CN109014648A - 铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构及其补强方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的一种铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构及其补强方法，可以解决现有大型铸钢构件挖补焊中存在的焊接结构变形控制困难、补焊区易于开裂、结构稳定性及其抗疲劳性能不易保证等技术难题。补强方法：一、焊制壳体结构；二、沿着焊缝的纵向、横向以及坡口深度方向，间隔性地分别设置有若干行、若干列和多层级的内置钢腹板；三、在焊接坡口中的隔断空间内填充焊接熔敷金属；四、在焊接坡口表面进行盖面焊接。本发明补强方法中焊制构建的壳体与刚性骨架三维空间焊接结构体系，能够抵御和分散焊缝金属的收缩应力，有效控制焊接变形量和提高焊接结构的稳定性，改变疲劳裂纹的扩展行为，从而降低其裂纹扩展速率。

Description

铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构及其补强方法

技术领域

本发明涉及一种铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构及其补强方法，属于焊接结构的技术领域。

背景技术

诸如建材行业的大型生产设备水泥回转窑的轮带与托轮或水泥磨机中空轴等中碳铸钢构件中，难免残留着构件浇铸生产过程中产生的气孔、夹杂物或疏松组织等一些原始铸造缺陷。因此在长期的服役过程中，原始铸造缺陷之处，更易于产生应力集中(尖角效应)而出现局部的疲劳破坏现象，成为裂纹源。在动载荷及其交变应力的继续作用之下，铸造组织将会进一步加剧了金属的疲劳破坏，其裂纹必然会由里及表或者由表及里的不断扩展，逐步形成了宏观的金属缺陷：表面金属剥落(麻坑、层裂与局部缺损)或者结构裂纹(呈现各个方向的贯穿性结构裂纹)，无法继续服役而导致铸钢构件的最终失效，这已成为水泥生产企业的常见问题。

若采取更换设备部件的传统维修方式，针对中碳铸钢回转窑轮带与托轮或磨机中空轴这样的大型水泥机械构件而言，不仅购置成本高昂，而且因采购、运输、拆卸和安装的工作流程等综合因素，导致维修周期较长，则会加剧水泥企业的停产和经济损失。所以，对于仅仅是铸钢工件局部产生了金属疲劳缺陷的情况而言，无论从技术或者经济层面上看，轻易更换部件显然都是不可取的。

随着焊接技术的不断发展及其广泛应用，适用于各种机械设备的维修和支持设备关键零部件的“全寿命设计”的“保养焊接”应运而生。采用保养焊接方法的突出优点是：在多数情况下可以进行“在线修复”，不仅维修成本比较低，还减少了大型设备拆装的麻烦。由于节省了检修时间，大大降低了企业的停产损失，综合经济效益是非常显著的，因此“保养焊接”具有很好的“性价比”。在线焊接修复大型铸钢工件的金属疲劳缺陷，即为“保养焊接”当中的一种“挖补焊”方法，这实际上也是水泥生产企业普遍认可和愿意接受的设备维修方式。

在“挖补焊”的施工过程中，当焊接熔敷金属冷凝时，由于焊接温度梯度的存在，且纵、横向拘束度较小，坡口内焊缝填充金属的收缩量及其容积变化基本上呈现“无节制”的状态。众所周知，在没有其它附加外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的(平衡力系)。当焊接过程引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力及变形。在实际的焊接过程中，由于焊接温度场的剧烈变化及其波动，则形成了不均匀分布的焊接应力场。在焊缝区域产生的焊接应力较大时，主要就是引发焊接变形(焊接的热应力与组织应力等，将通过形变而释放)。此外，温度梯度和不均匀的内应力分布，加上不利的结构条件，还可能导致局部的焊接应力集中：当某一刻其拉应力超过金属的屈服强度时，就会发生局部的塑性变形，来释放部分应力；但焊缝区域的金属屈服效应，也会同时降低挖补焊后的焊接结构刚度，其后果给铸钢工件的使用性能带来不利影响；如果未释放掉的焊接残余应力过大，甚至可能产生焊接裂纹。尤其是在母材与焊材材质不同或者混用两种以上焊接材料(例如过渡层与填充层)的情况之下，因异种材料之间线膨胀系数的差异，会增加金属变形量和焊接组织应力，从而存在着焊缝熔合区域(熔合线)处被拉开(撕裂)的危险性，导致焊接修复工作的失败。此外，焊接修复的铸钢工件多为回转体，焊接变形量过大的情况下，还会带来结构构件整体的同心度发生偏差，导致运转中产生工件径向跳动的弊端，从而影响设备运行的平稳性，这也是绝不能允许出现的关键性问题。

