日立EH3500卡車前懸臂裂紋焊接工藝

王 勃，任秀明，白 有

（中煤平朔集團有限公司 露天設備維修中心，山西 朔州 036006）

日立EH3500卡車前懸臂裂紋焊接工藝

王 勃，任秀明，白 有

（中煤平朔集團有限公司 露天設備維修中心，山西 朔州 036006）

分析了日立EH3500卡車前懸臂裂發(fā)生裂紋的原因，論述了鑄鋼結(jié)構(gòu)件裂紋現(xiàn)場補焊的方法，給出焊接工藝要點，提出切實可行的焊接修復工藝方案，總結(jié)了礦用卡車鑄鋼結(jié)構(gòu)件裂紋的修復經(jīng)驗。

卡車前懸臂；鑄鋼；裂紋；碳弧氣刨；焊接修復工藝

0 引 言

日立EH3500卡車為礦用電動剛性自卸卡車，其整機質(zhì)量141 t，發(fā)動機功率1 491 kW，裝載量184 t[1]。中煤平朔集團有限公司安家?guī)X露天礦該設備在運行16臺。該設備前懸臂出現(xiàn)裂紋后，為保證設備安全預防事故，需對該類故障進行及時處理，更換新總成件工作量大，同時造成長時間的設備停機損失和高額的備件采購費用，經(jīng)研究決定采用焊接修復方法對其進行處理。在對該鑄鋼件的結(jié)構(gòu)及焊接后不同組織形成的分析后，通過制定合理的焊接修復工藝，解決了日常維修中的技術(shù)難題，并取得了良好的經(jīng)濟效益。

1 產(chǎn)生裂紋的原因分析

1）結(jié)構(gòu)原因。日立EH3500卡車前懸臂是該設備重要的承重部件，屬鑄鋼結(jié)構(gòu)件。前懸臂用來支撐該設備前橋，同時為轉(zhuǎn)向助力缸體提供作用力支點，所以卡車前懸臂時刻都在受力，卡車前懸臂結(jié)構(gòu)如圖1。尤其卡車長時間行駛在不平整路面，前懸臂長期經(jīng)受高沖擊載荷且受力不均勻，前懸臂前端的弧形過渡區(qū)應力集中最為嚴重，致其該部位產(chǎn)生裂紋繼而擴展發(fā)生延性斷裂。

圖1 日立卡車前懸臂結(jié)構(gòu)

2）設計原因?？ㄜ嚽皯冶圩陨韽姸炔蛔?，長時間作業(yè)導致前懸臂裂紋的產(chǎn)生。

3）駕駛員操作原因?？ㄜ囋谘b載時候的超、過載及物料沖擊，作業(yè)過程中駕駛員頻繁打大角度轉(zhuǎn)向及踩制動過猛等。

2 母材的可焊性分析

該類鑄鋼可用于礦用工程設備的結(jié)構(gòu)件，鑄鋼具有抗沖擊能力強、成型能力好等優(yōu)點。根據(jù)廠家提供資料可知，其成分為中碳鑄，焊接性較差，淬硬傾向大，屬于較難焊的材料。且該結(jié)構(gòu)件外型為彎曲異型空心梁，尺寸偏大，整體厚度在30～60 mm，屬大厚度的鑄鋼件。

對鑄鋼結(jié)構(gòu)件裂紋進行焊接修復，在焊接修復工藝中應注意保證焊縫的力學性能要求[2]。結(jié)合裂紋形成的形狀大小極不規(guī)則，分布比較散，為了獲得較好的焊接質(zhì)量減少母材的變形量，提高修復后的使用價值。手工電弧焊具有操作方便、易于分散應力和控制變形、焊接質(zhì)量好等優(yōu)點。所以選擇了手工電弧焊作為該裂紋的焊接修復方法。

3 焊接工藝的制定

3.1 制備坡口

焊接過程中母材坡口充分保障了較厚板材或其他結(jié)構(gòu)能夠焊透、融合好。同時起到調(diào)整焊接熱量輸入，提高焊縫接頭強度的作用。根據(jù)同類鋼材的焊接坡口制備的經(jīng)驗，需嚴格按照標準進行。

1）由于母材厚度相對較大，為控制變形、保證焊接質(zhì)量，因而采用V形坡口，同時V形坡口相對減少了填充材料的使用，焊后應力和變形較小。坡口角度控制在30°左右，減少焊接熱輸入量。

2）沿裂紋長度方向采用碳弧氣刨的方法開坡口，氣刨時求氣刨始端、終端須呈圓弧形，由兩端向中間刨除缺陷。為了減少開坡口過程中的淬硬傾向以獲得高質(zhì)量的坡口，在氣刨前采用氧乙炔焰將待刨缺陷周圍100～150 mm范圍，預熱200～250℃[3]。

3）刨削后需利用砂輪機、角磨機等工具對坡口表面進行修磨處理，要注意修整坡口平面度、磨光坡口兩側(cè)邊緣范圍內(nèi)的深層銹跡等雜物等,尤其確保無炭擊痕跡。若刨削時出現(xiàn)粘渣、銅斑，炭擊痕等缺陷，必須清除缺陷后再進行氣刨[4]。將坡口周圍100 mm范圍內(nèi)打磨干凈，直至露出金屬光澤。

