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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
铸钢件金属缺陷挖补焊坡口的焊接结构及其补强方法
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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”。本专利技术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”。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟彬，方洪渊，陈波，鲍爱莲，查晓雄，刘铁军，赵云峰，王玉银，邓宏卫，杜淼，才维忠，刘万辉，赵春驰，李洪斌，史庆国，林琳，马千里，钟雪霏，周琦，张海峰，王晓楠，黄垒，
申请(专利权)人：哈尔滨中正焊接技术开发有限公司，哈尔滨工业大学，哈尔滨焊接研究院有限公司，哈尔滨工业大学深圳，常熟理工学院，渤海水泥葫芦岛有限公司，唐山冀东机电设备有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23