尤其是在线焊接修复大型铸钢工件时，一般的情况下清除金属缺陷后的补焊量都是很大的。几乎每一处补焊区的焊接熔敷金属的重量，多在几十公斤乃至几百公斤以上。相应所产生的焊接应力及变形量也很大，其合理的挖补焊工艺控制，在焊接修复施工中越加成为一个棘手的技术难题。

此外，许多大型铸钢工件始终处于重荷载、动荷载及其交变应力的工况下长期服役，其构件本身在疲劳应力的作用下，修复之前母材区的力学性能已经较差，所以补焊区的整体抗裂性、结构稳定性和抗疲劳性能也不易得到相应的保证。

发明内容

本发明为解决现有的大型铸钢构件疲劳缺陷挖补焊中，因补焊区的补焊量过大、焊接变形控制困难、整体抗裂性较差、焊接结构稳定性及其抗疲劳性能不易保证的相关技术难题，提供了一种铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构及其补强方法。

本发明铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构是在挖补焊的焊接坡口壁和焊接坡口底采用焊接熔敷金属焊制一层壳体，在壳体的表面沿着焊缝的纵向、横向间隔性地分别设置有多个内置钢腹板，即在焊接坡口内部通过内置钢腹板分隔出多个隔断空间。

本发明先在挖补焊的焊接坡口内部空间，焊制与焊接坡口壁、坡口底完全熔合的由焊接熔敷金属所构成的一种“壳体结构”；在此基础之上，再进一步镶嵌与焊制若干个内置钢腹板，构建成一种“骨架刚性结构”。本发明通过镶嵌焊制多行列、多层级的内置钢腹板分隔出来若干个相对独立的用于“填充焊接”的隔断空间，之后经过填充焊与盖面焊，最终形成了一种“壳体与骨架体系三维空间焊接结构”。本发明改变了焊接热循环温度热场的分布效应和优化了焊接结构的力学条件，以实现预期的焊接变形控制、焊接应力分流和焊接结构补强等目的。

本发明铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构的补强方法按以下步骤实现：

一、焊制壳体结构：沿着焊接坡口壁与焊接坡口底，预先采用焊接熔敷金属焊制一层与焊接坡口壁与坡口底完全熔合的壳体，得到带有壳体的焊接坡口；

二、内置钢腹板的空间布置：在焊接坡口中壳体结构所围成的内部空间，沿着焊缝的纵向、横向间隔性地分别设置有若干行、若干列的内置钢腹板，在纵、横排列的内置钢腹板的相互之间，以及内置钢腹板与壳体结构的接触面之间进行焊接，构建若干个隔断空间以及由内置钢腹板与壳体结构共同组成骨架刚性结构；

三、填充焊接熔敷金属：在焊接坡口中的壳体结构内壁与内置腹板之间所形成的隔断空间内填充焊接熔敷金属，将内置钢腹板形成的隔断空间与壳体结构之间完全熔焊，形成焊接填充区；

