造船の過程で、バビット金属は船舶の各種枕に広く使用されています。船舶修理において、バビット金属枕の繰り返し利用率を向上させ、外注再鋳造の資本と時間を削減するために、過去30年以上のバビット金属枕の修理の実務経験に基づいて、合格率の高いバビット金属の溶接修理技術セットがまとめられました。

 

1はじめに

 

船舶内の多くの回転機器は、各種ベアリングの支持と潤滑油によるベアリングの潤滑に依存して動作します。船舶の尾軸の中間ベアリングブッシング、主エンジンのコネクティングロッドブッシング、発電機のブッシングなどはすべてバビット合金で作られています。長期運転中の振動や給油システムの故障により、ブッシング上のバビット合金が摩耗し、バビット合金が脱落して燃えてしまうこともあります。そのため、修理には鋳造と補修溶接がよく使用されます。この記事では、損傷したブッシングと破損したブッシングのTI​​G溶接補修技術の成功事例を紹介します。

 

2 バビット合金の紹介

 

2.1 バビット合金の特性

 

バビット合金は、摩耗低減性能が高く、埋め込み性、摩擦コンプライアンス、軸抵抗が良好です。硬質相粒子は軟質相マトリックスに均一に分布しています。軟質相マトリックスは、合金に優れた埋め込み性、コンプライアンス、耐噛み特性を与えます。慣らし運転後、軟質マトリックスは凹状で、硬質点は凸状であるため、摺動面の間に小さな隙間が形成され、オイル貯蔵スペースと潤滑油チャネルになり、摩耗低減に役立ちます。凸状の硬質粒子はサポート役を果たし、ベアリングに役立ちます。

 

2.2 よく使われるバビット合金モデル

 

船舶の尾部軸中間軸受ブッシング、主エンジン連接棒ブッシング、発電機ブッシングのほとんどには、表 11 に示すように、ZSnSb6Cu8 と ZSnSb4Cu1 の XNUMX 種類のバビット合金が使用されています。

 

2.3 バビット合金の欠陥と損傷形態

 

船舶の尾部軸中間軸受ブッシング（バビット合金）の主な損傷形態は次のとおりです。

（１）局所的な欠陥または摩耗

ブッシングを長期間使用すると、図1に示すように、ブッシング上のバビット合金層が振動により摩耗して剥離します。

（２）完全に破損または剥離している

給油システムが故障すると、焼損が発生し、上部ベアリングと下部ベアリングの両方が焼損して破損し、特に下部ベアリングではバビット合金層が剥離することもあります。このような深刻な損傷は溶接では修復できず、再鋳造で修復する必要があります。

 

3 バビット合金の材質と溶接特性

 

バビット合金は軟質金属材料で、通常は再鋳造と溶接で修復します。バビット合金は融点が低く（240℃）、流動性が強いため、溶融池内のスズ液体が失われやすく、鋳造や溶接が困難です。継続的な実践を通じて、従来のものよりも簡単な新しい修復方法とプロセスが模索されてきました。以下では、損傷が深刻な場合のTIG溶接による修復方法を紹介します。

 

3.1 バビット合金の材料特性

 

スズ系はんだは、融点が低い軟質はんだです。ろう付けにより比較的低温で溶融し、溶接するノードを接続できます。連続した熱伝導性と電気伝導性を提供する方法であり、液体やガスの容器を密封するために使用され、はんだ接合部に大きな応力がかかりません。

 

軟質はんだは次の要件を満たす必要があります。

（１）一定の熱伝導性および電気伝導性を有すること

（２）接合部間の所要強度を2℃以下で維持する。

（３）緻密な構造と良好な密閉性を有すること

（４）はんだと被はんだ付け部及び母材​​との濡れ性が良好であること。

 

軟質はんだの熱伝導性と電気伝導性は悪く、銅の8%～15%しかありません。しかし、伝導経路が短く、はんだ接合部の接触面積が大きいため、道路（回路など）に明らかな抵抗（抵抗など）はありません。

 

はんだ接合部の品質は、はんだ付けする表面の性質、軟質はんだの特性、フラックスの選択によって決まります。実際、はんだ付けする固体金属表面での溶融軟質はんだの濡れプロセスによって決まります。スズは多くの軟質はんだ部品の活性元素です。スズは、はんだ付けする Cu、Fe、Ni などのベース金属と濡れて融合し、非常に薄い金属化合物の層を形成します。

 

フラックスの使用は、はんだ付けする金属表面を洗浄し、濡れ性に影響を与えないようにするためです。フラックスの主成分はZnCl2で、水の存在下では遊離塩酸を生成します。銅をはんだ付けすると、酸化物層が塩化物に溶解してベース銅が残り、溶融はんだが徐々に銅の上に広がります。

 

3.2 軟質はんだの組成と特性

 

