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摘要: 文中分析了工厂在KAMEWA调距桨桨叶焊补中所遇到的材质保证、焊接裂纹和变形的控制以及桨叶形状恢复等技术难题, 并详细阐述了利用工厂现有能力为解决这些难题, 恢复桨叶原有性能所采取的工艺保证措施。
关键词: 桨叶; 铸造母材; 焊接变形; 气道
我厂焊补的调距桨桨叶是瑞典KAMEWA公司生产的, 制作精度高, 价格十分昂贵, 内部构造特别, 装有通气降噪气道。该桨桨叶要承受高速运转的主柴油机和主燃气轮机传递的各种交变载荷的作用, 工作环境十分恶劣。在出现破损后, 为确保桨叶焊补后能按照原有设计要求使用, 工厂专门成立了技术攻关小组, 逐一解决修复过程中的一个个技术难题, 在桨叶焊补后装舰试验, 结果各项性能指标均满足原有设计要求。
1 桨叶构造及主要参数
桨叶的主要参数。桨毂直径:1160 mm;桨直径:4200mm; 设计螺距比:0.746;每个桨叶重:1057kg。桨叶材料主要化学成分。Ni: 4.0% ～6.5%;Al: 8.0%～10.8%; Fe: 4.0%～6.0%; Cu:其余。布氏硬度:160～210; 抗拉强度: 640MPa;屈服点: 240MPa。
2 桨叶破损情况
左桨5只桨叶中有4 只桨叶边缘有严重的损坏, 右桨5只桨叶中有4 只桨叶边缘有严重的损坏, 破损范围均在730 mm左右。
3 材料制备
该桨桨叶材料属高强度镍铝青铜, 在焊补方案中采取了自制焊接母材。由于桨叶原材料具有优良的机械性能, 对被焊母材的浇铸提出很高的要求,为使得浇铸的被焊母材达到原桨叶材料的各项性能, 在铸造工艺中采取砂型浇铸, 铸造时为使强度和硬度匹配, 参照国产ZCuA19Fe4Ni4Mn2的相图,在熔炼、搅拌及冷却速度上加以控制调整, 经过反复多次试验, 最终使铸造母材的各项机械性能满足要求。
由于各桨叶损坏部位的线型是空间双曲面, 并通过试验得出该材料在700 ℃以下脆性大, 焊补后的母材无法通过火工整形来保证原桨叶在此部位的大致线型, 所以在铸造母材及气道盖板浇铸模型制作时, 按未被损坏桨叶与损坏桨叶相同部位线型制取, 并每一面加放10 mm加工余量, 以抵消焊后变形对桨叶加工的影响。同时按未被损坏桨叶与损坏桨叶相同部位线型预先制作出变形测量及焊后光顺校验样板(木制) , 以备对变形进行粗略测量及作为加工、打磨光顺时的依据; 焊补用焊丝采用725所特制的Z9-4-4-2铝青铜合金焊丝。焊丝入厂后经焊缝及溶敷金属机械拉伸性能试验测定,各项指标均满足要求。
4 焊接工艺
4. 1 铸造母材的安装定位
先根据事先划出的焊补区, 用风铲将桨叶上需更换区域的原桨叶铜合金按图1所示的接头坡口型式开取坡口, 新增折角焊缝在折角处开出半径20mm的圆角, 以防止应力集中造成裂纹; 桨叶通气降噪气道按原设计尺寸要求进行恢复是焊补中的一大难点。由于桨叶本身线型复杂, 气道的空间位置呈双曲线分布, 且该材料很硬, 铸造母材在桨叶上焊好后用风铲手工加工很难完成, 因此将铸造好的母材(每边余量10 mm) 按桨叶通气降噪气道的形状对气道进行粗加工, 气道的加工深度及宽度根据原桨叶破损部位的气道边沿尺寸测量后在铸造母材上划线(该线留3 mm的精加工余量) 而得, 并按线利用铣床铣槽, 铣好后铸造母材按图1所示坡口型式开出坡口, 坡口用风铲手工开取。
1 - 推力面焊缝; 2 - 吸力面气道盖板外圈焊缝; 3 - 吸力面气道盖板内圈焊缝。
图1 桨叶破损位置示意
研装定位时边调整铸造母材角度边用校验样板检测, 直至安装间隙与图1一致, 且铸造母材空间各曲面与原桨叶曲面相比均有一定的加工余量后施定位焊。
4. 2 铸造母材焊接
