，湖北 武漢 430072)

針對軸和轉(zhuǎn)子的失重型失效，比較了幾種焊補(bǔ)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選定熔化極混合氣體保護(hù)冷補(bǔ)焊 (MAG冷焊)修復(fù)方法，進(jìn)行了大比尺模擬修復(fù)試驗(yàn)，并做了相應(yīng)的金相、硬度分布和應(yīng)力分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，MAG冷焊方法可實(shí)現(xiàn)焊補(bǔ)焊縫與艉軸100%冶金結(jié)合，100%致密，無剝離風(fēng)險(xiǎn)，且與被修復(fù)件材質(zhì)相近，既能保證失重軸強(qiáng)度恢復(fù)，又可有效的抑制焊接殘余應(yīng)力。

MAG焊;冷焊;失重型失效

0 引言

艦船上旋轉(zhuǎn)工作的部件很多，如軸系以及發(fā)動機(jī)、泵、電機(jī)等的轉(zhuǎn)子。由于工作過程的磨損和各種原因?qū)е碌母g，這些軸或轉(zhuǎn)子的工作表面和非工作表面經(jīng)常會出現(xiàn)穴點(diǎn)、凹坑甚至是大尺寸的環(huán)狀溝槽等失重型失效，由此帶來裝配間隙過大、安全系數(shù)降低等隱患，如不及時(shí)修復(fù)，可能會導(dǎo)致裝備故障、出現(xiàn)重大安全問題甚至使裝備報(bào)廢。

1 焊補(bǔ)工藝條件與工藝方法選擇

1.1 許用工藝條件

軸或轉(zhuǎn)子等大型轉(zhuǎn)動部件多為合金鋼，強(qiáng)度和剛度較大，且含碳量較高，焊接性不好。考慮其軸金屬特性及其所處的安裝位置，修復(fù)焊補(bǔ)工藝需要考慮以下條件:①不能對軸或轉(zhuǎn)子進(jìn)行整體或局部預(yù)熱，以避免很大的附加熱應(yīng)力及熱變形;②不能進(jìn)行焊后整體和局部熱處理;③需要嚴(yán)格控制焊接殘余變形;④補(bǔ)焊焊縫的化學(xué)成分和力學(xué)性能盡可能與軸或轉(zhuǎn)子接近。

1.2 焊補(bǔ)方法選擇

針對該類重要部件的失重型失效，國內(nèi)外現(xiàn)有的修復(fù)技術(shù)一般有如下6種:①電刷鍍;②電火花堆焊 (或電火花沉積);③電阻點(diǎn)焊;④涂料焊條電弧焊;⑤激光熔敷;⑥鎢極氬弧焊 (TIG焊)。

電刷鍍的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)完全冷態(tài)修復(fù)，殘余應(yīng)力及變形很小;然而其補(bǔ)焊材料往往只能是銅或鎳，難以與被修復(fù)件同材質(zhì)，達(dá)不到同承載能力;焊層與母材為非冶金結(jié)合，存在刷鍍層剝離的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是數(shù)毫米深度失重失效情況下極易剝離;修復(fù)生產(chǎn)率很低，成本很高。

電火花堆焊 (或電火花沉積)也能實(shí)現(xiàn)冷態(tài)修復(fù)，殘余應(yīng)力及變形很小，結(jié)合強(qiáng)度稍高于電刷鍍，而且材質(zhì)相近;但其修復(fù)焊接生產(chǎn)率很低，修復(fù)成本很高，焊層與母材為非完全冶金結(jié)合，存在一定剝離風(fēng)險(xiǎn)，很難達(dá)到原承載能力。

微電阻點(diǎn)焊可以實(shí)現(xiàn)同材質(zhì)焊接，工件溫升較小，熱應(yīng)力較小，修復(fù)生產(chǎn)率也較上述兩種方法高;然而其非冶金結(jié)合的比重大，冶金連續(xù)性差，工藝靈活性差，承載能力較差。

涂料焊條電弧焊易于實(shí)現(xiàn)同材質(zhì)同承載能力，修復(fù)生產(chǎn)率高，冶金結(jié)合強(qiáng)度高，無剝離風(fēng)險(xiǎn)，修復(fù)成本低。缺點(diǎn)在于工件溫升高，焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形大。

激光熔敷也易于實(shí)現(xiàn)同材質(zhì)同承載能力，工件溫升較低，殘余應(yīng)力與變形較小，冶金結(jié)合，無剝離風(fēng)險(xiǎn)。缺點(diǎn)在于激光設(shè)備不易到修復(fù)現(xiàn)場，修復(fù)工藝靈活性差，需針對不同的被修復(fù)材質(zhì)制備不同的合金粉末，修復(fù)成本高。

