采用局部更換法修復(fù)船用大型鑄鋼件缺陷方法*

浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王雪峰

船用鑄鋼件一般由鎮(zhèn)靜鋼制成，有著良好的承壓、耐高溫、耐低溫性能，并具有可鑄性、可焊性，適用于各種大型形狀復(fù)雜部件，如機(jī)座、機(jī)架、齒輪、箱體、曲軸、首柱、尾柱、舵承、螺旋槳等，也適用于一些承壓部件，如鍋爐、氣瓶和管系閥件等，以及一些內(nèi)空零件，如絞纜機(jī)卷筒等。這些大型鑄鋼零件常常是機(jī)器中的關(guān)鍵零部件或船體關(guān)鍵部件，技術(shù)條件嚴(yán)格，綜合力學(xué)性能要求高。同時(shí)，船用鑄鋼件通常較大，在制造和使用中容易產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致性能下降甚至功能喪失。

一、船用鑄鋼件缺陷的產(chǎn)生

1.制造時(shí)缺陷

首先，大型鑄鋼件采用鑄造的方式進(jìn)行生產(chǎn)，在生產(chǎn)中常存在著偏折、氣泡、夾雜、欠澆、變形、裂紋等缺陷。其次，鑄鋼件在鑄造完成后，應(yīng)進(jìn)行退火、正火或者淬火加回火等熱處理，奧氏體鑄鋼件還需要進(jìn)行固溶處理，如果熱處理不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致缺陷，而船用大型鑄鋼件由于體積和質(zhì)量的限制，熱處理的難度增加，更易產(chǎn)生缺陷。最后，表面處理不當(dāng)、開(kāi)孔安裝等造成應(yīng)力集中，在某種情況下也會(huì)產(chǎn)生缺陷。

2.使用中產(chǎn)生缺陷

船用大型鑄鋼件形狀復(fù)雜，在使用過(guò)程中應(yīng)力集中嚴(yán)重，極易產(chǎn)生裂紋等缺陷。大型鑄鋼件又通常為重要受力構(gòu)件，長(zhǎng)期使用后不可避免會(huì)出現(xiàn)疲勞，在過(guò)載狀態(tài)下，疲勞更易發(fā)生。同時(shí)某些鑄鋼件還會(huì)因工作環(huán)境惡劣而被磨損、腐蝕等。

3.事故導(dǎo)致缺陷

船舶鑄鋼件如柴油機(jī)的機(jī)座、機(jī)架、曲軸、錨鏈孔等常常因機(jī)械事故受損。由于船舶處于特殊的工作環(huán)境，碰撞、擱淺等事故無(wú)法完全避免，首柱、尾柱、軸系、螺旋槳等也會(huì)因此產(chǎn)生變形、裂紋、斷裂等缺陷。

二、局部更換法在修復(fù)大型船用鑄鋼件局部缺陷中的應(yīng)用

1.局部更換法修復(fù)船用鑄鋼件缺陷的程序

局部更換法堆焊是大型鑄鋼件缺陷修復(fù)的一種實(shí)用技術(shù)。該技術(shù)是根據(jù)母件損壞的程度和強(qiáng)度、精度要求，將鑄鋼件缺陷進(jìn)行部分更換，即先對(duì)母件缺陷的位置、大小形狀、強(qiáng)度、密封性等分別充分評(píng)估，確定母件缺陷的機(jī)加工范圍和方法，確定子件的材質(zhì)、焊接方法和缺陷防止方法、后處理方法等，然后對(duì)母件及子件進(jìn)行機(jī)加工，根據(jù)母件焊接面的要求加工子件，最后進(jìn)行局部拼鑲焊接。

首先，要進(jìn)行焊接物理化學(xué)變化、保證焊縫和母件成分的一致性研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析金屬的化學(xué)成分對(duì)鑄鋼組織和力學(xué)性能影響，充分考慮母件、子件及焊材的成分，考慮其是否具有可焊性，焊接后對(duì)其成分和性能尤其是母件的性能影響。

其次，母件缺陷的去除必須遵循適當(dāng)部位、適量去除、適合焊接原則。在采用刨床、鉆床、手砂輪等工具去除缺陷時(shí)，應(yīng)該完全去除缺陷，又不能去除太多沒(méi)有缺陷的部位，以免造成損失，增加修復(fù)難度，同時(shí)要避免因去除缺陷而造成新的缺陷。如果使用氧乙炔焰去除缺陷，還要注意防止局部溫度過(guò)高，以免造成保留區(qū)域金屬發(fā)生變化。缺陷去除區(qū)域應(yīng)具有可達(dá)性，防止因位置不利影響焊接質(zhì)量。

再次，子件的制作要適應(yīng)母件的要求。子件的形狀應(yīng)盡量與母件缺陷割除區(qū)形狀吻合，如果的確無(wú)法實(shí)現(xiàn)吻合，應(yīng)將可能產(chǎn)生的不吻合放在不影響母件性能的部位，如果修復(fù)后不能完全恢復(fù)母件性能，則可以改變子件形狀以增強(qiáng)母件性能，但是這種改變不應(yīng)干涉母件與其他零部件的配合間隙和安裝位置要求。