将待焊部位及其周围50 mm边缘用电动砂轮打磨去除氧化膜, 并采用丙酮反复清洗待焊部位,在清洗后10 min内进行焊接。为监控焊接变形用3个百分表按左、中、右3个方向分别装在焊补区外侧150 mm桨叶基体上。焊接前列出各百分表的初始记录值, 并有专人负责监测记录。焊接时根据测量数值及时了解变形的位置及方向, 并以此进行焊接顺序和位置的调整, 焊接结束待桨叶冷却后, 对焊前焊后的数值进行对比分析变形情况。为防止出现焊接裂纹, 该桨叶在焊补时进行预热, 预热温度通过补焊的整个截面, 预热区域为离补焊区各方向200 mm内, 用软氧乙炔火焰对桨叶预热区缓慢均匀加热到100 ℃后施焊, 预热温度用红外线点温仪进行监测。由于该桨叶本身厚度大、刚性强、线膨胀系数大, 裂纹倾向大, 焊接时适当提高焊接线能量, 并在焊接方法上选用抗裂性强的手工钨极氩弧焊, 焊机选用YC - 500WP5HE型的钨极氩弧焊机。由于该桨叶材料含铝较多, 为使焊接时产生阴极破碎作用, 用交流电源施焊。钨极选用钍钨极(WTH10) , 保护气体选用一级纯度的氩气70%和一级纯度的氦气30% , 同时选用大喷嘴并加大保护气体流量, 焊丝使用前用砂纸打磨并用丙酮擦洗, 焊接时采用多次焊接工艺评定试验确定下来的焊接规范参数, 如表1。
表1 焊接规范参数
为减少焊接内应力, 防止焊接裂纹, 焊接时用风动小铲敲击焊接区, 即每焊120 mm 长度的焊道, 立即敲击焊缝, 敲击力适当, 敲击点密集且分布均匀, 敲击由专人完成, 同时在焊接顺序上采取先在气道内焊缝处施以定位焊, 定位焊缝间隔180mm, 每段长度约20 mm, 定位焊后在推力面施以分中对称焊, 待推力面焊缝焊接结束, 将桨叶翻转, 在该焊缝反面用电动砂轮清根后施焊, 所有焊接均在平焊位置完成。每道焊缝焊后均立即用石棉布覆盖焊接区及周围进行缓冷, 并保持至桨叶完全冷却。鉴于对变形的控制及条件所限, 焊后不作去应力退火, 而实施自然时效。
4. 3 气道盖板焊接及焊补区加工
铸造母材焊接结束后, 对气道进行精加工, 先用风铲修至图纸设计尺寸, 而后用电动砂轮手工打磨光顺。在气道尺寸检测合格后, 按气道形状及图纸要求制作出气道上喷气孔位置样板, 并划好喷气孔位置线, 以备后续钻孔工序的完成。以上步骤结束后, 将已按原桨叶线型铸造好的气道盖板(留6 mm的加工余量) 开出坡口, 坡口尺寸如图1所示, 焊接时为防止焊接裂纹采取内外圈焊缝交错焊, 焊接技术要求与铸造母材推力面焊缝焊接时相同。气道盖板焊接结束后, 将整个桨叶外表面进行粗加工, 粗加工在镗床上完成, 边加工边用局部校验样板监测, 粗加工至桨叶推力面及吸力面的焊补区留有2 mm余量, 而后用电动砂轮参照校验样板进行打磨光顺, 符合要求后用抛光机将焊补区抛光至桨叶原有表面光洁度。最后按喷气孔位置样板进行划线钻孔, 钻孔由技术水平较高的工人利用手电钻手工完成(钻头尺寸Φ1 mm) , 钻孔时将钻头垂直于桨叶表面。为防止钻头折断, 钻孔时手禁止颤动, 需经多次练习后, 在实桨桨叶完成。
5 检验
5个焊补后的调距桨桨叶经由工厂自制的螺距测量装置在镗床上检测, 将检测记录与原设计图纸所列数据进行比较, 参照铜合金螺旋桨技术规范,所有测量数据均符合要求; 同时按校验样板检测,偏差均在1mm以内; 对焊补焊缝及周围200mm区域进行着色检查, 并对焊补焊缝进行超声波检查, 均未发现裂纹及其他有害缺陷; 对5个桨叶进行称重试验, 与设计重量偏差均小于0.5 kg, 符合技术要求; 在对通气降噪气道进行充水试验时, 焊补区新钻喷气孔100%喷水良好; 随后装船试验,经多次航行试验, 航速符合该船技术性能要求, 桨叶及艉轴无异常现象出现。
6 结束语
KAMEWA调距桨桨叶的成功焊补, 给工厂赢得了声誉, 使工厂在高精密度、复杂构造铜合金螺旋桨桨叶修复上摸索出了一套经验, 为解决高强度、大厚度镍铝青铜件铸造及焊接裂纹、变形问题提供了技术参考, 也使得工厂在复杂线型铜合金桨叶精密修复工艺方面开出了一条新路。
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