TIG焊與涂料焊條電弧焊的技術(shù)特性基本相同，區(qū)別是冶金純凈度高，焊層厚度可很薄且易精確控制，修復(fù)生產(chǎn)率較涂料焊條電弧焊低。

目前生產(chǎn)上應(yīng)用較廣泛的技術(shù)是第①、④和第⑥種，而針對艦船裝備的實(shí)際情況，熔化極混合氣體保護(hù)冷補(bǔ)焊技術(shù) (簡稱MAG冷焊)是一種可行和有效的修復(fù)方法。與傳統(tǒng)MAG焊相比，MAG冷焊的燃弧率大約為15%～20%，熱輸入顯著降低。MAG冷焊可以保留方法①、④和⑥的優(yōu)點(diǎn)，并可以克服上述方法的缺點(diǎn)。

2 MAG冷焊焊接工序和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2.1 MAG冷焊需遵循的工藝原則

熔化極活性氣體保護(hù)焊 (MAG焊)是黑色金屬的常用焊接方法，一般在氬氣中加入少量的CO2或CO2+O2，用于提高電弧的穩(wěn)定性和改善焊縫成形。針對不能預(yù)熱而又要保證焊層與母材間不產(chǎn)生冷裂紋的矛盾，制訂了下述工藝原則:①嚴(yán)格控制氫的侵入;②焊層厚度盡可能薄，以增大焊縫的變形能力和層間熱處理充分的能力;③分道分段對稱跳焊;④焊后隨即錘擊消除應(yīng)力;⑤層間溫度控制在60℃以內(nèi);⑥采用可靠技術(shù)措施有效抑制焊接熱影響區(qū)相變溫度以上區(qū)域的淬硬和淬脆。

為增大焊縫塑韌性儲備，焊接修復(fù)用的焊絲可遵循同系化學(xué)成分、較低強(qiáng)度匹配準(zhǔn)則，選擇合適的焊絲。

2.2 焊補(bǔ)工藝程序

MAG冷焊的焊補(bǔ)工藝程序可歸納為:焊接坡口與近縫區(qū)去油污→打磨→焊前徑向跳動量測量→熱風(fēng)去濕→對稱分道分段跳焊→錘擊→層溫監(jiān)測→層間打磨→新焊層分道分段焊→錘擊→層溫監(jiān)測→蓋面層焊接→余高打磨→平直度檢測→磁粉或滲透探傷→徑向跳動量監(jiān)測。

2.3 焊接工序質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

焊接坡口與近縫區(qū)去油污:用丙酮去除坡口內(nèi)及距離坡口邊緣20 mm以內(nèi)的任何油污。

打磨:用角磨機(jī)磨去坡口內(nèi)及近縫區(qū)的所有鐵銹與雜質(zhì)，層間磨除尖角型凹槽與較顯著的凹凸不平，整層中部下凹，焊縫與坡口過渡圓滑。

徑向跳動量測量:建立相對可靠的檢測基準(zhǔn)與固定的檢測位置，每新焊層施焊前檢測一次，測量精度為 0.01 mm。

熱風(fēng)去濕:焊前和工件處于較低溫度時(shí)用熱風(fēng)機(jī)驅(qū)除坡口內(nèi)及近縫區(qū)周圍的潮濕氣體或冷凝水。

對稱分道分段跳焊:將軸或轉(zhuǎn)子沿周長等分若干份，位于近立焊位置對稱施焊，每一周對稱焊完后，焊接方向反向，每層 (每道)焊縫厚度嚴(yán)格控制在2 mm以內(nèi)，且盡可能薄。

錘擊:用專用錘擊工具，每段焊后立即錘擊，錘擊力以可見明顯的凹坑為宜。

層溫檢測:隨時(shí)對焊縫區(qū)內(nèi)層間溫度進(jìn)行檢測，若超過60℃，熄弧停焊時(shí)間適當(dāng)加長。

蓋面層焊接:蓋面層的熔敷順序同坡口內(nèi)，仍用分道分段跳焊方法，余高為1.5～2 mm。

余高打磨:蓋面層焊接完成后，即進(jìn)行表面打磨，用較小的磨削量，位置快速變化，不允許出現(xiàn)表面發(fā)藍(lán)氧化現(xiàn)象，粗磨后精磨和拋光，表面粗糙度為 Ra6.3。

平直度檢測:余高接近于磨除時(shí)，隨時(shí)用刀尺檢測焊縫與原艉軸外周表面的相對高度，禁止焊縫區(qū)低于艉軸原外周表面，禁止焊縫區(qū)與原母材界面處有非圓滑的過渡和咬邊現(xiàn)象。

磁粉或滲透探傷:蓋面層焊縫打磨平直后，進(jìn)行磁粉或滲透探傷，按標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。

