異種金屬焊接在船用主機(jī)燃油過(guò)濾器修復(fù)中的應(yīng)用

王 飛

（武昌船舶重工集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖北武漢430060）

0 前言

2017年，已使用32年的XX船無(wú)法滿(mǎn)足使用要求，需進(jìn)行內(nèi)部大范圍的改造。在主機(jī)艙的改造過(guò)程中，施工人員發(fā)現(xiàn)主機(jī)燃油過(guò)濾器的連接法蘭及管口處出現(xiàn)裂紋，該燃油過(guò)濾器為鑄鐵材質(zhì)，且出現(xiàn)裂紋的位置極其狹窄，修復(fù)非常困難。由于船齡較老，市場(chǎng)上無(wú)現(xiàn)成部件，只能向廠家定制，時(shí)間需要1～2個(gè)月，施工管理人員決定修復(fù)該燃油過(guò)濾器，不影響交船周期。

1 修復(fù)方案

1.1 修復(fù)難點(diǎn)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看，該燃油過(guò)濾器的修復(fù)難點(diǎn)有：

（1）鑄鐵材質(zhì)的焊接性較差。

（2）燃油過(guò)濾器上出現(xiàn)裂紋的位置極其狹小，幾乎不能采用常規(guī)方法修復(fù)。

（3）即使修復(fù)好，法蘭上補(bǔ)焊處的強(qiáng)度難以承受螺栓固定時(shí)的力度。

鑒于此，初步設(shè)想是直接將破裂的法蘭切割下來(lái)，然后用一段相同規(guī)格的雙相不銹鋼管將切割端的管口焊接延長(zhǎng)一定距離（如圖1虛線(xiàn)處所示），保證有足夠的空間施焊。

圖1 燃油過(guò)濾器修復(fù)方案示意

1.2 異種金屬修復(fù)

采用雙相不銹鋼管和鑄鐵管口連接主要基于以下幾點(diǎn)考慮：（1）武昌船舶重工集團(tuán)無(wú)相同規(guī)格的鑄鐵管材和鑄鐵法蘭。（2）柴油中的硫化物等物質(zhì)有一定的腐蝕性，因此不采用普通20#鋼管來(lái)替代。（3）雙相不銹鋼管既有良好的耐晶間腐蝕性又有良好的力學(xué)性能。

然后在管口的另一端焊上不銹鋼法蘭和其他管路連接，既消除了法蘭上的缺陷，又保證了螺栓緊固法蘭時(shí)的強(qiáng)度，但是該方法的難點(diǎn)在于灰鑄鐵管口和雙相不銹鋼管口兩種異種金屬的焊接。

1.3 異種金屬焊接難點(diǎn)

雙相不銹鋼和灰鑄鐵焊接不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：

（1）灰鑄鐵與不銹鋼的焊縫中容易產(chǎn)生裂紋，若不采取特殊工藝措施，可能出現(xiàn)焊縫與兩種母材“剝離”的現(xiàn)象[1]。

（2）鑄鐵與不銹鋼的接頭易出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，明顯降低接頭力學(xué)性能。

（3）在鑄鐵母材一側(cè)容易出現(xiàn)白口組織，增加焊縫的脆硬性[2]。

（4）在不銹鋼母材一側(cè)容易產(chǎn)生晶間腐蝕，引起裂紋。

（5）鑄鐵與不銹鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)不一樣，在焊接應(yīng)力的作用下會(huì)引起裂紋。

2 焊接材料分析及異種鋼的焊接

2.1 灰鑄鐵

（1）熱處理時(shí)將鑄件加熱到500～600℃，保溫一段時(shí)間后隨爐緩冷至150～200℃以下，出爐空冷，主要用于消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力[3]。

（2）灰鑄鐵焊接時(shí)，焊接接頭中的裂紋傾向較大，為了防止產(chǎn)生裂紋，在生產(chǎn)中主要采取減小焊接應(yīng)力、改變焊縫合金系統(tǒng)以及限制母材中雜質(zhì)熔入焊縫等措施。

（3）灰鑄鐵焊接時(shí)，采用異質(zhì)金屬進(jìn)行鑄鐵焊接，使焊縫組織不是鑄鐵，防止焊縫白口的產(chǎn)生；防止或減弱從母材過(guò)渡到焊縫中的碳產(chǎn)生高硬組織的有害作用[4]。

2.2 雙相不銹鋼2205

（1）與鐵素體相比，其塑性和韌性更高，無(wú)室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高；與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕性能明顯提高。

（2）雙相不銹鋼既不同于鐵素體不銹鋼的焊接熱影響區(qū)因晶粒粗化而使塑性、韌性大幅降低；也不同于奧氏體不銹鋼對(duì)焊接熱裂紋較敏感[5]。

（3）雙相不銹鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)與碳鋼接近，與奧氏體不銹鋼相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.3 材料性能的對(duì)比及焊接材料的選擇

