沈江龍　葛文華　馬險峰　黃崗　李健

(1. 南通迪施有限公司　南通　226003)

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原創(chuàng)

齒輪襯套裂紋焊補修復(fù)工藝及應(yīng)用

沈江龍1葛文華1馬險峰1黃崗1李健1

(1. 南通迪施有限公司南通226003)

基于某型近海自升式海洋鉆井平臺，針對其齒輪齒條式提升系統(tǒng)的齒輪襯套與齒輪箱安裝座基礎(chǔ)焊接后出現(xiàn)的大量裂紋，研究了A487鑄鋼材料特性，制定了1套以生鐵焊接技術(shù)為核心，溫度把控為關(guān)鍵的齒輪襯套裂紋修復(fù)工藝。試驗及實際應(yīng)用結(jié)果表明，該修復(fù)工藝是科學(xué)的。該修復(fù)工藝已成功應(yīng)用于某型自升式海洋鉆井平臺，并可應(yīng)用于其他領(lǐng)域。

自升式海洋鉆井平臺提升系統(tǒng)齒輪襯套A487鑄鋼焊接技術(shù)

0　引言

自升式鉆井平臺的關(guān)鍵部分—齒輪箱安裝座基礎(chǔ)及支撐結(jié)構(gòu)的焊接難度最大，主要是因為其中的主板EQ56板材為全進口的高強度調(diào)質(zhì)鋼板，齒輪襯套為A487高強度承壓鑄鋼，焊接要求及過程控制要求非常高。

在建造焊接施工過程中，齒輪箱安裝座基礎(chǔ)在與齒輪襯套焊接后出現(xiàn)了大量的裂紋，其中9只齒輪襯套中的貫穿裂紋就有9條之多，長度在7～16cm不等，小裂紋有數(shù)十處，而且根據(jù)船級社規(guī)范裂紋只能返修1次。

齒輪襯套出現(xiàn)裂紋后，生產(chǎn)單位對有貫穿裂紋的齒輪襯套建議報廢，但如果報廢，勢必嚴重影響建造周期，同時將影響船東及船級社對該船廠建造自升式鉆井平臺的信心，對船廠的后續(xù)接單產(chǎn)生重大影響。

針對齒輪襯套裂紋情況，研究人員進行了認真分析研究，論證之后制定了焊補修復(fù)工藝流程。

1　焊補工藝

1.1母材及焊材分析

ASTMA487 GRADE 4-D[1]承壓鑄鋼的材質(zhì)成份見表1：

項目參數(shù)成份CSiMnPSCr占比0.270.350.660.020.0130.75成分NiMoCuAlVW占比0.710.230.040.0100.0060.018

其碳當(dāng)量為：

Ceq=C+40(Mn+Cr)/360+20Ni/360

+28Mo/360=0.484

(1)

一般認為, 當(dāng)材料的碳當(dāng)量Ceq ≥0.45%時, 可焊性較差。材料的碳當(dāng)量越高, 焊縫及熱影響區(qū)的淬硬傾向越大, 越容易產(chǎn)生裂紋。此外,厚度越大, 散熱越快, 越易形成淬硬組織。

經(jīng)過各項分析論證，將研究人員制定的齒輪襯套裂紋補焊工藝提交給船東和船級社，并取得了認可[2-3]。

1.2去除裂紋

認真分析裂紋產(chǎn)生[4-8]主要原因： (1) 由于齒輪襯套在鑄造時本身就存在鑄造缺陷加大，誘發(fā)產(chǎn)生裂紋，如氣孔、砂眼等。在焊接過程中，這些隱蔽的缺陷隨時有可能發(fā)展成裂紋。(2) 齒輪襯套焊接于齒輪箱安裝座圓形孔中，體積大、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊后退火困難，難以完全驅(qū)除應(yīng)力。(3) 在原有鑄造缺陷處形成嚴重的殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而缺陷加大，誘發(fā)成為裂紋。