最后，要注意焊接質(zhì)量控制和焊接后處理。在焊接時(shí)正確選擇焊材和焊接工藝條件，配合一些工藝措施，如預(yù)熱、緩冷、加冷卻勢(shì)板、控制層間溫度等；防止有害氣體侵入液體金屬，以及造成氣孔、夾渣之類的缺陷；控制輸入能量，減少成分偏析和結(jié)晶形態(tài)對(duì)熱裂紋敏感性影響。焊接完成后，焊縫需要清潔、防腐，有些焊接區(qū)域還要進(jìn)行熱處理。

2.焊接工藝選擇及焊接缺陷防止

船用鑄鋼件修復(fù)時(shí)常采用手工焊條電弧焊和CO2氣體保護(hù)焊。前者操作簡(jiǎn)便靈活，需要的輔助設(shè)備少，適用于平焊、立焊和仰焊等各種空間位置的焊接，對(duì)于形狀復(fù)雜的鑄鋼件缺陷修理，優(yōu)越性更為突出。但是焊接時(shí)需要清渣及換焊條，熔敷速度比較低，而且焊縫質(zhì)量很大程度上依賴于焊工的技術(shù)水平。

對(duì)于大型鑄鋼件的缺陷，由于需要焊接的焊縫較長(zhǎng)及較深，相比手工焊條電弧焊來(lái)說(shuō)，CO2氣體保護(hù)焊可以節(jié)約焊絲、節(jié)省工時(shí)。[1]更重要的是，在進(jìn)行多層堆焊時(shí)，CO2氣體保護(hù)焊的焊渣較薄，施焊過(guò)程中一般不需要層間清渣，焊接質(zhì)量相比手工電弧焊而言更有保證。但是在施焊過(guò)程中要注意氣體對(duì)焊縫的保護(hù)以及控制焊接熱量輸入等。

鑄鋼件局部更換法堆焊修復(fù)過(guò)程中要盡量防止和減少缺陷的產(chǎn)生。首先，要進(jìn)行工藝分析、材料復(fù)驗(yàn)、焊接工藝評(píng)定、焊接試驗(yàn)、工藝規(guī)程編制、設(shè)備工裝配套等技術(shù)準(zhǔn)備過(guò)程，以避免焊接對(duì)于母件的焊接區(qū)產(chǎn)生不利影響。其次，在施焊前要做好焊材烘干、被焊部位清理、預(yù)熱等準(zhǔn)備工作；為了減小焊接變形，要研究變形的種類、方式、方向及程度，充分考慮焊縫形式、坡口、長(zhǎng)短及布置方式，焊接方法，焊接順序，焊接工藝參數(shù)（電流、電壓、焊接速度）等，制定出控制與防止焊接變形的措施和方法；施焊時(shí)要按規(guī)定的焊接順序進(jìn)行焊接，盡量避免產(chǎn)生氣孔、夾渣、熱裂紋等不良影響。最后，焊接后要進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，焊縫不合格或變形超過(guò)規(guī)定的應(yīng)按要求進(jìn)行返修、整形；[2]焊接完成后，要進(jìn)行消氫處理、消除應(yīng)力退火、振動(dòng)時(shí)效處理、焊趾修磨、噴丸強(qiáng)化等。

三、采用局部更換法堆焊修復(fù)船用鑄鋼件缺陷實(shí)例

某船一臺(tái)G250柴油機(jī)發(fā)生一起飛車事故，第三缸連桿螺栓斷裂，連桿伸腿，導(dǎo)致右側(cè)機(jī)座出現(xiàn)裂紋，左側(cè)曲軸箱道門下邊緣被連桿打擊變形并裂開(kāi)。經(jīng)觀察與測(cè)試，機(jī)座整體未出現(xiàn)變形，右側(cè)機(jī)座裂紋對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行不會(huì)構(gòu)成重要影響，所以機(jī)座裂紋處采用手工焊條電弧焊堆焊修復(fù)（見(jiàn)圖1，由于主材焊接性能不好，焊接位置不利，只能立焊，且限于船員施焊水平，焊瘤非常明顯），修復(fù)后使用沒(méi)有出現(xiàn)異常情況。

而道門處的裂紋因?yàn)樯婕懊芊鈫?wèn)題修復(fù)就復(fù)雜很多。首先采取氧乙炔焰加熱，再用木柄圓頭手錘敲擊矯正，考慮到材料是鑄鋼，一般而言不得敲擊，[3]所以錘擊力度不能太大，而鑄鋼本身就不易被整形，加上該處鑄鋼厚度達(dá)27 mm，所以整形后沒(méi)有恢復(fù)原樣，裂紋前側(cè)邊（從飛輪端看）比后側(cè)邊向外凸出約3 mm，且裂紋恰好在道門螺栓孔處（見(jiàn)圖2），所以該螺栓無(wú)法安裝。因此，焊接后盡管采用打磨焊縫前側(cè)比后側(cè)凸出的部分、加厚道門蓋墊床，以及在結(jié)合面涂密封膠等措施，依然無(wú)法保持密封性，使用過(guò)程中一直滲漏滑油，經(jīng)研究決定采取局部更換法修復(fù)。

