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        船用大型鑄鋼件焊接裂縫及修復(fù)工藝研究

        2012-10-30 08:12:12
        船舶與海洋工程 2012年4期
        關(guān)鍵詞:焊趾鑄鋼件坡口

        王 帆

        (中國人民解放軍4805工廠,上海 200135)

        0 引 言

        船體結(jié)構(gòu)中的鑄鋼件一般具有較大的厚度和剛性,且形狀復(fù)雜,常用于承受較大載荷的結(jié)構(gòu)件,如:艏柱、艉柱、艉軸架及掛舵臂等,這些鑄件鋼結(jié)構(gòu)一旦由于焊接和熱處理時產(chǎn)生裂紋缺陷時再修復(fù)往往比較困難。如何掌握正確的焊接原理,采取行之有效的修理焊接工藝是確保質(zhì)量的關(guān)鍵。

        材料因受熱的影響(但未溶化)而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域稱之為熱影響區(qū)。凡是通過局部加熱,實現(xiàn)金屬連接的焊接方法,不論是熔焊或固態(tài)焊接,由于其加熱的瞬時性和局部性使焊縫附近的母材都經(jīng)受了一種特殊熱循環(huán)的作用。其特點為升溫速度快,冷卻速度快[1]。例如在板厚為20mm的低碳鋼上用16kJ/cm的熱輸入進行焊條電弧堆焊時,由室溫加熱到峰值溫度為1100℃所需時間僅為4s左右,冷卻到200℃僅需 1min左右。焊接加熱的另一特點為溫度場分布極不均勻,緊靠焊縫的高溫區(qū)內(nèi)接近于熔點,遠(yuǎn)離焊縫的低溫區(qū)內(nèi)接近于室溫,而且峰值溫度越高的部位,加熱速度越快,冷卻速度也越快。因此形成了一個組織和性能極不均勻的焊接熱影響區(qū),使該部位的組織和性能變壞。

        1 焊接裂紋種類和成因

        對于船用大型鑄鋼件的焊接, 只要選擇了合適的焊接材料和工藝, 可以采用手工電弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護焊等不同的方法。焊接過程所要解決的首要問題就是防止焊后裂紋的產(chǎn)生; 其次是在滿足強度要求的同時, 提高焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)的韌性, 使之滿足材料和焊接規(guī)范的要求。

        1.1 裂紋種類

        焊縫的裂紋大體分為熱裂紋和冷裂紋,裂紋是大型鑄鋼件焊接接頭中最為嚴(yán)重的缺欠,其危害性極大。焊接接頭中的裂紋不僅僅產(chǎn)生于焊接過程中的焊接裂紋,還有在焊后熱處理中產(chǎn)生的裂紋,如消除應(yīng)力處理時產(chǎn)生的裂紋是在對焊接接頭再次加熱到高溫(通常在500~700℃)時產(chǎn)生的,可以稱之為“再熱裂紋”。另一類裂紋則是要經(jīng)過一段時間才出現(xiàn),剛開始少量出現(xiàn)隨著時間增長逐漸增多和擴展,稱之為“延遲裂紋”[1]。

        針對鑄件對接在最為關(guān)鍵的施焊過程中容易產(chǎn)生的幾種最常見冷裂紋有:

        1) 焊趾裂紋:起源于母材與焊縫交界處,并有明顯應(yīng)力集中部位,裂紋走向經(jīng)常與焊道平行,一般由焊趾表面開始向母材深處擴展;

        2) 焊道下裂紋:經(jīng)常發(fā)生在淬硬傾向較大,含氫量較高的焊接熱影響區(qū),一般情況下裂紋走向與熔合線平行;

        3) 根部裂紋:是延遲裂紋中比較常見的一種形態(tài),主要發(fā)生在含氫量較高、預(yù)熱溫度不足的情況下,它與焊趾裂紋相似,起源于焊縫根部應(yīng)力集中最大的部位[2]。

        1.2 冷裂紋形成原因

        1) 鑄鋼件的化學(xué)成分對冷裂紋形成的影響:鑄鋼的淬硬傾向很大程度上取決于鑄鋼的化學(xué)成分,當(dāng)鋼淬硬傾向較大時,在快速冷卻下就會出現(xiàn)片狀馬氏體,而且片內(nèi)有平行狀的孿晶,也稱孿晶馬氏體[3]。它的硬度很高,性能很脆,很容易產(chǎn)生焊接冷裂紋。由于船用鑄鋼件為低碳鋼,且添加了多種微量元素,使這類鋼熱影響區(qū)呈低碳馬氏體和自回火馬氏體,有較好的塑性和韌性。因此船用鑄鋼件添加合理的化學(xué)成分為其具有良好的焊接性提供了保證;

