淡谈铜合金螺旋桨的焊接修理

摘要：文章对铜合金螺旋桨的修复做一经验归纳，并专题对螺旋桨的损坏形式、材料化学和力学性能、焊接特性、各种缺陷的修理方法等方面进行阐述。 

 

1 铜合金螺旋桨的焊接特性

 

（1.1）热胀冷缩性大。铜合金的线性膨胀系数比碳钢约大50%，由液态变为固态收缩率大，变形大，焊后在刚性较强区会产生较大的焊拉应力。

 

（1.2）高温机械性能差。铜合金在高温下的强度和缩性都明显下降，在焊接区和加热区易形成裂纹或断裂。

 

（1.3）焊缝金属易产生气孔。铜在液态时能熔解大量的氢气，但在冷却和凝固过程中熔解度大大降低，而铜的导热系数高，散热极快，焊缝的结晶速度也很快，因此过剩的氢气来不及逸出，就在焊缝未熔合聚集后形成气孔。因此铜合金螺旋桨补焊时，用预热和焊后保温缓冷的工艺措施，以降低焊缝金属冷却速度，有利于气体逸出，减少气孔。焊补区焊前要把水分、油污清理干净，减少氢的来源。选用TIG焊或MIG焊也能有效减少焊缝产生气孔。

 

（1.4）焊缝难熔合，难焊透，难成型。由于铜合金的导热系数大，比碳钢大7~11倍以上，焊接时的热量从加热区迅速传导出来，特别在桨叶厚度大的区域，热传导更快，使补焊区域难以达到熔化温度；另一方面，铜在熔化时表面张力小，流动性强，比钢大1~1.5倍,熔池铜液很容易流失。因此，铜合金螺旋桨补焊时宜采用大能量，高能束的焊接方法（MIG）焊，焊前需要预热，并适宜于平焊的地方施焊。

 

（1.5）焊缝及热影响区容易产生裂纹。铜合金的焊缝金属在凝固时容易形成粗大的树枝状结晶，而铜合金的杂质与氧化铜生成的低熔点共晶体易分布在晶界上，这样就削弱了铜在高温时的晶间结合力。而铜合金的膨胀系数大，热影响区也较大，焊缝金属冷却时产生较大的收缩力，极易使焊缝及热影响区产生裂纹，因此铜合金螺旋桨在补焊时，要采用锤击焊缝金属的工艺措施，以释放部分焊接残余应力，减少裂纹，焊后要手石棉布覆盖焊缝，保温缓冷，这样也可以避免产生裂纹。

 

（1.6）焊接接头性能降低，铜合金在焊接时，其合金元素会烧损、氧化和挥发，使合金元素含量降（如锰黄铜中锌的蒸发），从而使接头的耐腐蚀性能和强度、塑性降低；另外铜合金对应力腐蚀很敏感，焊后必须作消除应力的处理。制造铜螺旋桨的合金，随其合金成分的不同其导热系数大于铝青铜，且含大量锌，所以焊接性比较差，而铝青铜焊接性较好。

 

2 铜合金螺旋桨通常采用的修理方法

 

(2.1)冷态或热态的弯曲矫正修理。

 

因碰撞物体而使桨叶导边或叶梢弯曲、卷边，可采用冷态或热态矫正法修理。矫正前，要弄清所修理的螺旋桨的材质，即化学成分和机械性能，矫正时做到心中有数。

 

   冷态矫正法。此法适手于桨叶边缘弯曲变形较小、折角在20°以内，弯曲部位厚度在15～20mm内的铜质螺旋桨，矫正时用的手锤应是铝质锤或铜质锤。 

 

   热态矫正法。若桨叶出现卷边、桨叶弯曲变形较大、弯曲部位厚度大于20mm，则采用热态矫正法。加热时，应在弯曲部位处及其周围面积较大处，采用丙烷火焰喷射等方法将修理部位加热至500～850℃然后施以动载或静载矫正之，当温度降下来后，不可再进行锤击，免得敲坏桨叶，热态矫正部位需进行退火处理以消除应力。

 

（2.2）裂纹或麻点腐蚀缺陷的修理                                              

 

裂纹修理前，应弄清桨叶裂纹是否在允许修理范围之内。一般有大于0.7R的桨叶部分上的裂纹可以修理。在0.4~0.7R之间的桨叶部分，长度不超过该叶宽1/4的裂纹可以修。直径小于或等于2m的桨叶根部短小裂纹，长度不超过该处叶宽1/8的裂纹可以修。直径小于或等于1.2m的桨毂上的短小裂纹可以修。除此之外，桨叶有严重裂纹，只能将该桨叶换新。

 

裂纹修理方法：先用磁粉探出裂纹的终点，用电钻在裂纹的终止点处钻出直径6~8mm的止裂孔，然后用磨砂机或铲凿将裂纹处开坡口，预热后补焊。多层焊时，每焊一层，应用小锤锤击一次，消除内应力。每一层都要清洁，免得夹渣，并注意焊透，焊完磨光即可。

 

（2.3）断块接补的方法。                                               

 

