某大型集装箱船艉部铸钢件裂纹缺陷修补工艺研

1 序言

某大型集装箱船在船坞搭载阶段，艉部AB02分段后轴壳铸钢件艉轴孔镗孔加工余量剩0.5mm时，铸钢件表面发现有一长条裂纹，长度650mm左右（见图1）。后经UT检测发现，该处裂纹平均深度超过60mm，这在实际生产中非常少见。由于裂纹较严重，必须严格按相关船级社规范和工艺标准对裂纹缺陷进行修补，以确保后续相关生产计划顺利进行。

图1 铸钢件表面裂纹

2 铸钢件焊接特点

经查此铸钢件材质证书，其主要化学成分及碳当量（Ceq）见表1，从表1中可看出，其Ceq为0.41%，表明此铸钢件焊接性一般。由于该处部位厚度约400mm，因此必须采取焊前预热、控制焊接参数，以及焊后消应力热处理等措施，以确保修补焊接质量[1]。

表1 铸钢件主要化学成分（质量分数） （%）C Si Mn Ni Cr Mo V Ceq 0.16 0.34 1.13 0.06 0.19 0.03 0.003 0.41

3 修补工艺

因为裂纹缺陷深度较大，所以铸钢件供应商、公司相关部门、船东及船检等各方讨论了修补工艺，在征得船级社的批准且船东同意后开始执行，具体方案如下。

（1）裂纹清除 裂纹清除的关键是确保裂纹缺陷完全清除，且在清除过程中应避免裂纹扩展产生新的裂纹。

首先，在裂纹两个端口分别开一个φ8mm止裂孔，深度为30～50mm。其次，采用红外线电加热装置，对缺陷部位进行局部加热（100℃以上）。根据超声波检测结果，采用碳弧气刨刨出相应的深度，同时加工出一定的坡口形状（见图2）。坡口加工面应打磨光滑，待坡口部分冷却到50℃以下后再进行PT和MT检测。如检查结果仍存在裂纹，则必须再将缺陷部分重新加热至100℃以上，然后再进行碳弧气刨作业。清除裂纹时，预热、碳弧气刨、冷却及无损检测等工序可能会反复进行，这样才可确保坡口表面无裂纹缺陷存在。

图2 铸钢件修补坡口形式注：α≥15°，R=10mm。

（2）焊接工艺要求 为防止铸钢件缺陷部位的后壁冷却过快，在船坞现场后轴壳外围搭设防风雨棚及相应的脚手架，防风雨棚尺寸范围应包括从上到下整个后轴壳缺陷修补区域。焊前采用电加热将裂纹修补区域预热至100℃以上，应在坡口两侧各放置一块电加热板。预热温度测量采用非接触式红外线激光测温仪，测量部位应选择铸钢件内侧表面，距离U形坡口中心约100mm，现场做好预热温度记录，待船东船检确认后再开始焊接。

由于裂纹缺陷深度大，补焊工作量大，焊接方法选用CO2气体保护半自动焊[2]，焊丝选用GFL-71（φ1.2mm）。焊前将坡口内部及两侧30mm范围的水分、油污及铁锈等杂质清除干净，坡口表面打磨光顺并呈现出金属光泽。焊接参数方面，焊接电流应控制在170～280A，电弧电压为20～25V，焊接速度控制在220～270mm/min，焊接过程中层间温度应控制在100～250℃。多层多道焊时每道焊缝完成后，锤击焊道以减小残余应力。

（3）焊后热处理 焊接结束后为了避免产生新的裂纹，清除补焊部位焊缝在冷却时产生的残余内应力，对补焊部位还需进行消除应力热处理，即将补焊区域缓慢加热到一定温度，保温一段时间，然后进行缓慢冷却。现场焊后热处理采用电加热方法，在铸钢件内侧和外侧对应位置放置两块电加热板，位置如图3所示。外侧放置电加热板时应做好电加热板的固定支撑。

图3 电加热板放置位置

焊后消应力热处理时，加热速度不得高于100℃/h，加热至550～620℃后应保温2～3h，然后再缓慢冷却，冷却速度不得高于50℃/h。采用保温隔热材料控制冷却速度。在整个加热、保温和冷却过程中电加热设备采用热电偶全程记录温度变化曲线。焊后热处理过程中安排专人采用红外线测温仪记录温度变化过程，每隔0.5h记录一次，温度测量点应对准铸钢件表面。必要时电加热设备上的温度变化曲线和人工记录的温度变化数据应详细记录。

（4）最终检查 待补焊部位的消应力热处理结束且冷却到常温后，将所有焊缝打磨至与周围铸钢件曲面平滑过渡。然后在缺陷修补焊接完成至少24h后进行UT、PT及MT检测，且相关检测人员应具有II级以上资质证书。所有检查结果提交船东和船检。

4 实施过程

上述修补方案在征得船东、船检同意后，开始在现场实施。技术人员对裂纹消除、焊接过程和焊后热处理进行全程跟踪，期间船东、船检也多次到现场巡查。实际修补过程中，进展最慢的是裂纹清除阶段，耗时将近两周时间。由于裂纹清除之前要加热至100℃以上，裂纹缺陷碳弧气刨后又要进行无损检测确认需将缺陷部位冷却至50℃以下，而厚度为400mm左右的铸钢件加热速度快，而冷却速度却很慢，几乎不到10℃/h，因此等待冷却耗时较多。

文章来源：《材料热处理学报》 网址: http://www.clrclxbzz.cn/qikandaodu/2021/0207/467.html