Trong quá trình đóng tàu, kim loại babbitt được sử dụng rộng rãi trong tất cả các loại gối trên tàu. Trong sửa chữa tàu, để nâng cao tỷ lệ sử dụng lặp lại của gối kim loại babbitt và giảm vốn và thời gian gia công đúc lại, theo kinh nghiệm thực tế sửa chữa gối kim loại babbitt trong hơn 30 năm qua, một bộ công nghệ sửa chữa hàn kim loại babbitt có tỷ lệ chất lượng cao được tóm tắt.

1 Giới thiệu

Nhiều thiết bị quay trên tàu dựa vào sự hỗ trợ của nhiều loại ổ trục và bôi trơn ổ trục bằng dầu bôi trơn để hoạt động. Ống lót ổ trục trung gian của trục đuôi tàu, ống lót thanh truyền của động cơ chính, ống lót của máy phát điện, v.v., đều được làm bằng hợp kim Babbitt. Do rung động hoặc hỏng hóc của hệ thống cung cấp dầu trong quá trình vận hành lâu dài, hợp kim Babbitt trên ống lót bị mòn và thậm chí khiến hợp kim Babbitt rơi ra và cháy. Do đó, hàn đúc và hàn sửa chữa thường được sử dụng trong sửa chữa. Bài viết này sẽ giới thiệu về thực hành thành công của công nghệ sửa chữa hàn TIG đối với các ống lót bị hỏng và hư hỏng.

2 Giới thiệu về hợp kim Babbitt

2.1 Đặc điểm của hợp kim Babbitt

Hợp kim Babbitt có hiệu suất giảm mài mòn cao, nhúng tốt, tuân thủ ma sát và khả năng chống trục. Các hạt pha cứng được phân bố đều trong ma trận pha mềm. Ma trận pha mềm mang lại cho hợp kim các đặc tính nhúng, tuân thủ và chống cắn tốt. Sau khi chạy rà, ma trận mềm lõm và các điểm cứng lồi, do đó tạo ra một khe hở nhỏ giữa các bề mặt trượt để trở thành không gian lưu trữ dầu và kênh dầu bôi trơn, có lợi cho việc giảm mài mòn; và các hạt cứng lồi đóng vai trò hỗ trợ, có lợi cho ổ trục.

2.2 Các mô hình hợp kim babbitt thường dùng

Hầu hết các ống lót ổ trục trung gian trục đuôi tàu, ống lót thanh truyền động cơ chính và ống lót máy phát điện đều sử dụng hai loại hợp kim babbitt, cụ thể là ZSnSb11Cu6 và ZSnSb8Cu4, như thể hiện trong Bảng 1.

2.3 Các dạng khuyết tật và hư hỏng của hợp kim babbitt

Các dạng hư hỏng chính của ống lót ổ trục trung gian trục đuôi tàu (hợp kim babbitt) như sau:

(1) Lỗi cục bộ hoặc hao mòn

Do ống lót hoạt động trong thời gian dài, lớp hợp kim babbitt trên ống lót bị mòn và bong ra do rung động, như thể hiện trong Hình 1.

(2) Hoàn toàn bị vỡ hoặc tách lớp

Nếu hệ thống cung cấp dầu bị hỏng, sẽ xảy ra cháy, ổ trục trên và dưới đều bị cháy và hỏng, đặc biệt là ổ trục dưới, nơi lớp hợp kim Babbitt thậm chí sẽ bị bong ra. Loại hư hỏng nghiêm trọng này không thể sửa chữa bằng hàn, cần phải sửa chữa bằng cách đúc lại.

3 Vật liệu và đặc tính hàn của hợp kim Babbitt

Hợp kim Babbitt là vật liệu kim loại mềm, thường được sửa chữa bằng cách đúc lại và hàn. Vì hợp kim Babbitt có điểm nóng chảy thấp (240°C) và tính lưu động mạnh, nên chất lỏng thiếc trong vũng nóng chảy dễ bị mất, do đó khó đúc hoặc hàn. Thông qua thực hành liên tục, các phương pháp và quy trình sửa chữa mới đơn giản hơn so với phương pháp truyền thống đã được khám phá. Sau đây giới thiệu phương pháp sửa chữa hàn TIG khi hư hỏng nghiêm trọng.