四、在焊接坡口的表面进行盖面焊接，通过盖面使内置钢腹板完全被覆盖焊缝金属之中，最终整体构建壳体与骨架体系三维空间焊接结构，完成铸钢构件金属缺陷挖补焊的焊接。

本发明所述的铸钢工件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构及其补强方法，包含以下有益效果：

1、焊制的“壳体结构”，能够改善焊接热循环中的热场分布和改变焊接结构的受力条件：预先焊制“壳体结构”相当于“打底焊接”，其焊接的热输入量相对比较小，对于焊接坡口壁与坡口底处焊接熔合区的母材温度场变化量也相对比较小，焊接热循环的不利热效应的也比较轻微，不足以导致焊接熔合区母材的显微组织产生不良改变；待随后的填充焊接时虽然热输入量较大，但实际的焊接熔合区已经较远地离开了挖补焊构件的母材区域，所以很好地抑制了焊接热循环给挖补焊构件的母材区带来的危害作用；焊制的“壳体结构”在其厚度足够时(壳体厚度为10-15mm)，其“壳体结构”本身也将会具有一定的整体刚度，可因此削减因为焊缝金属收缩时所产生的作用于焊缝周边母材区的纵向与横向焊接应力；在焊接填充焊接过程中，其焊接熔敷金属冷凝时收缩所产生的焊接应力，同时也作用于焊制的“壳体结构”在焊接坡口表面处沿着焊缝周边区域的折边区域(外延长度30-80mm)，并与母材界面间为剪应力，从而改变了焊接结构的受力条件，可帮助焊接坡口侧壁熔合区母材的受力界面共同抵御纵向与横向焊接拉力，其结果是显著降低了对焊接坡口侧壁焊接熔合区母材一侧的拉应力(当在焊接熔合区产生焊接拉应力时，壳体折边区域将与坡口侧壁母材共同承担焊接应力，其中坡口侧壁母材处产生拉应力，壳体折边区域壳体与母材界面间产生剪应力，二者的合力即为焊接所产生的应力)，有利于防止坡口侧壁熔合区母材因为受拉应力过于集中而导致破坏；焊制“壳体结构”的工艺措施，针对母材在长期服役中因动荷载交变应力作用，已造成了一定程度上的金属疲劳破坏，导致其力学性能恶化和裂纹敏感性增加的情况，显得尤为至关重要。

2、“骨架刚性结构”所形成的骨架支撑作用力，可减小焊接结构变形：当在焊接坡口中，“壳体结构”的外侧与焊接坡口壁、坡口底的母材完全熔合，“壳体结构”的内部镶嵌由若干内置钢腹板而构成的“骨架刚性结构”时，由于“骨架刚性结构”起到了焊接填充金属中的“骨架支撑”作用，通过刚性结构补强的方法，不仅抵御和分散了焊缝金属的收缩应力，有效控制焊接变形量，还可避免因内应力过于集中而导致焊缝熔合区或者母材热影响区处出现撕裂的不利现象发生。

3、内置钢腹板将补焊区域沿三维方向分割为多个相对独立的单元区域，可改变疲劳裂纹的扩展行为，从而降低其裂纹扩展速率：

(1)焊接俗称“小冶金”行为，由于熔池停留时间短，冷却速度快，焊接熔敷金属呈现方向性很强的“柱状晶”微观组织形态。尤其在“挖补焊”条件下，由于焊缝金属的容积较大，而大型铸钢工件母材的热量传导过快，导致焊缝金属的冷却速度很大，其力学性能往往还不如普通铸造金属组织，更不及轧制或者锻造金属。因为内置钢腹板的材料(热轧材)相对于焊缝熔敷金属而言，具有较高的断裂韧度，由“钢腹板”形成的“疆界”效应，也阻碍了“柱状晶”的延伸及发展。将会起到抑制疲劳裂纹扩展的作用。

(2)在将体积较大的焊缝金属分割成为若干个较小的相对独立区域的同时，由于内置钢腹板受压而焊缝金属受拉，使得横向焊接残余应力在整条焊缝上表现为拉应力与压应力交替变化的情形。如果待日后铸钢工件服役中，即便再产生疲劳裂纹时并存在沿着焊缝扩展的倾向时，当裂纹扩展至内置钢腹板处，就会进入残余应力场的压应力区，疲劳外载荷需要克服残余压应力后才能使裂纹继续向前扩展，由此会导致在这些区域的裂纹尖端应力强度因子减小，也会因此而促使“裂纹扩展速率”的降低，提高了焊接结构的抗疲劳性能。

4、对焊接熔敷金属呈现“三向紧箍力”，可以促使焊缝金属自身与焊接补强结构共同承载负荷：焊制的“壳体结构”及“骨架刚性结构”，与挖补焊构件母材熔为一体后所构建的“壳体与骨架体系三维空间焊接结构”，可以将其视为一种特殊的“组合结构”体系，具有很高的结构稳定性(整体的结构补强效应)，因此尤其适用于动荷载焊接结构，亦即所构成的壳体结构与“骨架刚性结构”，处于与周围母材和填充金属间相互包裹状态，使得挖补焊的铸钢构件在承受正压力时(尤其是“动荷载”工作环境下)，将力传导过程中所产生的分力，对补焊区(受力对象)同时形成轴向、径向和圆周方向的“三向紧箍力”。在三向应力的特殊作用下，不仅可以大大提高“三维骨架体系结构”的抗压承载力，同时也在宏观上改善了被母材与支撑钢板共同包裹的焊接熔敷金属(可视为相对而言的“脆性材料”)的综合力学性能，整体地增加了补焊区整体的结构强度与刚度，从而更好地抵御动荷载交变应力的疲劳破坏。

