某大型集裝箱船艉部鑄鋼件裂紋缺陷修補(bǔ)工藝研究

許志祥，張偉，楊立志

滬東中華造船集團(tuán)有限公司 上海 200129

1 序言

某大型集裝箱船在船塢搭載階段，艉部AB02分段后軸殼鑄鋼件艉軸孔鏜孔加工余量剩0.5mm時，鑄鋼件表面發(fā)現(xiàn)有一長條裂紋，長度650mm左右（見圖1）。后經(jīng)UT檢測發(fā)現(xiàn)，該處裂紋平均深度超過60mm，這在實際生產(chǎn)中非常少見。由于裂紋較嚴(yán)重，必須嚴(yán)格按相關(guān)船級社規(guī)范和工藝標(biāo)準(zhǔn)對裂紋缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，以確保后續(xù)相關(guān)生產(chǎn)計劃順利進(jìn)行。

圖1 鑄鋼件表面裂紋

2 鑄鋼件焊接特點

經(jīng)查此鑄鋼件材質(zhì)證書，其主要化學(xué)成分及碳當(dāng)量（Ceq）見表1，從表1中可看出，其Ceq為0.41%，表明此鑄鋼件焊接性一般。由于該處部位厚度約400mm，因此必須采取焊前預(yù)熱、控制焊接參數(shù)，以及焊后消應(yīng)力熱處理等措施，以確保修補(bǔ)焊接質(zhì)量[1]。

表1 鑄鋼件主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 修補(bǔ)工藝

因為裂紋缺陷深度較大，所以鑄鋼件供應(yīng)商、公司相關(guān)部門、船東及船檢等各方討論了修補(bǔ)工藝，在征得船級社的批準(zhǔn)且船東同意后開始執(zhí)行，具體方案如下。

（1）裂紋清除 裂紋清除的關(guān)鍵是確保裂紋缺陷完全清除，且在清除過程中應(yīng)避免裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生新的裂紋。

首先，在裂紋兩個端口分別開一個φ8mm止裂孔，深度為30～50mm。其次，采用紅外線電加熱裝置，對缺陷部位進(jìn)行局部加熱（100℃以上）。根據(jù)超聲波檢測結(jié)果，采用碳弧氣刨刨出相應(yīng)的深度，同時加工出一定的坡口形狀（見圖2）。坡口加工面應(yīng)打磨光滑，待坡口部分冷卻到50℃以下后再進(jìn)行PT和MT檢測。如檢查結(jié)果仍存在裂紋，則必須再將缺陷部分重新加熱至100℃以上，然后再進(jìn)行碳弧氣刨作業(yè)。清除裂紋時，預(yù)熱、碳弧氣刨、冷卻及無損檢測等工序可能會反復(fù)進(jìn)行，這樣才可確保坡口表面無裂紋缺陷存在。

圖2 鑄鋼件修補(bǔ)坡口形式

（2）焊接工藝要求 為防止鑄鋼件缺陷部位的后壁冷卻過快，在船塢現(xiàn)場后軸殼外圍搭設(shè)防風(fēng)雨棚及相應(yīng)的腳手架，防風(fēng)雨棚尺寸范圍應(yīng)包括從上到下整個后軸殼缺陷修補(bǔ)區(qū)域。焊前采用電加熱將裂紋修補(bǔ)區(qū)域預(yù)熱至100℃以上，應(yīng)在坡口兩側(cè)各放置一塊電加熱板。預(yù)熱溫度測量采用非接觸式紅外線激光測溫儀，測量部位應(yīng)選擇鑄鋼件內(nèi)側(cè)表面，距離U形坡口中心約100mm，現(xiàn)場做好預(yù)熱溫度記錄，待船東船檢確認(rèn)后再開始焊接。

由于裂紋缺陷深度大，補(bǔ)焊工作量大，焊接方法選用CO2氣體保護(hù)半自動焊[2]，焊絲選用GFL-71（φ1.2mm）。焊前將坡口內(nèi)部及兩側(cè)30mm范圍的水分、油污及鐵銹等雜質(zhì)清除干凈，坡口表面打磨光順并呈現(xiàn)出金屬光澤。焊接參數(shù)方面，焊接電流應(yīng)控制在170～280A，電弧電壓為20～25V，焊接速度控制在220～270mm/min，焊接過程中層間溫度應(yīng)控制在100～250℃。多層多道焊時每道焊縫完成后，錘擊焊道以減小殘余應(yīng)力。