3.1 Đặc tính vật liệu của hợp kim Babbitt

Hàn thiếc là loại hàn mềm có điểm nóng chảy thấp. Có thể nung chảy ở nhiệt độ tương đối thấp bằng cách hàn, và các mối hàn có thể được kết nối. Đây là phương pháp cung cấp độ dẫn nhiệt và điện liên tục, hoặc được sử dụng để niêm phong các bình chứa chất lỏng và khí, và các mối hàn không phải chịu ứng suất lớn.

Mối hàn mềm phải đáp ứng các yêu cầu sau:

(1) Có tính dẫn nhiệt, dẫn điện nhất định;

(2) Duy trì độ bền cần thiết giữa các bộ phận kết nối dưới 200℃;

(3) Có cấu trúc chặt chẽ và độ kín tốt;

(4) Có khả năng thấm ướt tốt giữa mối hàn mềm và các bộ phận hàn và vật liệu cơ bản.

Độ dẫn nhiệt và dẫn điện của mối hàn mềm kém, chỉ bằng 8%~15% đồng. Tuy nhiên, không có điện trở rõ ràng (như điện trở) trên đường (như mạch điện), vì đường dẫn ngắn và diện tích tiếp xúc tại mối hàn lớn.

Chất lượng của mối hàn phụ thuộc vào bản chất của bề mặt cần hàn, tính chất của mối hàn mềm và lựa chọn chất trợ dung. Trên thực tế, nó phụ thuộc vào quá trình làm ướt mối hàn mềm nóng chảy trên bề mặt kim loại rắn cần hàn. Thiếc là một thành phần hoạt động trong nhiều thành phần hàn mềm. Nó có thể làm ướt và hợp nhất với kim loại cơ bản cần hàn, chẳng hạn như Cu, Fe, Ni, v.v., để tạo thành một lớp hợp chất kim loại rất mỏng.

Sử dụng chất trợ dung là để làm sạch bề mặt kim loại cần hàn để tránh ảnh hưởng đến khả năng thấm ướt. Thành phần chính của chất trợ dung là ZnCl2, khi có nước sẽ tạo ra axit clohydric tự do. Khi hàn đồng, lớp oxit hòa tan thành clorua và để lại đồng gốc, chất hàn nóng chảy dần lan ra trên đồng.

3.2 Thành phần và tính chất của mối hàn mềm

Mối hàn mềm thường là hợp kim Sn-Pb có thành phần eutectic là 26.1%Pb và nhiệt độ eutectic là 183℃, có thể đảm bảo nhiệt độ hàn thấp và tránh làm hỏng các linh kiện nhạy cảm với nhiệt độ.

Khi hàn bằng tay, hãy chọn hợp kim Sn-50%Pbd. Khi nhiệt độ giảm, độ hòa tan của Sn trong Pb giảm, Sn kết tủa và chất hàn mềm đi; trong hợp kim hàn Sn-Pb-Sb, sự kết tủa của hợp chất liên kim loại SnSb đặc biệt rõ ràng; hợp kim Sn-5%Ag và Sn-5%Sb không chỉ có thể duy trì độ bền của chất hàn ở 200 ℃ mà còn có khả năng thấm ướt tương tự như hợp kim eutectic.

Đối với chất hàn sử dụng ở nhiệt độ thấp, nên chọn hợp kim Pb cao, chẳng hạn như hợp kim Pb-10%Sn hoặc Pb-5%Sn-1.5%Ag. Độ thấm ướt và độ bền của hợp kim này sẽ bị ảnh hưởng, nhưng Sn sẽ không trải qua sự thay đổi pha ở nhiệt độ thấp (như 173K), dẫn đến mất độ dẻo và độ bền va đập của chất hàn nghiêm trọng.