        2) 氫和碳對冷裂紋形成的影響:冷裂紋均發(fā)生在“富氫地帶”,可見,氫對冷裂紋有十分重要的影響。在焊接高溫作用下有大量的氫溶解在熔池中,而在隨后的冷卻和凝固過程中,奧氏體相變?yōu)殍F素體卻引起氫的溶解度急劇降低。此時氫極力逸出,但因冷卻速度很快,氫來不及逸出而保留在焊縫金屬中,從而使此處氫處于過飽和狀態(tài)。當(dāng)氫的濃度足夠高時,將產(chǎn)生根部裂紋或焊趾裂紋[4]。一般情況下船用鑄鋼件的含氫量很低,所選用的焊材也均為低氫型,但由于外部因素如運輸、儲存、預(yù)處理等造成了氫的富集,如焊接材料中的水分,焊件坡口處的鐵銹、油污以及環(huán)境濕度等都是焊縫中富氫的原因,另外往往坡口和清根用碳弧氣刨開設(shè),坡口處的碳跡必須打磨干凈出白,以降低焊接處的碳當(dāng)量。所以對焊接環(huán)境的控制如焊條的烘干、坡口的清潔等以對氫含量和碳含量進行嚴(yán)格的控制。這一點,對于幾乎完全在露天作業(yè)的大型鑄鋼件焊接顯得尤為重要;

        3) 焊接工藝對冷裂紋形成的影響:對于重要的焊接結(jié)構(gòu),焊接線能量的控制特別嚴(yán)格。線能量過大,會引起熱影響區(qū)過熱使晶粒粗大,降低接頭的抗裂性能;而線能量過小則會降低冷卻時間,使熱影響區(qū)淬硬,也不利于氫的逸出,增加冷裂傾向。因此,制定焊接工藝時應(yīng)當(dāng)合理選擇焊接線能量,并在施工中嚴(yán)格進行控制,不能隨意變動;

        4) 預(yù)熱溫度與層間溫度的控制對冷裂紋形成的影響:預(yù)熱可以有效的防止冷裂紋。但預(yù)熱溫度并不是越高越好,預(yù)熱溫度選擇過高,一方面惡化勞動條件,增加成本;另一方面局部過熱產(chǎn)生附加應(yīng)力,反而會加劇冷裂紋的產(chǎn)生,因此在鑄鋼件焊接前一般是對焊縫兩側(cè)各100~200mm范圍采用履帶式加熱器進行預(yù)熱,溫度控制在125~200℃??刹扇‰娔X對預(yù)熱溫度進行控制,并可輸出“溫度~時間”曲線,從而對預(yù)熱溫度進行有效的控制。另外多層焊也會對冷裂紋產(chǎn)生影響,由于后焊層會對前焊層有消氫作用并能改善前層焊縫和熱影響區(qū)的金相組織,較合適的層間溫度為150~250℃,其溫度下限用以保證在多層焊中后道焊縫有基本的預(yù)熱條件,其溫度上限以避免出現(xiàn)熱應(yīng)力裂紋。在焊接過程中可通過補充加熱或緩慢焊接來控制層間溫度;

        5) 焊后熱處理對冷裂紋形成的影響:大型鑄鋼件在焊接完畢后應(yīng)將焊縫區(qū)域用電加熱設(shè)備加熱到400~500℃保溫2h,并覆以防火巖棉,然后使其緩慢冷卻;

        6) 拘束應(yīng)力對冷裂紋形成的影響:當(dāng)焊接產(chǎn)生的拘束應(yīng)力增大到超過臨界拘束應(yīng)力時,就開始產(chǎn)生裂紋。焊接過程中的拘束應(yīng)力主要有不均勻加熱及冷卻過程所產(chǎn)生的熱應(yīng)力金屬相變時產(chǎn)生的組織應(yīng)力,相對于相變時體積變化形成的應(yīng)力,結(jié)構(gòu)自身拘束所造成的應(yīng)力更具破壞性。這種應(yīng)力包括結(jié)構(gòu)的剛度、焊縫位置、焊接順序、構(gòu)件的自重和負(fù)載,以及其他受熱部位冷卻過程中的收縮使焊接接頭所承受的應(yīng)力,不同的裝配形式和焊接次序往往會產(chǎn)生截然不同的結(jié)果。

        綜上所述,在實際生產(chǎn)中應(yīng)該通過充分的對比研究和理論分析,制訂出一套合理的焊接工藝和監(jiān)控措施才能防止大型鑄件在焊接過程中產(chǎn)生缺欠。