去除裂紋方案： (1) 去除裂紋前先磁粉(MT)探傷確認裂紋位置并標(biāo)記，小裂紋直接用角磨機去除。(2) 貫穿裂紋研究裂紋走向后在裂紋前端5 mm 處打直徑為6 mm貫通止裂孔，用砂輪打磨機去除裂紋，用角磨機修整坡口，坡口內(nèi)應(yīng)圓滑，易于施焊。(3) 去除裂紋后MT探傷檢驗裂紋是否挖除干凈，用砂輪打磨機在坡口的補焊區(qū)周圍100 mm以上的寬度磨出金屬光澤表面。(4) 對于貫穿較大裂紋，打磨后坡口開口較大，則可以在軸套背面加上焊接面打磨光亮的墊板。(5) 用酒精將坡口及補焊區(qū)周圍清掃干凈后，方可焊接。

操作步驟如圖1所示。

圖1　操作步驟

1.3焊前準(zhǔn)備

因為鑄鋼件的可焊性較差，必須選用有經(jīng)驗的焊工進行焊接作業(yè)。焊前應(yīng)作本工藝的操作練習(xí)，用焊樣證明能掌握本工藝后再對齒輪襯套進行焊接。

焊接工具應(yīng)有焊接設(shè)備、尖形手錘、鋼絲刷子、手電筒、電焊條保溫筒、角磨機和測溫器等。

由于焊接過程中溫度高，做好防燙，防中暑等安全準(zhǔn)備。應(yīng)有2人以上焊接人員輪流焊接，另應(yīng)配有溫度監(jiān)控人員，焊縫錘擊人員。

焊材的準(zhǔn)備：補焊使用Conarc80 Ф3.2(林肯)焊條，所有焊材(E11018)的控制、領(lǐng)用及保管必須嚴格按照焊材管理程序執(zhí)行。

1.4預(yù)熱

焊前預(yù)熱的目的, 一方面減緩焊縫及熱影響區(qū)的冷卻速度, 從而有利于軟化影響區(qū)的纖維組織,避免焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織; 另一方面在于有利于氫的逸出。

預(yù)熱溫度主要是根據(jù)母材和焊縫金屬的化學(xué)成分、板厚、接頭的拘束度及施焊時的工藝方法來進行選擇。預(yù)熱溫度越高, 防止裂紋產(chǎn)生的效果越好,但是超過必須的預(yù)熱溫度不僅不經(jīng)濟, 而且會使熔合區(qū)附近的金屬晶粒粗化, 從而降低接頭質(zhì)量。

由計算公式:

(2)

可求出預(yù)熱溫度δ=190℃。

式中:Tp為預(yù)熱溫度;Ceq為含碳量;t為板厚(mm)。焊接時, 保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度。

預(yù)熱時將加熱片緊貼齒輪襯套修復(fù)端繞一圈進行布置，并用保溫棉在外層緊密包裹。做好電加熱片及防觸電安全保護措施。

對有裂紋齒輪襯套表面用加熱帶整體加熱至200～300℃，加熱時間不低于2.0h，達到溫度后保溫1.0h以上，焊前再降溫至150～200℃之間，降溫時間0.5～1.0h。溫度通過熱傳感器和溫度控制柜控制，溫控人員做好監(jiān)測和記錄。

1. 5 焊接、層溫控制

待所有準(zhǔn)備工作到位，溫度達到焊接要求后開始焊接，焊接過程中，焊縫層間溫度保持在170～200℃之間，每道焊之前，溫控人員都要測量溫度，并做好溫控記錄。溫度過高則等溫度降下來再焊，溫度過低則需加熱。施焊人員要掌握好施焊節(jié)奏。

每焊完一段后，在電弧熄滅的當(dāng)即，焊道尚在紅熱狀態(tài)，用尖手錘似雨點般快速錘擊焊道，直至焊波消失，也就是當(dāng)焊縫結(jié)晶產(chǎn)生拉應(yīng)力時，用外力助其塑性延伸而降低熱應(yīng)力，并且提高其致密性。如果動作太慢，使焊縫冷卻后再錘擊，其效果喪盡，甚至有加速硬化和破碎熔合線之害。所以趁熱快速錘擊是取得降低應(yīng)力的關(guān)鍵，故其錘擊的操作應(yīng)由另外一個人協(xié)助工作。并將殘渣清理干凈，這可消除應(yīng)力和使焊縫組織細化，以防止產(chǎn)生裂紋。