综上，在铸钢工件现场挖补焊的工况条件下，具有“壳体与骨架体系三维空间焊接结构”的工艺措施，相对传统的不加任何控制措施的普通填充焊接方法而言，其焊接坡口的容积及焊缝金属填充量越大时，则越加显现出降低焊接应力危害、控制结构变形量和提高焊接结构抗疲劳性能的优势，具备显著的结构补强效应，从而提高了补焊区的结构稳定性。

附图说明

图1为本发明铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构的整体结构示意图；

图2为铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构的俯视结构示意图；

图3为具体实施方式十中所述的铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的多层级焊接结构的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构是在挖补焊的焊接坡口壁和焊接坡口底采用焊接熔敷金属焊制形成一层壳体1，在壳体1的内壁沿着焊缝的纵向、横向间隔性地分别设置有多个内置钢腹板2，并将带有壳体结构的焊接坡口内部通过内置钢腹板2分隔出多个隔断空间。

本实施方式中每个内置钢腹板具体的平面几何形状及其轮廓尺寸，应根据现场测绘的实际挖补焊坡口的几何因素而确定(非标)，即与所搭建的钢骨架在焊接坡口内部的层级区域及其所在位置的坡口横截面相同设置，以达到无间隙镶嵌。

具体实施方式二：本实施方式铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构的补强方法按以下步骤实施：

步骤一、焊制壳体结构：沿着焊接坡口壁与焊接坡口底，预先采用熔敷金属焊制一层与焊接坡口壁与坡口底完全熔合的壳体1，得到带有壳体的焊接坡口；

步骤二、内置钢腹板的空间布置：在焊接坡口中壳体结构所围成的内部空间，沿着焊缝的纵向、横向间隔性地分别设置有若干行、若干列的内置钢腹板2，在壳体1内侧与纵、横排列的内置钢腹板2的接触面之间，以及内置钢腹板2的相互之间进行焊接连接，以在母材焊接坡口中的壳体结构内侧形成若干个隔断空间的内置钢腹板骨架刚性结构；

步骤三、填充焊接熔敷金属：在焊接坡口中的壳体结构内壁与内置腹板之间所形成的隔断空间内填充焊接熔敷金属，将内置钢腹板形成的隔断空间与壳体结构之间完全熔焊，形成焊接填充区3；

步骤四、在焊接坡口的表面进行盖面焊接，通过盖面使内置钢腹板完全被覆盖焊缝金属之中，进一步地将挖补焊母材、壳体结构和骨架刚性结构完全熔焊为一体，构建成一种壳体与骨架体系三维空间焊接结构，即完成铸钢构件金属缺陷挖补焊的焊接全过程。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一中预先将挖补焊的焊接坡口内部的金属缺陷清理干净，对焊接坡口壁和焊接坡口底进行着色探伤，然后打磨焊接界面。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤一中壳体1的厚度为10～15mm。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是壳体1沿着焊接坡口周边区域外延形成折边1-1，外延折边1-1的长度为30～80mm。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是所述的内置钢腹板2的材质为热轧钢板。

本实施方式内置钢腹板的材质选用力学性能优于铸钢材料的热轧钢板，其钢种的强度级别≤铸钢材料本身，以具备更好的韧性与塑性储备。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是所述内置钢腹板2的板厚为6～60mm。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是所述内置钢腹板2的高度为50～100mm。

本实施方式内置钢腹板的(径向)高度尺寸不宜超过100mm，以方便施焊与焊制牢固。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是步骤二中内置钢腹板2的焊接端面上开有接头坡口2-1。