軟質はんだは、一般的に共晶組成が26.1%Pb、共晶温度が183℃のSn-Pb合金であり、はんだ付け温度を低く抑え、温度に敏感な部品の損傷を防ぐことができます。

 

手作業ではんだ付けする場合は、Sn-50%Pbd合金を選択してください。温度が下がると、Pb中のSnの溶解度が低下し、Snが沈殿し、はんだが柔らかくなります。Sn-Pb-Sb合金はんだでは、SnSb金属間化合物の沈殿が特に顕著です。Sn-5%AgおよびSn-5%Sb合金は、はんだの強度を200℃まで維持できるだけでなく、共晶合金と同様の濡れ性も備えています。

 

低温で使用するはんだには、Pb-10%Sn 合金や Pb-5% Sn-1.5%Ag 合金などの高 Pb 合金を選択する必要があります。この合金の濡れ性と強度は影響を受けますが、Sn は低温 (173K など) では相変化を起こさないため、はんだの可塑性と衝撃強度が大幅に低下します。

 

これらのはんだでは、0.001%のAlが酸化を引き起こし、アルミニウム酸化物膜が液体はんだとフラックスの界面の濡れ性に影響を与えます。はんだには通常0.1%〜0.5%のSbが含まれており、耐クリープはんだでは5%のSbに達することがあります。少量のアンチモン（0.1%〜0.5%）は、Pb-Snはんだの真鍮への濡れ性を改善します。0.1%〜0.25%のBiを追加すると、共晶Sn-Pbはんだの広がり速度を上げることができます。Biが0.5%を超えると、はんだ表面の色が変わります。

 

カドミウムは濡れ速度を低下させ、その酸化膜ははんだ表面を黒くしてろう付け不良を引き起こします。銅ははんだの濡れ性にほとんど影響しませんが、0.25％Cuを超えると、Cu-Sn化合物の形成によりろう付け表面の外観に影響します。リンは0.01％Pを超えると、銅や低炭素鋼に対するはんだの濡れ性に影響します。硫黄（S）はろう付け表面の外観に影響するため、はんだ中のS含有量は0.001〜5％以内に制限されます。Znは酸化されやすく酸化物を生成し、0.003％Znを超えるとはんだ表面品質が低下します。したがって、さまざまな不純物の複合影響を過小評価することはできず、厳密に制限する必要があります。

 

3.3 バビット合金の修復工程における難しさ

 

これまで、溶接修理は主に伝統的な風力ろう付けまたは高出力電気クロム鉄によって修理されていましたが、これらの修理方法には次のような欠点がありました。

 

（１）溶接ワイヤの製造

自家製の溶接棒を作り、酸素アセチレン炎でバビット合金のブロックを直接加熱する必要があります。その欠点は、一方では、加熱して溶融すると、流出した溶接ワイヤ液がすぐに凝固し、太くて不均一な直径を持つさまざまなサイズの溶接ワイヤになります。他方では、バビット合金は酸素アセチレン炎で直接加熱されるため、それに含まれる不純物が除去できず、溶接ワイヤに凝固し、結果として得られる溶接ワイヤが非常に粗くなります。従来の風力ろう付けや高出力電気クロム鉄補修では、フィラー材料を溶かすのが困難です。

 

（２）修復効果

ベアリングの溶接と修理に用いられる従来のガス溶接法は、修理溶接の要求を満たすことができません。① 風ランプを使用してベアリングを直接狙います。溶融パワーは修理溶接の要求を満たしますが、母材または修理部に隣接する健全部を損傷し、溶接部と健全部を一緒に溶かすことができません。 ② 風ランプを使用して純銅製のハンマーを加熱せずに加熱し、ハンマーで熱を伝導して溶接します。これにより、熱が急速に放散し、冷却されて溶融できず、溶接が達成されません。また、溶接部と健全部を溶かすのが難しく、接合部にアンダーカットが発生することがよくあります。 ③溶接には高出力電気クロム鉄を使用し、温度は500Aです。電気クロム鉄を例にとると、薄壁の細孔や小面積ベアリングの溶接は許容されますが、厚壁ベアリングの場合、温度が不十分で、溶融力が修理溶接の要件を満たすことができず、接合部にアンダーカットが発生することがよくあります。

 

4 TIGによる修復方法

 

バビット合金ベアリングの小面積の損傷や欠陥に対して、従来の溶接修復方法には酸素アセチレンろう付けとはんだごて溶接が含まれます。酸素アセチレンろう付けとはんだごて溶接は、アンダーカット、不完全な浸透、気孔が発生しやすい傾向があります。特に、酸素アセチレンろう付けの操作プロセスは複雑で、マトリックスを損傷しやすいです。

 