（1）焊接材料線(xiàn)膨脹系數(shù)的對(duì)比如表1所示。

碳鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)與鑄鐵相近，而雙相不銹鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)與碳鋼接近。所以雙相不銹鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)與鑄鐵相近，從理論上講不會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力差，控制得當(dāng)不會(huì)出現(xiàn)裂紋。

（2）雖然雙相不銹鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)與鑄鐵相近，但存在一定差值，焊接時(shí)應(yīng)時(shí)刻注意減小應(yīng)力，可對(duì)鑄鐵采取消應(yīng)力退火、焊接過(guò)程中敲擊鑄鐵焊口周?chē)尫牌鋺?yīng)力并限制鑄鐵母材中雜質(zhì)熔入焊縫。

表1 材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)

（3）根據(jù)以上分析，決定采用雙相不銹鋼焊絲2205焊接兩種異種金屬的管口。

3 焊接操作過(guò)程

（1）將破裂燃油過(guò)濾器的法蘭切割下來(lái)，在鑄鐵管口兩端30 mm內(nèi)打磨露出金屬光澤，并打磨出約30°的坡口，同時(shí)將雙相不銹鋼管口處也打磨出約30°的坡口。

（2）此次焊接修復(fù)設(shè)想為：采用更能清晰觀察熔池的TIG焊修復(fù)，將燃油過(guò)濾器用氧—乙炔火焰預(yù)熱到600～700℃，然后用70 A的焊接電流（采用較小的焊接電流主要是限制母材中雜質(zhì)熔入焊縫）在鑄鐵管口上堆焊一層雙相不銹鋼，堆焊時(shí)采取間斷堆焊的方式，如圖2所示。

圖2 鑄鐵管口堆焊示意（俯視圖）

由于管口的外徑約為40 mm，焊接時(shí)每堆焊約8 mm停下并敲擊管口釋放應(yīng)力，先間斷式地在管口上堆焊一圈，等管口冷卻至約60℃后再堆焊其他位置，逐個(gè)敲擊管口，直至管口上全部堆焊一層雙相不銹鋼，采取間斷堆焊的目的是防止管口整體收縮時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力而壓裂鑄鐵管口；然后按照上述方法在鑄鐵管口上堆焊第二層雙相不銹鋼焊，焊完后立即將燃油過(guò)濾器加熱到850～900℃，保溫1～2 h進(jìn)行高溫石墨化退火，并用石棉包裹緩冷至400～500℃再空冷，從而降低鑄件的硬度并減小其應(yīng)力。待燃油過(guò)濾器整體冷卻至室溫后，將堆焊過(guò)的管口打磨出坡口（見(jiàn)圖3）與雙相不銹鋼的管口焊接，內(nèi)部充氬氣保護(hù)焊接，管口焊接時(shí)采用全熔透的工藝防止根部未焊透處產(chǎn)生應(yīng)力集中。焊接時(shí)管口間隙不可過(guò)大，盡量采取較小的焊接參數(shù)，且控制層間溫度不可過(guò)高。然后把雙相不銹鋼管的另一端和不銹鋼法蘭焊接起來(lái)，整個(gè)修復(fù)過(guò)程完成。

圖3 過(guò)渡層堆焊示意（側(cè)視圖）

（3）為慎重起見(jiàn)，先按照上述工藝在切割下來(lái)的破損法蘭上堆焊一層雙相不銹鋼，焊后用“著色”無(wú)損檢測(cè)法檢測(cè)焊縫，結(jié)果焊縫及熱影響區(qū)都未出現(xiàn)裂紋，證明了設(shè)想的可行性。

（4）按照上述方法完成燃油過(guò)濾器的焊接修復(fù)，鑄鐵管口和雙相不銹鋼管口附近均未出現(xiàn)裂紋，修復(fù)成功。

4 焊后檢驗(yàn)

修復(fù)完成24 h后，先用“著色”無(wú)損檢測(cè)法檢測(cè)燃油過(guò)濾器的焊縫及熱影響區(qū)，然后按照燃油過(guò)濾器的工作壓力的1.5倍進(jìn)行水壓密試檢驗(yàn)，結(jié)果顯示一切完好。

最后施工人員將主機(jī)燃油過(guò)濾器接入系統(tǒng)，主機(jī)動(dòng)車(chē)成功。截止目前，修復(fù)的主機(jī)燃油過(guò)濾器已運(yùn)行達(dá)半年之久。

5 結(jié)論

該修復(fù)方案的成功實(shí)施為解決相關(guān)問(wèn)題提供了借鑒，也為鑄鐵-雙相不銹鋼異種金屬的焊接提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。