本实施方式在内置钢腹板的双侧开有坡口，以使内置钢腹板的相互接触之间，以及内置钢腹板与壳体内侧接触面之间，实现完全焊接熔合。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二至九之一不同的是步骤三在焊接填充区3的上表面，继续重复步骤二，即在焊接坡口中壳体结构所围成的内部空间，进一步沿着焊缝的纵向、横向间隔性地分别设置有若干行、若干列的内置钢腹板2，在壳体1内侧与纵、横排列的内置钢腹板2的接触面之间，以及内置钢腹板2的相互之间进行焊接连接，以在母材焊接坡口中的壳体结构内再次形成若干个隔断空间的新层级的内置钢腹板骨架刚性结构，然后重复进行填充焊接，即在焊接坡口的高度方向上形成多层级的骨架刚性结构。

本实施方式的结构示意图如图3所示。在焊接坡口深度较深的情况下，沿着焊缝的高度方向布置多层级的“骨架刚性结构”，即在前一层壳体与骨架体系三维空间焊接结构的填充焊接完成(平整)之后，在此基础之上再搭建后一层级的骨架刚性结构，各层级的支撑骨架结构可以为错层结构。根据实际需要，以此类推。

Claims (10)

1.铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构，其特征在于该铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构是在挖补焊的焊接坡口壁和焊接坡口底采用焊接熔敷金属焊制一层壳体(1)，在壳体(1)的表面沿着焊缝的纵向、横向间隔性地分别设置有多个内置钢腹板(2)，即在焊接坡口内部通过内置钢腹板(2)分隔出多个隔断空间。

2.铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构的补强方法，其特征在于是该补强方法按下列步骤实现：

一、焊制壳体结构：沿着焊接坡口壁与焊接坡口底，预先采用焊接熔敷金属焊制一层与焊接坡口壁与坡口底完全熔合的壳体(1)，得到带有壳体的焊接坡口；

二、内置钢腹板的空间布置：在焊接坡口中壳体结构所围成的内部空间，沿着焊缝的纵向、横向间隔性地分别设置有若干行、若干列的内置钢腹板(2)，在纵、横排列的内置钢腹板(2)的相互之间，以及内置钢腹板(2)与壳体结构的接触面之间进行焊接，构建若干个隔断空间以及由内置钢腹板与壳体结构共同组成骨架刚性结构；

三、填充焊接熔敷金属：在焊接坡口中的壳体结构内壁与内置腹板之间所形成的隔断空间内填充焊接熔敷金属，将内置钢腹板形成的隔断空间与壳体结构之间完全熔焊，形成焊接填充区(3)；

四、在焊接坡口的表面进行盖面焊接，通过盖面使内置钢腹板完全被覆盖焊缝金属之中，最终整体构建壳体与骨架体系三维空间焊接结构，完成铸钢构件金属缺陷挖补焊的焊接。

3.根据权利要求2所述的铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构的补强方法，其特征在于步骤一中预先将挖补焊的焊接坡口内部的金属缺陷清理干净，对焊接坡口壁和焊接坡口底进行着色探伤，然后打磨焊接界面。

4.根据权利要求2所述的铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构的补强方法，其特征在于步骤一中壳体(1)的厚度为10～15mm。

5.根据权利要求2所述的铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构的补强方法，其特征在于壳体(1)沿着焊接坡口周边区域外延形成折边(1-1)，外延折边(1-1)的长度为30～80mm。

6.根据权利要求2所述的铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构的补强方法，其特征在于所述的内置钢腹板(2)的材质为热轧钢板。

7.根据权利要求2所述的铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构的补强方法，其特征在于所述内置钢腹板(2)的板厚为6～60mm。

8.根据权利要求2所述的铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构的补强方法，其特征在于所述内置钢腹板(2)的高度为50～100mm。

9.根据权利要求2所述的铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构的补强方法，其特征在于步骤二中内置钢腹板(2)的焊接端面上开有接头坡口(2-1)。

10.根据权利要求2所述的铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构的补强方法，其特征在于步骤三在焊接填充区(3)的上表面，继续重复步骤二，即在焊接坡口中壳体结构所围成的内部空间，进一步沿着焊缝的纵向、横向间隔性地分别设置有若干行、若干列的内置钢腹板(2)，在壳体(1)内侧与纵、横排列的内置钢腹板(2)的接触面之间，以及内置钢腹板(2)的相互之间进行焊接连接，以在母材焊接坡口中的壳体结构内再次形成若干个隔断空间的新层级的内置钢腹板骨架刚性结构，然后重复进行填充焊接，即在焊接坡口的高度方向上形成多层级的骨架刚性结构。