在焊完1層焊縫后，尤其是母材側(cè)的焊縫，清除藥皮后應(yīng)仔細檢查有無裂紋、剝離層等缺陷，發(fā)現(xiàn)該缺陷后立即打磨掉重焊。

在焊上層焊道時，應(yīng)把下層焊道重疊一半(圖2)。焊道半重疊，可改善焊縫組織，起到退火作用，并有利于消除下層焊道的氣孔。

圖2　焊接過程

采用先焊坡口邊，后焊坡口中心，并有一定次序的定向交叉焊接，如圖2所示，這可減緩焊縫從坡口兩側(cè)向中間會合時所產(chǎn)生的強收縮，防止產(chǎn)生裂紋。

層間焊接時單層焊道厚度不超過3mm，焊完之后焊縫余高不超過母材3mm，探傷時用砂輪打磨機打磨平。

1. 6后熱及退火

后熱又稱去氫處理, 它的作用是進一步促進剩余氫從焊縫中向外擴散。對多層焊來說, 隨著后熱溫度的提高和時間的延長, 擴散氫會迅速減少。采取焊后立即用石棉布包好進行退火處理，以去除焊接應(yīng)力。焊后熱處理溫度控制在580～600℃，并保溫不低于3h。 其熱處理曲線如圖3所示。

圖3　熱處理曲線

1.7探傷合格檢驗

MT探傷要求在焊后熱處理完成后48.0h進行，探傷前將焊縫表面打磨光滑，使焊縫與母材光滑過度，探傷檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋。這說明, 只要采用合理的焊接工藝和焊接方法進行補焊，完全可以消除裂紋。

3　修復(fù)意義

齒輪襯套裂紋的成功焊補，避免了重大損失，克服了自升式鉆井平臺在制造過程中出現(xiàn)的最大困難，提高了的生產(chǎn)進度，增加了船東船檢對該船務(wù)公司自升式平臺制造的信心，為自升式鉆井平臺最終完工按期交付做出了重大貢獻。

4　先進性及推廣應(yīng)用

應(yīng)用專有生鐵焊接技術(shù)于齒輪襯套裂紋補焊，

其順序為：

(1) 綜合分析裂紋形狀結(jié)構(gòu)，確定打磨坡口形式及尺寸；

(2) 分析應(yīng)力分布，確定焊接形式及焊接順序；

(3) 焊接過程中適時密集的錘擊。

由于采用了科學(xué)的預(yù)熱溫度分析控制方法，因材而施，保證了焊接工藝的科學(xué)性。將高強度鋼焊接技術(shù)與專有生鐵焊接技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)造性地形成了1種獨特的高強度鋼焊接技術(shù)。

5　結(jié)語

齒輪襯套裂紋修復(fù)工藝的關(guān)鍵在于焊接材料的選擇、焊接過程，將溫度控制在相對恒定的合理區(qū)域，各工藝步驟時間節(jié)點的無余量銜接。同時，與裂紋的去除徹底、各種應(yīng)力消除、焊工的素質(zhì)技能等因素都密不可分。

該修復(fù)工藝已在某型自升式海洋平臺上應(yīng)用，并得到可行可靠驗證?？赏茝V應(yīng)用于其他領(lǐng)域，主要針對各類高強度鋼，如自升式平臺的樁腿焊接及裂紋修復(fù)。

[1] ASTM A487/A487M-D[S].美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)一般用途承壓鑄鋼，1998.

[2] 海洋平臺建造規(guī)范[M]，美國船級社(ABS),2008.

[3] STEEL VESSELS [M]，美國船級社(ABS),2008.

[4] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].機械工業(yè)出版社，第1版，2002.

[5] 鄒增大.焊接材料、工藝及設(shè)備手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2001，8.

[6] 王成文.焊接材料手冊及工程應(yīng)用案例[M].山西科學(xué)技術(shù)出版社，2004，6.

[7] 王宗杰，臧汝恒，李德元.工程材料焊接技術(shù)問答[M].機械工業(yè)出版社，2002，8.

[8] 羅誠.焊接和切割新技術(shù)新工藝與應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[M].中國科學(xué)文化出版社.