Trong các chất hàn này, 0.001% Al sẽ gây ra quá trình oxy hóa và màng oxit nhôm sẽ ảnh hưởng đến khả năng thấm ướt tại giao diện giữa chất hàn lỏng và chất trợ dung; chất hàn thường chứa 0.1% ~ 0.5% Sb và chất hàn chống biến dạng có thể đạt tới 5% Sb. Một lượng nhỏ antimon (0.1% ~ 0.5%) có thể cải thiện khả năng thấm ướt của chất hàn Pb-Sn vào đồng thau. Thêm 0.1% ~ 0.25% Bi có thể làm tăng tốc độ lan truyền của chất hàn eutectic Sn-Pb. Khi Bi vượt quá 0.5%, bề mặt chất hàn sẽ đổi màu.

Cadmium sẽ làm giảm tốc độ làm ướt, và lớp oxit của nó sẽ làm tối bề mặt hàn và gây ra các khuyết tật khi hàn; đồng ít ảnh hưởng đến khả năng làm ướt của hàn, nhưng khi vượt quá 0.25% Cu, nó sẽ ảnh hưởng đến diện mạo của bề mặt hàn do sự hình thành các hợp chất Cu-Sn; phốt pho vượt quá 0.01% P sẽ ảnh hưởng đến khả năng làm ướt của hàn trên đồng và thép cacbon thấp; lưu huỳnh (S) ảnh hưởng đến diện mạo của bề mặt hàn và hàm lượng S trong hàn được giới hạn trong khoảng 0.001 5%; Kẽm dễ bị oxy hóa để tạo ra oxit và chất lượng bề mặt hàn giảm khi vượt quá 0.003% Zn. Do đó, không thể đánh giá thấp tác động kết hợp của các tạp chất khác nhau và cần phải hạn chế nghiêm ngặt.

3.3 Khó khăn trong quá trình sửa chữa hợp kim babbitt

Trước đây, sửa chữa hàn chủ yếu được sửa chữa bằng phương pháp hàn gió truyền thống hoặc hàn điện crom công suất cao. Các phương pháp sửa chữa này có các khuyết điểm sau:

(1) Sản xuất dây hàn

Cần phải tự chế que hàn và sử dụng ngọn lửa oxy-axetilen để nung trực tiếp khối hợp kim babbitt. Nhược điểm của nó là: một mặt, khi nung nóng và nóng chảy, chất lỏng dây hàn chảy ra sẽ đông cứng ngay lập tức, trở thành dây hàn có kích thước khác nhau, có đường kính dày và không đều; mặt khác, do hợp kim babbitt được nung nóng trực tiếp bằng ngọn lửa oxy-axetilen, các tạp chất có trong nó không thể loại bỏ và cũng sẽ đông cứng thành dây hàn, khiến dây hàn thu được rất thô. Rất khó để làm nóng chảy vật liệu độn trong quá trình hàn bằng gió truyền thống hoặc sửa chữa sắt crom điện công suất cao;

(2) Hiệu ứng sửa chữa

Phương pháp hàn khí truyền thống để hàn và sửa chữa ổ trục không thể đáp ứng được yêu cầu hàn sửa chữa: ① Sử dụng đèn gió để nhắm trực tiếp vào ổ trục. Mặc dù công suất nóng chảy đáp ứng được yêu cầu hàn sửa chữa, nhưng nó sẽ làm hỏng phần nguyên vẹn tiếp giáp với thân chính hoặc phần sửa chữa, và phần hàn và phần nguyên vẹn không thể nấu chảy cùng nhau; ② Sử dụng đèn gió để làm nóng búa làm bằng đồng nguyên chất mà không làm nóng nó, và sử dụng búa để dẫn nhiệt để hàn. Điều này sẽ tản nhiệt nhanh chóng, dẫn đến nguội và không nóng chảy để đạt được mối hàn. Cũng khó làm nóng chảy phần hàn và phần nguyên vẹn, và thường có vết cắt dưới tại mối nối; ③ Sử dụng sắt crom điện công suất cao để hàn, với nhiệt độ 500 A. Lấy sắt điện crom làm ví dụ, việc hàn các lỗ rỗng và ổ trục diện tích nhỏ có thành mỏng là chấp nhận được, nhưng đối với ổ trục có thành dày, nhiệt độ không đủ, công suất nóng chảy không thể đáp ứng được yêu cầu hàn sửa chữa và các mối nối thường có vết cắt dưới.