首先用氣割割除變形部分，為了修理方便，將其割成15 cm×25 cm長(zhǎng)方形（見(jiàn)圖3）。鑒于該處鋼板厚度達(dá)27 mm，所以在兩面打60°坡口，為便于施焊，外側(cè)坡口深度較大，約為18 mm。限于船上沒(méi)有相同材質(zhì)的鋼板，選用碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋厚鋼板45，厚度為25 mm，保持外側(cè)表面一齊，與母件厚度相差2 mm在里側(cè)（見(jiàn)圖4），以不影響外側(cè)道門蓋密封。采用手工焊條電弧焊焊接，選擇的焊材為E5016，規(guī)格為φ3.2和φ4.0。

按國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式：Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15 （%）及ZG270-500、45鋼和焊材E5016的化學(xué)成分（見(jiàn)表1），計(jì)算得知：ZG270-500含碳量為0.66%，45鋼含碳量為0.61%，二者含碳量相差不多，含碳量對(duì)于焊接過(guò)渡區(qū)的性能改變不至太大。但它們都屬于中碳鋼，焊接性能不太好，焊接時(shí)容易淬硬（Ceq＞0.4%），[4]焊前需要預(yù)熱?？墒怯捎跈C(jī)架太大，無(wú)法整體加熱，所以使用氧乙炔焰對(duì)道門焊接區(qū)進(jìn)行較大范圍預(yù)熱，再對(duì)焊縫周圍加熱至250～300 ℃，并盡力保持區(qū)域溫度變化不大。焊材E5016含碳量較低，為0.27%，在焊接時(shí)可以產(chǎn)生較好的過(guò)渡區(qū)韌性，防止出現(xiàn)熱裂傾向，但是在焊接前要烘干。船舶沒(méi)有保溫箱，提前2 h使用氧乙炔焰加熱至約300 ℃，用石棉布覆蓋，防止溫度降低過(guò)快。因?yàn)樗泻附佣际橇⒑?，曲軸箱內(nèi)側(cè)位置又非常不利于焊接，所以控制打底焊電流為100 A，層焊電流為130 A。

表1 母件、子件及焊材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

為了防止變形，先使用φ3.2焊條四角點(diǎn)焊固定子件，焊接時(shí)先焊底縫，再焊兩條邊縫，打底焊稍薄一些，且內(nèi)外側(cè)對(duì)稱焊接，焊后用風(fēng)鏟敲擊振動(dòng)清渣，同時(shí)也可以消除部分應(yīng)力。[5]為保證焊接質(zhì)量，清渣時(shí)在對(duì)側(cè)用氧乙炔焰加熱以控制焊接區(qū)溫度，層焊時(shí)同樣如此，而且兩側(cè)層焊也交替進(jìn)行。焊接完成后再使用氧乙炔焰加熱焊縫周圍至約550 ℃，然后覆蓋石棉布，使其溫度盡量緩慢下降，冷卻約10 h后用角磨砂輪磨平外側(cè)焊縫，在補(bǔ)板適宜處鉆孔，攻絲，重新配密封墊，裝復(fù)道門蓋試用，道門蓋密封處沒(méi)有滲漏。經(jīng)過(guò)近一年的使用，道門蓋密封良好，焊接處沒(méi)有出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象。

四、結(jié)語(yǔ)

局部更換法堆焊修復(fù)有利于焊接并提高修理后的受力能力，減少因修理給鑄件帶來(lái)的不利影響，同時(shí)可以提高效率，縮短工期，節(jié)約費(fèi)用。但是該技術(shù)廣泛涉及機(jī)械、鑄造、焊接、熱處理及分析測(cè)試領(lǐng)域，并且各工序相互聯(lián)系、相互影響，任何一道工序質(zhì)量得不到保證都會(huì)直接影響到修復(fù)質(zhì)量，因此，需要深入研究，并在具體的修理過(guò)程中不斷實(shí)踐。

[1]李亞江,張永喜,王娟.焊接修復(fù)技術(shù)[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:194.

[2]中國(guó)船級(jí)社.材料與焊接規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2009:1-74.

[3]李偉,運(yùn)新春,馬玉文.大型低合金鑄鋼件與高強(qiáng)船用結(jié)構(gòu)鋼厚板的焊接[J].焊接技術(shù),2010(3):30-34.

[4]孫萍,王仲鈺.ZG310-570鑄鋼與45鋼異種材料的焊接[J].電焊機(jī),2006,36(6):68-69.

[5]周觀根,俞水其.厚鋼板和大型鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊接技術(shù)研究[J].鋼結(jié)構(gòu),2004(6):50-53.