（3）焊后熱處理 焊接結(jié)束后為了避免產(chǎn)生新的裂紋，清除補(bǔ)焊部位焊縫在冷卻時產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，對補(bǔ)焊部位還需進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，即將補(bǔ)焊區(qū)域緩慢加熱到一定溫度，保溫一段時間，然后進(jìn)行緩慢冷卻?，F(xiàn)場焊后熱處理采用電加熱方法，在鑄鋼件內(nèi)側(cè)和外側(cè)對應(yīng)位置放置兩塊電加熱板，位置如圖3所示。外側(cè)放置電加熱板時應(yīng)做好電加熱板的固定支撐。

圖3 電加熱板放置位置

焊后消應(yīng)力熱處理時，加熱速度不得高于100℃/h，加熱至550～620℃后應(yīng)保溫2～3h，然后再緩慢冷卻，冷卻速度不得高于50℃/h。采用保溫隔熱材料控制冷卻速度。在整個加熱、保溫和冷卻過程中電加熱設(shè)備采用熱電偶全程記錄溫度變化曲線。焊后熱處理過程中安排專人采用紅外線測溫儀記錄溫度變化過程，每隔0.5h記錄一次，溫度測量點應(yīng)對準(zhǔn)鑄鋼件表面。必要時電加熱設(shè)備上的溫度變化曲線和人工記錄的溫度變化數(shù)據(jù)應(yīng)詳細(xì)記錄。

（4）最終檢查 待補(bǔ)焊部位的消應(yīng)力熱處理結(jié)束且冷卻到常溫后，將所有焊縫打磨至與周圍鑄鋼件曲面平滑過渡。然后在缺陷修補(bǔ)焊接完成至少24h后進(jìn)行UT、PT及MT檢測，且相關(guān)檢測人員應(yīng)具有II級以上資質(zhì)證書。所有檢查結(jié)果提交船東和船檢。

4 實施過程

上述修補(bǔ)方案在征得船東、船檢同意后，開始在現(xiàn)場實施。技術(shù)人員對裂紋消除、焊接過程和焊后熱處理進(jìn)行全程跟蹤，期間船東、船檢也多次到現(xiàn)場巡查。實際修補(bǔ)過程中，進(jìn)展最慢的是裂紋清除階段，耗時將近兩周時間。由于裂紋清除之前要加熱至100℃以上，裂紋缺陷碳弧氣刨后又要進(jìn)行無損檢測確認(rèn)需將缺陷部位冷卻至50℃以下，而厚度為400mm左右的鑄鋼件加熱速度快，而冷卻速度卻很慢，幾乎不到10℃/h，因此等待冷卻耗時較多。

另外，在碳弧氣刨過程中也從坡口側(cè)面發(fā)現(xiàn)了新的裂紋，于是又向兩側(cè)進(jìn)行加工，不斷將坡口擴(kuò)大。中間反復(fù)進(jìn)行加熱→碳弧氣刨→冷卻→無損檢測等過程，最后通過MT、PT無損檢測確認(rèn)裂紋完全消除時形成的坡口如圖4所示。

圖4 鑄鋼件表面坡口

經(jīng)船東、船檢現(xiàn)場確認(rèn)表面裂紋全部清除后，后續(xù)焊接修補(bǔ)及熱處理工作進(jìn)展較為順利。補(bǔ)焊工作共進(jìn)行了3天，期間安排了專人負(fù)責(zé)焊接預(yù)熱及焊后消應(yīng)力熱處理。

最后當(dāng)熱處理全部結(jié)束24h后，補(bǔ)焊部位冷卻到常溫，將焊縫表面打磨至實施UT檢測需要的條件，然后再進(jìn)行100%UT和100%MT檢測。檢測結(jié)果表明，補(bǔ)焊部位焊縫內(nèi)部及表面質(zhì)量均100%合格，最終順利完成此次鑄鋼件裂紋修補(bǔ)工作。

5 結(jié)束語

綜上所述，大型船用鑄鋼件出現(xiàn)的裂紋缺陷，采用碳弧氣刨清除裂紋、無損檢測確認(rèn)缺陷清除、焊接預(yù)熱、控制焊接參數(shù)和焊后消應(yīng)力熱處理等工藝措施是合理的。