螺旋桨有严重裂纹以致引起断叶应进行换新。对于螺旋桨使用时间较长或多次经焊补修理，材料性能已发生变化（易产生脆化与裂纹）、再经修理难以保证质量时，则应考虑更换螺旋桨。但接补长度不可超过叶片长度的1/3（最长不得超过400mm），接缝处的最大厚度不宜超过50mm，补块的材料及性能应力求与原材料相同或更好。在保证焊接强度的前提下，为减少焊接工作量、节省焊接材料和工作时间以及减少焊接变形，根据不同的断面厚度采用不同的坡口型式和不同的坡口尺寸。（见表一）

 

          表一  坡口型式及加工主要尺寸          单位：mm

 

待修叶片处厚度	坡口 型式	坡口角度	正面坡口槽深	坡口槽底圆弧	留 根	装配  间隙	反面扣槽深度
δ≥25	双面  U型	60°±5°	δ/2 + 4	R10 ～R12	1 ～ 2	0 ～ 2	＞δ/ 2
δ＜25	双面  V型	80°－85°	δ/2 + 2	R4 ～ R5	1 ～ 2	0 ～ 2	＞δ/ 2
边缘较 薄处	单面  V型	60°±5°	δ/2 + 2	-------	1 ～ 2	0 ～ 1	＞δ/ 2

坡口加工好后，对坡口和距坡口100mm范围内的部位作着色探伤，将缺陷予以消除。由于铜合金热胀余数和收缩率较大，所以很容易使定位焊缝在预热处理或焊接过程中开裂，如不铲除将影响焊接质量，根据这一特点，断开接补的接缝不采用定位焊，经常采用胎架或焊连接板固定。把螺旋桨用临时胎架固紧后，检查叶片螺距角是否在加工余量范围内，新旧叶片分别用固定码定位，采用适当的预变形措施，达到控制变形的目的；在叶片焊缝两端各焊引弧板一件，防止焊接过程产生裂纹，提高焊缝质量。断块焊接时，通常采用分段退焊措施，并在分段退焊时，采用多层焊。

 

焊前，对焊接区及其周围用烘枪（以天燃气为燃料）进行预热。清洁坡口两面部位的油污、水分、氧化物等杂质。焊接时，每焊完一层均需进行均匀锤击，以减少焊接应力。每焊完一道后，严格清除焊渣、杂物，每叶叶片上单面焊缝原则上连续施焊，中途不间断。焊完后用石棉布覆盖4~6层，待其缓冷至室温，拆除胎架，测量正面焊接后变形量，以此作为反面焊接时反变形矫正的依据。同时对桨叶进行调整，使反面焊缝调至平焊位置，反面焊接前，用碳弧气刨和砂轮机等方法作反面扣槽、清根，开出所需坡口。对所开好的坡口进行着色探伤，消除缺陷，保证没有裂纹和夹渣等缺陷。按正面焊接前的相同方法固定螺旋桨及各叶片，根据各叶片的实际情况，有所选择地采取适当的反变形措施，使各叶片焊完后处于加工余量范围内，然后预热，按正面的焊接工艺要求完成焊接，再对各叶片的焊缝及热影区域进行局部加温回火，消除焊接应力，用石棉布覆盖4～6层，待其缓冷至室温。

 

为减少劳动强度，缩短周期，对叶片表面及边缘部位用碳弧气刨作预加工，再进行人工打磨修正，恢复几何尺寸，并对各叶片焊缝及热影响区域作完整着色探伤，直到其检查结果未发现裂纹、气孔、未熔合等缺陷，质量才符合要求。

 

3  焊接方法

 

根据铜合金螺旋桨材料本身的特点，常用的焊接方法有气焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊3种，特别是钨极氩弧焊用得较多，该方法在生产率、劳动强度、焊接质量等方面都有较明显的优势。

 

（3.1）气焊。火焰温度比电弧焊低，可减少锌的蒸发；易生成气孔、焊接性能差。适用于桨叶的叶尖或导边的补焊及矫正，用于小于30mm的表面缺陷修补效果尚佳。

 

（3.2）钨极氩气保护电弧焊。具有独特的焊补优势，适用于焊补边缘缺陷、腐蚀面堆焊、裂纹修补和厚度不大于10mm的板块对接焊。

 

（3.3）熔化极氩气保护电弧焊。适用于大面积腐蚀点的堆焊和大焊缝的焊补，特别适宜厚度〉10mm的板块对接焊，因其焊接效果较好，焊接成型好，焊区变形比TIG小而广泛应用。

 

4  螺旋桨补焊过程中的预热和焊后热处理问题

 

合金类型	预热温度（℃）	矫正温度（℃）	焊后退火温度（℃）
Cu 1	150～250	600～800	350～500
Cu 2	150～250	550～780	350～550
Cu 3	50～150	700～950	500～650
Cu 4	100～150	700～850	450～600

由于铜合金焊接后在海水中使用，具有产生应力腐蚀裂纹的倾向，为防止热影响区速度加热和冷却过程中脆性组织的出现，在螺旋桨补焊过程中预热和焊后热处理引起我们足够的重视，因为这是减少和消除残余应力的重要步骤，避免由于焊接应力而引起的螺旋桨在使用过程中断裂，根据多年的经验总结，制定了预热、焊后热处理、矫正规范。(见表二和表三)   

 

表二  预热、矫正和焊后退火温度

 

表三  均温时间

 

消除应力	Cu 1、Cu 2 合金	Cu 3、Cu 4 合金
温度（℃）	h / 25 mm	最长总小时数	h / 25 mm	最长总小时数
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