ZG230-450C大型艉軸架焊接工藝

邵 勇，陳愛國

（1. 深圳市長航國際船舶管理有限公司，廣東 深圳 518054；2. 廣州航海學院 船舶與海洋工程學院，廣東 廣州 510725）

0 引 言

某船廠承接了某大型船舶的建造業(yè)務，該船的艉軸架由軸支架和軸轂焊接而成，軸支架和軸轂采用ZG230-450C鑄鋼制成，其中：軸轂厚為240mm，長度為1700mm；軸支架厚為60mm。由于該艉軸架焊接完成之后產生的焊接變形不能矯正，因此要求在焊接時確保焊接變形和精度控制達到技術要求。然而，由于鑄鋼的塑性和韌性較差，在拼焊240mm厚的T型接頭時容易出現(xiàn)鑄鋼件層間撕裂和裂紋的問題；同時，由于焊接量大、填充的金屬多、焊接過程難以控制，容易產生大的焊接變形。因此，對該艉軸架大而厚的鑄鋼件的焊接具有較大難度，必須認真進行試驗分析，以有效保證焊接生產質量。

1 母材的成分和性能分析

ZG230-450C屬于碳素鑄鋼，其化學成分和力學性能見表1[1]。

表1 ZG230-450C鑄鋼的化學成分和力學性能

美國焊接學會推薦的碳當量Ceq的計算式[2]為

Ceq=0.392%，因此鋼材自身的焊接性良好，但受鑄造時產生的魏氏組織的影響及該焊接屬于大型鑄鋼件焊接，隨著壁厚的增加，鑄鋼件內部的氣孔、疏松、晶粒粗大和偏析等加重，使其焊接性能下降。日本伊藤等人[3]提出的焊接裂紋敏感指數(shù)計算式為

由式(2)和式(3)計算得，ZG230-450C的冷裂紋敏感指數(shù)Pcm=0.313%。由于軸轂的厚度達240mm，焊接裂紋敏感指數(shù)Pc=0.713%。

事實上，該大型鑄鋼件的焊接存在的主要問題是容易發(fā)生鑄鋼件層間撕裂和裂紋及產生大的焊接變形。

2 焊接工藝認可試驗

2.1 試板的制備和焊接方法、焊接材料的確定

根據試板材料、厚度和接頭形式應與實際焊接情況相一致的原則，取試板尺寸為 120mm×160mm×550mm，試材寬為120mm、厚為60～240mm。

與一般的實心焊絲CO2焊相比，藥芯焊絲CO2焊的優(yōu)點為：電弧穩(wěn)定、柔軟、飛濺很少，焊縫成形好；渣氣聯(lián)合保護，焊縫金屬抗氣孔能力強；熔敷速度更快；焊接生產效率更高；藥芯可滲合金。因此，決定采用CO2藥芯半自動平角焊（FCAW），接頭形式為全焊透T型接頭，焊絲選用TWE-711藥芯焊絲，焊接襯墊選用JN401陶瓷襯墊[4-5]。

2.2 坡口形式和焊道排列

為有效減少焊接填充量，減小焊接應力，采用碳弧氣刨和砂輪打磨的方式加工U型坡口，坡口形式和尺寸見圖1。

為控制焊接變形，除使焊縫對稱布置以外，還要安排合理的焊接順序（見圖2），即：

1) 焊接約10道后停止，背面采用碳刨清根處理，并打磨干凈；

2) 反面焊接大約10道焊道；

3) 2名焊工左右同時同向焊接，且焊速一致。

2.3 焊接操作

選用YM-500KRⅡ焊機，由持中國船級社（China Classification Society，CCS）Ⅲ類證書的焊工施焊，根部選用較小的工藝參數(shù)，其他焊道選用較大的工藝參數(shù)（見表2）。

圖1 坡口形式和尺寸

圖2 焊道及其排列

表2 焊接工藝參數(shù)

焊接完成之后立即用石棉覆蓋，4h之后用電加熱器加熱至580～620℃，保溫3.5h，緩慢冷卻，以消除內應力。

2.4 焊后檢測和工藝評價

按照CCS的規(guī)范[5]，在焊接完成之后對焊縫表面進行磁粉探傷，對焊縫內部進行超聲波探傷，沒有發(fā)現(xiàn)焊接裂紋；對焊接接頭進行維氏硬度測量，并進行沖擊試驗和拉伸試驗，其機械性能指標均達到要求。

測量焊接完成之后工藝試板的外觀變形，偏移量為2mm，這主要是由于在實施“焊接步驟1)”之后，構件的剛性變大，實施“焊接步驟2)”產生的焊接應力引起的反變形不能完全抵消實施“焊接步驟1)”產生的變形。但是，2mm偏移量遠小于規(guī)范規(guī)定的10mm變形量，因此該工藝認可試驗成功，可應用于生產實際中。

3 艉軸架焊接工藝

3.1 加強剛性固定

針對艉軸架的結構特點，由于構件粗大，焊接量大，在裝配定位時必須對艉軸架加強剛性固定，剛性固定的措施見圖3。軸支架和內部構件先不進行精定位，里面留有一定的余量。在外部的軸轂和支架焊接完畢之后，必然會產生一定的變形，這時先重新定位校正再焊里面的構件，這樣可在總體上控制艉軸架的焊接變形。

圖3 艉軸架的剛性固定

3.2 采取焊接工藝措施

根據前面的分析和焊接工藝認可試驗，采取的焊接工藝措施見表3。

3.3 焊后檢測及焊接變形的處理

按照上述焊接順序和工藝措施對該大型船舶的艉軸架進行焊接，焊接完成之后進行檢測，結果見表4，焊接變形的處理見表5。

表3 艉軸架焊接工藝措施

表4 艉軸架焊后檢測結果

表5 艉軸架焊接變形的處理

4 結 語

針對ZG230-450C艉軸架鑄件的特點及其焊接的難點，通過進行嚴格的焊接工藝認可試驗，結合該艉軸架的結構特點，提出提高焊接質量、控制焊接變形的措施。實踐證明，該措施是行之有效的。對于焊接完成之后出現(xiàn)的在估計范圍內的小變形，可通過采取簡單的措施予以矯正。