3 焊接結(jié)果分析

某艦艉軸機(jī)械密封裝置非工作部位整周嚴(yán)重腐蝕，深度約13 mm，寬度約25～35 mm，工作截面減小了31%。根據(jù)上述分析，預(yù)先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大比尺模擬焊接修復(fù)試驗(yàn)，并分別進(jìn)行了殘余應(yīng)力測定、無損探傷、拉伸試驗(yàn)及宏觀形貌和微觀金相組織分析。

對焊縫按照GB 11345－1989標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波探傷和JB/T 4730.5－2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行滲透探傷，結(jié)果表明，采用分道分段對稱跳焊并及時(shí)進(jìn)行錘擊打磨，補(bǔ)焊焊縫符合II級合格標(biāo)準(zhǔn)。

圖1給出了該軸大比尺模擬修復(fù)的焊補(bǔ)接頭的橫截面宏觀照片。補(bǔ)焊焊縫與母材為100%冶金結(jié)合，熔合良好。焊接熱影響區(qū)很窄，僅為1 mm左右。

圖1 焊補(bǔ)接頭橫截面宏觀圖

圖2、圖3給出了焊接過程中產(chǎn)生的縱向和橫向平均殘余應(yīng)力實(shí)測結(jié)果。

圖2 焊補(bǔ)接頭縱向平均殘余應(yīng)力

圖3 焊補(bǔ)接頭橫向平均殘余應(yīng)力

圖2、3表明，最大的殘余拉應(yīng)力為108.25 MPa，位于圓周方向 (縱向)的焊縫中心，占該材料屈服強(qiáng)度 (650 MPa)的16.7%，橫向殘余應(yīng)力比縱向小，位于近縫的母材區(qū)。

根據(jù)GB/T 2651－2008，對分道分段對稱跳焊接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭抗拉強(qiáng)度稍低于母材，這是由于所選擇焊絲采用了較低強(qiáng)度匹配準(zhǔn)則，即焊縫金屬的強(qiáng)度稍低于母材，這樣有利于焊縫抗裂能力提高;其次是由于母材為熱處理強(qiáng)化組織，且為平衡態(tài)組織，而焊縫金屬則為鑄態(tài)非平衡組織。

圖4給出了焊縫中心的金相圖，組織為針狀鐵素體加先共析鐵素體，熱影響區(qū)各區(qū)未見異常組織。

圖4 焊縫中心顯微金相組織

圖5為模擬焊補(bǔ)接頭橫截面焊補(bǔ)厚度中心平面的維氏硬度分布圖 (橫坐標(biāo)為A－A線上依次選取的19個(gè)測點(diǎn))。焊縫硬度與母材基本一致，熱影響區(qū)不完全重結(jié)晶未見任何軟化，這應(yīng)得益于冷補(bǔ)焊的低熱輸入;相變區(qū)硬化顯著，還需采取其他技術(shù)措施使其降低。

圖5 焊補(bǔ)接頭厚度中心平面的硬度分布

4 結(jié)論

1)采用MAG冷焊焊接熱輸入很低，由此產(chǎn)生的最高殘余拉應(yīng)力僅為材料屈服強(qiáng)度的1/6，焊層層間溫度對焊接殘余應(yīng)力有較大的影響，應(yīng)嚴(yán)格控制。

2)焊絲選擇采用較低強(qiáng)度匹配原則，盡管焊縫金屬的強(qiáng)度稍低于母材，但有利于焊縫抗裂能力的提高。

3)采用MAG冷焊技術(shù)對模擬件進(jìn)行修復(fù)，能實(shí)現(xiàn)同化學(xué)成分系列、同承載能力、100%冶金結(jié)合的目標(biāo)，焊縫力學(xué)性能優(yōu)良，熱影響區(qū)很窄且能完全抑制軟化，修復(fù)生產(chǎn)率高。

4)MAG冷焊焊接技術(shù)可應(yīng)用于碳當(dāng)量較低的鋼種軸系的冷態(tài)修復(fù)焊接，但還需進(jìn)一步研究實(shí)艦焊接時(shí)的施工環(huán)境和施工條件對焊接效果的影響。

Metal active gas(MAG)cold weld is chosen as the method to repair the weightless rotor failure by comparing several weld methods.Big scale tests are completed，metallurgical and stress analyses are carried out.The results show that the weld seam and the rotors can combine 100%both metallurgically and densificationally with no peeling，which can recover strength of the rotors as well as restrain residual stress.

MAG weld;cold weld;weightlessness failure

U672

C

1001－8328(2012)01－0010－03

郭連兔 (1963-)，男，江蘇姜堰人，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事船舶維修管理工作。

2011－08