4 Phương pháp sửa chữa sử dụng TIG

Đối với hư hỏng diện tích nhỏ và khuyết tật của ổ trục hợp kim Babbitt, các phương pháp sửa chữa hàn thông thường bao gồm hàn oxyacetylene và hàn sắt hàn. Hàn oxyacetylene và hàn sắt hàn dễ bị cắt lõm, thâm nhập không hoàn toàn và rỗ. Đặc biệt, quy trình vận hành hàn oxyacetylene phức tạp và dễ làm hỏng ma trận.

Sau đây giới thiệu một phương pháp sửa chữa hàn hoàn toàn khác cho ổ trục hợp kim Babbitt. Nó không chỉ dễ vận hành mà còn không cần thuốc hàn, đơn giản hóa quy trình sửa chữa và có chất lượng hàn cao. Tỷ lệ đạt tiêu chuẩn sau khi sửa chữa có thể đạt 100%, khắc phục các khuyết tật về vết cắt dưới, độ thâm nhập không hoàn toàn và lỗ rỗng dễ tạo ra khi hàn bằng oxyacetylene và hàn sắt hàn, và tuổi thọ của ổ trục sau khi sửa chữa được kéo dài; nó có thể được áp dụng cho các hư hỏng dày hơn trên ổ trục hợp kim Babbitt, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Dựa trên kinh nghiệm sửa chữa ổ trục hợp kim babbitt trong nhiều năm, phương pháp sửa chữa hàn TIG nổi bật hơn nhiều phương pháp khác. Các bước quy trình cụ thể của hàn TIG hợp kim babbitt được giới thiệu như sau.

4.1 Chuẩn bị trước khi hàn

(1) Chuẩn bị dây hàn

Vật liệu của ổ trục là hợp kim babbitt, model ZSnSb11Cu6 và ZSnSb8Cu4, là kim loại mềm có nhiệt độ nóng chảy thấp.

Chọn vật liệu hợp kim babbitt phù hợp để nấu chảy (lò nung nhỏ) để làm dây hàn tự chế. Dây hàn nóng chảy trong lò nung nhỏ tương đối tinh khiết, có thể loại bỏ tạp chất bên trong và loại bỏ các vật thể nổi lơ lửng trên bề mặt; nghiêng thép góc thép không gỉ ∠ 30×30×2 sao cho góc giữa rãnh thép góc thép không gỉ và mặt phẳng ngang là 20°~40°, sau đó sử dụng thìa sắt nhỏ để đổ chất lỏng hợp kim babbitt nóng chảy vào rãnh thép góc thép không gỉ, xoay thép góc thép không gỉ và thu thập dây hàn rơi ra khỏi thép góc thép không gỉ.

(2) Xử lý bề mặt chịu lực

Vòng bi đã ngâm trong dầu bôi trơn trong thời gian dài có các phân tử dầu đã thâm nhập vào bên trong thân vòng bi. Trong quá trình sửa chữa hàn, những loại dầu rò rỉ này sẽ cản trở sự kết dính của kim loại, vì vậy cần phải vệ sinh cẩn thận.

Đầu tiên, xác định vị trí hàn sửa chữa và vệ sinh ổ trục bằng siêu âm. Nếu không đáp ứng được các điều kiện, hãy sử dụng chất tẩy rửa kim loại để làm sạch lớp màng oxit và vết dầu trên bề mặt. Sau đó, giữ ổ trục sạch sẽ và tiến hành sửa chữa hàn ngay lập tức.

