针对重型构件裂纹修复，国内外学者相关研究。文献分别针对回转窑轮带、汽轮机阀座、减速机齿轮、水轮机转轮及转炉托圈等部件的裂纹问题，采用拆除零部件、开槽清根、钻止裂孔等方法进行修复。然而，传统开槽焊补易出现根部未熔透、焊缝内部缺陷及裂纹复现等问题；单纯钻孔止裂难以阻断全贯穿裂纹扩展，且会削弱截面承载能力。

    本文基于断裂力学分析，提出裂纹根部预置有缝钢管止裂与分层焊补相结合的复合在线修复工艺，实现止裂、补强、承载一体化，为重型铸钢受力构件现场应急修复提供工程参考。

     油压机移动横梁材质为ZG20Mn，主体厚度300 mm。油压机移动横梁裂纹位置如图1中方框中的线条所示，裂纹形貌如图2所示。经超声波探伤与现场检测，裂纹沿深度方向全贯穿300mm、长度800mm。裂纹位于横梁中部高应力区，受弯曲应力与局部拉应力共同作用，裂纹尖端尖锐，存在明显扩展趋势，属于典型高风险疲劳贯穿裂纹。若不及时有效修复，裂纹将持续扩展导致移动横梁整体失效，甚至引发设备安全事故。经技术论证，确定采用焊补方式对移动横梁的裂纹进行修复。

     移动横梁材质为ZG20Mn，正火+回火状态，具备良好的强度与韧性，化学成分如表1所示，机械性能如表2所示。

     根据国际焊接学会碳当量计算公式：

     经计算，ZG20Mn碳当量约为0.39%。一般而言，碳当量低于0.4%时钢材焊接性良好，但移动横梁规格较大且为整体铸造件，存在以下不利因素：

  （1）铸造件钢水成分不稳定导致母材中P、S 等有害元素偏析，增加焊接难度；（2）设备长期运行使横梁承受较大的交变应力；（3）横梁厚度大、刚性大，焊补工作量较大，焊接时淬硬性高，热影响区易产生硬脆组织，冷裂纹敏感性大；（4）厚板焊接过程中无法通过塑性变形释放焊接应力。

     研究表明，环境温度偏低时焊接残余拉应力显著升高，是诱发氢致横向裂纹的重要因素。因此，施焊时应严格遵循“焊前预热，焊后缓冷，小电流短弧焊”的原则，采用多层多道焊补以减小焊缝收缩应力。油压机移动横梁在连续高强度冲击和疲劳工况下使用，焊补接头需要兼具塑性和韧性。打底焊选用具备良好抗裂性与过渡层性能的A302⌀3.2 mm不锈钢焊条形成过渡层，可有效改善异种界面结合、降低冷裂纹敏感性，并释放和缓解冲击载荷；填充及盖面焊选用E501T-1L ⌀1.2 mm药芯焊丝进行MAG焊，工艺性好、飞溅小、韧性高，可形成超强匹配焊接接头，保证焊缝力学性能与成形质量。

3.1 传统修复工艺局限性

    传统修复工艺在厚大断面铸钢件贯穿裂纹修复中存在以下局限性：

  （1）厚大坡口深度大，根部无法实现完全熔透，未熔透区域易形成新的应力尖端，成为二次裂纹源。

 （2）ZG20Mn为铸钢件，晶粒粗大且存在残余应力，焊接材料及焊接工艺不当易导致焊后残余应力过大大，产生冷裂纹与再热裂纹。

（3）无有效止裂措施，单纯补焊难以阻止贯穿裂纹二次延伸。

（4）现场修复无法进行整体热处理，消应力手段受限，修复可靠性难以保障。

3.2 复合修复工艺机理

    移动横梁裂纹属于I 型张开型裂纹。基于断裂力学与结构力学协同设计，在根部埋入有缝钢管作为核心止裂结构在线修复移动横梁，如图3所示。

     其作用机理如下：

  （1）裂纹尖端强制终止，降低应力强度因子。当扩展裂纹尖端的应力强度因子小于材料止裂韧性KIC时，脆性裂纹的扩展会被抑制。将⌀27 mm×3.5 mm 有缝钢管预置于300mm深坡口最根部，使原有尖锐裂纹尖端进入钢管圆弧结构。采用线弹性断裂力学计算修复前后的应力强度因子：

     修复前，移动横梁属于无限大板、中心穿透裂纹，形状修正系数Y取1；工作应力σ=150MPa；裂纹半长a=0.4 m，计算得：

     ZG20Mn断裂韧性，修复前KI>KIC，裂纹处于严重失稳状态，随时可能脆性扩展。

     采用根部预置钢管修复后，裂纹尖端被有效封闭，仅保留根部微小缺口，等效裂纹半长大幅减小至长a=0.01m，计算得：

    ，能够满足止裂与承载安全要求。

（2）应力分流与复合承载。钢管与焊缝金属熔合良好，共同承担弯曲应力与拉应力，降低基体应力峰值，提高截面刚度与疲劳寿命。

（3）根部不熔透缺陷无害化。根部可控不熔透仅为钝边型缺陷，不具备裂纹扩展驱动力，突破了传统厚件修复必须追求全熔透的技术限制，大幅降低现场修复难度。

（4）结构补强增效。钢管沿800 mm裂纹全长布置，在300 mm厚断面内部相当于内置加强筋，有效分担基体载荷，改善修复区应力分布，提升整体承载能力与抗疲劳性能。