以下では、バビット合金ベアリングのまったく異なる溶接修理方法を紹介します。操作が簡単なだけでなく、フラックスが不要で、修理プロセスが簡素化され、溶接品質も高くなります。修理後の合格率は100％に達し、酸素アセチレンろう付けやはんだごて溶接で発生しやすいアンダーカット、不完全な浸透、気孔などの欠陥を克服し、修理後のベアリングの寿命が延びます。バビット合金ベアリングのより厚い損傷に適用でき、コストを節約し、生産効率を向上させます。

 

長年にわたるバビット合金ベアリングの修理経験に基づき、TIG溶接修理法は多くの方法の中でも際立っています。バビット合金のTIG溶接の具体的なプロセス手順を次に紹介します。

 

4.1 溶接前の準備

 

（１）溶接ワイヤの準備

ベアリングの材質はバビット合金、モデル ZSnSb11Cu6 および ZSnSb8Cu4 で、融点が低い軟質金属です。

自家製の溶接ワイヤーを作るには、溶解（小型るつぼ）に適したバビット合金材料を選択します。小型るつぼで溶解した溶接ワイヤーは比較的純粋で、内部の不純物を取り除き、表面に浮遊している浮遊物を取り除くことができます。∠30×30×2のステンレスアングル鋼を傾けて、ステンレスアングル鋼の溝と水平面の間の角度が20°〜40°になるようにします。次に、小さな鉄のスプーンを使用して、溶けたバビット合金液をステンレスアングル鋼の溝に注ぎ、ステンレスアングル鋼を回転させ、ステンレスアングル鋼から落ちた溶接ワイヤーを収集します。

 

（２）軸受面の処理

潤滑油に長時間浸かったベアリングは、油分子が内部に浸透しています。溶接修理の際、漏れた油が金属の融合を妨げるため、丁寧に洗浄する必要があります。

まず、溶接修理箇所を特定し、ベアリングを超音波洗浄します。条件が満たされていない場合は、金属洗浄剤を使用して表面の酸化膜と油汚れを洗浄します。その後、ベアリングを清潔に保ち、すぐに溶接修理を実行します。

 

4.2 溶接修理プロセス

 

（１）TIG DC溶接を使用します。アルゴン保護を使用し、アルゴン流量は1～8L/分、電極径は10mm、小型セラミック保護ノズルを使用します。ヘッドバンド式フォトクロミックマスクを使用し、溶接ワイヤを握るときは優しく扱います。

（2）平溶接と左手溶接法を使用する：溶接の下層を急いで埋めず、まず溶接エリアでアークを開始します。古いベアリングは使用中に大量の潤滑油が浸透しており、清掃後に完全に除去できないためです。溶接するときは、溶接エリアでアークを前後に繰り返し開始し、TIGアークライトを使用して内部の油分子を押し出します。次に、少量のアセトンに浸したきれいな布を使用して、表面に浮いている油分子を拭き取ります。最後にワイヤーブラシを使用して表面に浮いている酸化物を払い落とし、ワイヤー充填修理溶接を実行します。

（３）バビット合金の融点は比較的低いため、アークを開始する際には、電極を溶接部に正確に位置合わせし、アーク加圧法を用いて非溶接部のバビット合金が溶けないようにする。溶接ワイヤは、溶接中のアーク加圧操作を容易にするために、できるだけ細くする。

（4）溶接時には、感光性変色マスクを使用してワイヤを正確に送り、溶接機を調整してガスの遮断を遅らせます。各溶接アークが閉じられたら、ノズルをすぐに溶接エリアから外さないでください。これにより、遅延ガスが効果的にエリアを保護し、気孔の発生を防ぎます。溶接中は風が吹かないように特に注意し、必要に応じて防風対策を講じてください。

（５）最終溶接層の表面は、ベアリングの元の表面よりわずかに高くする必要があり、元の表面との接合部にアンダーカットや未融合欠陥が生じないように注意し、最終的に機械加工によって滑らかなベアリングを得る。図２は、TIG溶接修復後のベアリング表面を示す。

 

5 修復効果

 

本論文ではベアリングの補修効果を検証するため、同一のベアリングを選択し、傷面積3c㎡、深さ2mm、損傷5mm、欠損12mm、損失30mm、損失35mmの人工損傷を付与し、補修した。試験結果を表2に示す。

 

表2から、従来のベアリング修理方法は軽微な修理に限られているのに対し、本論文のベアリング修理方法は、より厚い損傷したバビット合金の修理にも適用でき、修理厚さは35mmに達することができ、厚さ30mmを超えないベアリング損傷に対して修理効果が最も高いことがわかります。

 

バビット合金は船舶の各種ベアリングに広く使用されており、その品質は船舶の主エンジン、発電機、尾軸の正常な作動に関係しています。船舶を修理する場合、バビット合金の鋳造とTIG溶接により高品質の製品が生産されます。バビット合金を修理するためのさまざまな溶接方法を比較すると、TIG溶接は現在最も簡単で理想的な溶接方法です。