4.2 Quy trình sửa chữa hàn

(1) Sử dụng hàn TIG DC: sử dụng bảo vệ argon, lưu lượng argon là 8 đến 10 L/phút, đường kính điện cực là 3.2 mm; một vòi phun bảo vệ bằng gốm nhỏ; sử dụng mặt nạ quang sắc đeo đầu và nhẹ nhàng khi cầm dây hàn;

(2) Sử dụng phương pháp hàn phẳng và hàn tay trái: không vội vàng lấp đầy lớp dưới cùng của mối hàn, trước tiên hãy bắt đầu hồ quang ở khu vực hàn, vì các ổ trục cũ đã thấm rất nhiều dầu bôi trơn trong quá trình sử dụng và không thể loại bỏ hoàn toàn sau khi vệ sinh. Khi hàn, hãy liên tục bắt đầu hồ quang qua lại trong khu vực hàn, sử dụng TIG Sử dụng đèn hồ quang để đẩy các phân tử dầu bên trong ra ngoài; sau đó sử dụng giẻ sạch nhúng vào một ít axeton để lau sạch các phân tử dầu nổi trên bề mặt; cuối cùng sử dụng bàn chải sắt để chải sạch các oxit nổi trên bề mặt, sau đó thực hiện hàn sửa chữa lấp đầy dây;

(3) Điểm nóng chảy của hợp kim Babbitt tương đối thấp. Khi bắt đầu hồ quang, điện cực phải được căn chỉnh chính xác với khu vực hàn và phải sử dụng phương pháp ép hồ quang để ngăn hợp kim Babbitt ở khu vực không hàn bị nóng chảy; dây hàn phải được làm mỏng nhất có thể để tạo điều kiện cho thao tác ép hồ quang trong quá trình hàn;

(4) Khi hàn, sử dụng mặt nạ đổi màu cảm quang để đưa dây chính xác và điều chỉnh máy hàn để trì hoãn việc ngắt khí; khi mỗi hồ quang hàn đóng lại, không được tháo ngay vòi hàn ra khỏi khu vực hàn để khí trì hoãn có thể bảo vệ khu vực đó một cách hiệu quả, tránh gây ra lỗ rỗng; đặc biệt chú ý không được có gió trong quá trình hàn và nếu cần thiết, hãy thực hiện các biện pháp chặn gió;

(5) Bề mặt của lớp hàn cuối cùng phải cao hơn một chút so với bề mặt ban đầu của ổ trục, đồng thời chú ý không tạo ra các vết cắt và khuyết tật chưa hợp nhất tại điểm tiếp giáp với bề mặt ban đầu, và cuối cùng thu được ổ trục nhẵn thông qua gia công. Hình 2 cho thấy bề mặt ổ trục sau khi sửa chữa bằng hàn TIG.

5 Hiệu ứng sửa chữa

Để kiểm chứng hiệu quả sửa chữa của ổ trục trong bài báo này, tác giả đã chọn ổ trục tương tự, và làm hỏng nhân tạo với diện tích trầy xước là 3 c㎡ và độ sâu là 2 mm, hư hỏng 5 mm, khuyết tật 12 mm, mất 30 mm và mất 35 mm, sau đó sửa chữa. Kết quả thử nghiệm được liệt kê trong Bảng 2.

Có thể thấy từ Bảng 2 rằng phương pháp sửa chữa ổ trục truyền thống chỉ giới hạn ở các sửa chữa nhỏ; trong khi phương pháp sửa chữa ổ trục trong bài báo này có thể được áp dụng để sửa chữa các hợp kim babbitt bị hỏng dày hơn và độ dày sửa chữa có thể đạt tới 35 mm và hiệu quả sửa chữa tốt nhất đối với ổ trục bị hỏng có độ dày không quá 30 mm.

Hợp kim Babbitt được sử dụng rộng rãi trong các loại ổ trục khác nhau trên tàu, và chất lượng của nó liên quan đến hoạt động bình thường của động cơ chính, máy phát điện và trục đuôi của tàu. Khi sửa chữa tàu, đúc và hàn TIG hợp kim Babbitt sẽ tạo ra các sản phẩm chất lượng cao. Trong so sánh các phương pháp hàn khác nhau để sửa chữa hợp kim Babbitt, hàn TIG hiện là phương pháp hàn đơn giản và lý tưởng nhất.