        2 焊接工藝和裂紋修補方法

        針對海軍某大型遠(yuǎn)洋拖船后艉軸支架A點為鑄件對接產(chǎn)生缺欠區(qū)域,見圖1;缺欠現(xiàn)狀為表面可見焊趾裂紋與經(jīng)超聲探傷后測得根部裂紋,需要對焊縫區(qū)域進行修復(fù)方可滿足使用要求。

        圖1 后艉軸支架焊接缺欠區(qū)域

        2.1 現(xiàn)狀分析

        該鑄件焊接為大型艉軸支架臂與支臂連接塊的對接,鑄鋼材質(zhì)為 ZG200-400C,該焊接區(qū)域的特點是支架厚度最寬處達(dá) 200mm,為長弧線型,焊接工作量大。支臂連接塊作為整體構(gòu)件臂厚,預(yù)熱溫度難以掌握,不宜采用傳統(tǒng)的火焰式加熱,因不易加熱透。且施焊環(huán)境室外晝夜溫差大和焊縫形式需長時間反面朝天仰焊,這些都對施工和焊接人員提出很高的要求。

        2.2 修復(fù)方案

        1) 先扣除反面所有焊縫,打磨出白把滲碳層磨光,著色檢驗,有裂紋處繼續(xù)扣除,扣除厚度為鑄件厚的1/2,以坡口壁上無裂紋為主,見圖2;

        2) 檢驗無裂紋后進行局部預(yù)熱處理,預(yù)熱范圍為距焊縫中心200mm范圍內(nèi)和支臂連接塊,預(yù)熱溫度125~200℃,加熱方式為電加熱;

        3) 焊接電流不易過大,采用手工電弧焊直流反接方式焊接,焊條采用低氫型E5015焊條,電流90~160A,電壓24~30V;

        4) 焊接時先從兩邊緣開始堆焊,堆焊厚度兩邊各不小于10mm,堆到成形最佳的焊接坡口然后進行退火處理,后熱溫度為400~500℃。用電加熱控制冷卻速度,使其緩慢冷卻,見圖3;

        5) 冷卻后打磨出白堆焊部位,進行表面著色探傷檢查,是否有裂紋,有裂紋立即進行修補,在無裂紋的情況下方可進行預(yù)熱處理,溫度達(dá)到后開始焊接。焊接過程中應(yīng)避免“弧傷”,因其使鑄鋼件局部區(qū)域淬硬且應(yīng)力集中,產(chǎn)生微裂紋。故在焊前兩端裝引弧板,每道焊縫引弧時交叉50mm,焊接手法采用退焊法,焊接時嚴(yán)格控制層間溫度在150~250℃。焊接到下一層時要清除焊渣和缺欠,當(dāng)連續(xù)焊接到2/3處,停止焊接進行后熱,后熱溫度400~500℃,緩慢冷卻,見圖4;

        6) 正面清根照反面做法,然后對坡口兩側(cè)及反面焊層進行著色檢查有無裂紋,無裂紋即進行預(yù)熱,步驟同4);

        7) 當(dāng)正面焊到2/3時,最后一道蓋面正、反面同時焊接一次完成,到焊接結(jié)束為止,見圖5;

        8) 后熱溫度達(dá)到400~500℃,用電加熱控制冷卻速度,使其緩慢冷卻。

        以上所有工序完成后對修復(fù)的焊縫區(qū)域進行外觀成形檢測和著色、超聲波探傷檢測。使修復(fù)質(zhì)量完全符合材料使用要求和規(guī)范要求。

        4 結(jié) 語

        總結(jié)該型遠(yuǎn)洋拖船的艉軸鑄鋼件焊縫裂紋成功修復(fù)的經(jīng)驗是,為預(yù)防在大型鑄鋼件焊接過程中焊縫裂紋的產(chǎn)生,應(yīng)注意控制焊前預(yù)熱溫度,保持焊時層間溫度,同時要因工況環(huán)境合理選用加熱方式與焊接線能量、焊接參數(shù)以及嚴(yán)格執(zhí)行后熱處理工序。

        [1] 崔忠訢. 金屬學(xué)與熱處理[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版. 1995.

        [2] 薛迪甘. 焊接概論[M]. 北京:機械工業(yè)出版社出版. 1992.

        [3] 中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會. 新編金屬材料使用手冊[M]. 北京:中國知識出版社出版. 2007.

        [4] 中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會. 焊接手冊[M]. 北京:機械工業(yè)出版社出版. 2007.

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