4.1 工艺流程

    超声波检测裂纹→钻止裂孔→装焊加固板→制作坡口→打磨根部→超声波检测母材→预置有缝钢管→预热→焊接→焊后热处理消应力→焊缝超声波及磁粉检测→装焊加固板→重载试运行。

4.2 具体实施步骤

（1）施工前准备工作。

   搭建脚手架及操作平台，拆除周边油管、链条等。

   现场油污严重，清理周边油泥和油污，需要在操作平台及地面周边铺设防火布类材料，避免飞溅、火星引燃而引起火灾。

   返修所需工器具、材料、焊材提前准备领用到位。

（2）超声波检测裂纹。

    按照GB/T7233.1—2023 标准对裂纹处进行超声波探伤，确认裂纹深度贯穿达到300 mm，长度800 mm，判断裂纹尖端位置。

（3）制作焊接坡口。

      分成两段画出裂纹中心线，在裂纹尖端及拐角位置延伸15 mm处钻⌀26 mm止裂孔消除尖端尖锐缺口，实现止裂，钻孔深度尽可能钻深。止裂孔示意如图4 所示。在裂纹端头焊上加固板，如图5所示，止裂孔及加固板结构如图6所示。开始刨削及开坡口作业。

      碳弧气刨前，对待刨部位预热80~100℃，保温2h。要求气刨面平整，边缘处圆滑过渡，气刨成U形坡口形式：根部约R20mm，坡口角度≥15°，焊接坡口如图7所示。考虑到刨透会影响内侧安装尺寸且难以保证焊缝质量，坡口深度控制在260mm以内，即母材剩余40mm。用角磨机将坡口面打磨至金属光泽，彻底清除渗碳层。碳弧气刨后对坡口周边50 mm 范围内母材进行超声波探伤，应满足GB/T 7233.1—2023 二级要求。

 （4）坡口内预置有缝钢管。

   在坡口根部布置2~3段焊接管，规格⌀27mm×3.5 mm，钢管两端各超出裂纹长度15 mm，实现全长度止裂。焊接管缝正对裂纹源，定位后采用点焊固定，防止焊接过程中位移。装配如图8所示，钢管点焊后如图9所示。

（5）焊接。

     在裂纹缺陷周边300 mm范围内布置加热垫进行加热，采用红外测温枪测量预热温度，确保焊接区域温度在150~200℃，避免温度过低产生冷裂纹或温度过高导致晶粒粗大。另配备烤枪，用于焊接过程中温度不足时补热。

     采用先焊接中间部位、再焊接两侧的方式分段焊补，降低焊缝金属收缩量。先用A302 ⌀3.2 mm不锈钢焊条打底施焊两层，形成熔合良好的过渡层，不用锤击消除焊接应力，保证不存在焊接缺陷即可；再用E501T-1L ⌀1.2 mm药芯焊丝气保焊进行填充、盖面，焊道间相互错开，避免接头集中，减少残余应力积累。焊接工艺参数见表3，施焊过程如图10所示。

     每焊完一条焊道，须用锤头轻轻锤击焊道，使焊缝金属产生塑性拉伸变形，抵消部分焊缝收缩量，降低焊接残余应力。但不锈钢打底过渡层和最后一层不允许锤击，焊后用石棉包裹保温，消除扩散氢，降低焊接残余应力，提升接头韧性与抗裂性能。

（6）焊缝热处理。

      移动横梁焊接过程中接头区域温度分布不均产生热应力，对焊接变形、疲劳强度、断裂韧性和抗屈曲强度均有显著影响，残余应力在高温下会因蠕变而松弛，因此焊后热处理被广泛用于消除焊接残余应力。移动横梁的焊缝热处理包括中间过程热处理及最终焊后热处理。

      由于焊缝填充量大，导致焊接应力大大增加，每焊接深度约100 mm时进行一次中间热处理，中间热处理参数曲线如图11所示；整体焊接完成后进行最终热处理，参数曲线如图12所示。通过合理的焊接顺序、层间温控和焊后保温，有效降低焊接残余应力，实现应力均化，保障结构稳定性。

（7）焊缝无损检测。

   最终退火完成后，按照GB/T 11345—2013 A类GB/T 29712 二级要求对焊缝进行超声波检测，保证探伤深度225mm 合格；再按NB/T 47013.4—2023对焊缝表面进行MT探伤检查，保证焊缝无缺陷。

（8）增加刚性固定。

    焊缝全部检查合格后，为保证移动横梁焊接后的强度，在焊缝中间位置每隔200mm共焊接3块永久性加固钢板，增强结构刚性。修复完成的油压机移动横梁如图13、图14所示。

  （1）采取钻止裂孔+钢板加固裂纹端部的方法，能有效防止裂纹在返修过程中的进一步延伸扩展。

 （2）裂纹根部预置有缝钢管实现了裂纹尖端强制止裂与应力分流，使等效裂纹尖端应力强度因子由106.3 MPa·m^1/2 降至26.6 MPa·m^1/2，低于材料断裂韧性，根部可控未熔透缺陷不会引发二次扩展。

（3）采用A302 不锈钢焊条打底+E501T-1L 药芯焊丝填充盖面的组合焊材体系，适配ZG20Mn铸钢现场修复，接头抗裂性、结合强度与工艺性优良。

（4）根部预置钢管止裂与分层焊补相结合的复合修复工艺，经断裂力学分析、无损检测及重载运行验证，止裂效果可靠，承载能力满足设计要求，可应用于万吨级油压机移动横梁的现场应急修复，有效解决了厚大断面构件根部难熔透、裂纹易复裂的行业难题。