4）為了確保焊縫成形效果，坡口底部可留有2.5 mm左右的底面，焊前需對坡口兩側(cè)進行PT探傷，修磨后進行MT100%探傷，確認無裂紋缺陷。

3.2 焊前準備

預熱是防止冷裂紋的重要工藝措施之一，合理的選擇焊前預熱溫度，是進行大型結(jié)構(gòu)件焊接前的重要工藝步。常根據(jù)結(jié)構(gòu)件的形狀，材質(zhì)，厚度來選擇加熱方式及參數(shù)，該類型中性碳鋼的焊接，需要預熱和控制層間溫度，焊前預熱溫度恰當，可以降低焊縫金屬的應變速率，從而降低熱裂的可能性[5]。同時降低焊縫和熱影響區(qū)冷卻速度，減小淬硬傾向和焊接應力，并有利于焊接接頭中擴散氫的逸出，從而防止和減少馬氏體的產(chǎn)生。預熱溫度的選擇取決于碳當量，母材厚度，結(jié)構(gòu)剛性和焊接方法等。

為保障預熱過程均勻、穩(wěn)定，采用電阻加熱板加熱為宜，但根據(jù)可達性，該部件也可采用氧乙炔焰進行如熱處理，需對坡口兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)加熱，預熱溫度要均勻，嚴禁用大火短時急劇加熱，避免局部應力過大造成變形，同時要嚴格控制如熱溫度，如果預熱溫度過高，將使韌性下降，一般不超過250℃。

3.3 焊接材料的選擇

為了保證焊接質(zhì)量，尤其是重要構(gòu)件的焊接，在施焊前，應根據(jù)焊接工藝規(guī)程和焊接實際的需求，對焊接參數(shù)進行認真的選擇；同時，在施焊中，根據(jù)熔焊的需求，運用焊接操作的機動靈活性對焊接參數(shù)進行合理的調(diào)控[6]。對于受動載荷或沖擊載荷工況條件下使用的構(gòu)件，焊接材料選用應保證有一定的塑性和韌性，為了盡可能降低氫的危害，盡量選用低氫型焊接材料[7]。按廠家要求，建議使用進口AWSE9016G焊條，也可選用7018-1焊條或國產(chǎn)507焊條替代，焊接時采用邊焊邊錘擊焊縫的方式消除應力。結(jié)合日立卡車前懸臂裂紋處厚度一般尺寸為30mm，對應其焊條電弧焊參數(shù)見表1。

表1 焊條電弧焊參數(shù)

3.4 焊接工藝的選取

由于該結(jié)構(gòu)件屬該設備重要的承重部件，對焊接修復的質(zhì)量要求較高，焊縫處存在應力集中大，熱應力容易造成焊接或憨厚開裂，所以在選擇焊接工藝參數(shù)時，應盡可能降低焊接的熱輸入量，控制焊接變形。選用合理的焊接規(guī)范，嚴格控制焊前預熱溫度，層間溫度，采用合理的焊接順序，以改善焊縫的應力狀態(tài)[8]。在達到預熱溫度后，開始焊接，并保證底面焊透。

填充焊不能急于焊滿，應采取合理的焊接順序以控制焊接變形。可采用交替焊接的多層多道焊的方法進行施焊，選擇小直徑的焊條減少熱輸入量的同時增加焊接層數(shù)，有效的提高焊縫的塑、韌性。施焊時，前層焊道尚未冷卻就開始可下道的焊接，后條焊道是在前一條焊道造成的預熱狀態(tài)下進行焊接的。如果保證焊接參數(shù)和焊縫長度適當，就可以使第一道焊道的冷卻溫度一開始就不低于馬氏體生成溫度Ms點以下，并隨后續(xù)焊道的完成，相對緩慢地下降，這有利于產(chǎn)生貝氏體以代替馬氏體[9]。

在焊接厚度、坡口形式一定的條件下，多層焊采取通常采取小截面焊道，每層界面變小可以減小焊接熱輸入量，減小了熔池過熱，改善結(jié)晶條件，細化晶粒，還能改善焊縫的想變組織而提高焊縫金屬的性能。所以該結(jié)構(gòu)件采用的多層多道焊要求每層厚度不超過4～5 mm。

除打底和蓋面焊外，多層多道焊的其他焊道焊完后，可通過錘擊來釋放焊道的內(nèi)部應力，根據(jù)焊接層數(shù)的增加逐漸減小錘擊的程度。每焊完一道后，立即錘擊焊縫，錘擊要均勻，可從焊縫中心向兩邊錘擊，直至焊縫上出現(xiàn)密布麻點。每焊完一段后，不應急于熄弧，熄弧時將電弧引到熄弧點將弧坑填滿，同時還起到附加熱處理作用。

3.5 焊后熱處理和檢驗

焊接修復后的結(jié)構(gòu)件內(nèi)部必然會產(chǎn)生大量的焊接殘余應力，為了減少焊接結(jié)構(gòu)部位的應力集中，防止延遲裂紋產(chǎn)生，焊后應及時對修補處進行后熱處理。結(jié)合板厚，焊后熱處理加熱溫度應為300℃～ 350℃，用石棉布及保溫棉進行包裹保溫不低于8 h（當板厚超過40 mm時加熱溫度應有所提升，但嚴禁后熱溫度超過350℃，焊后保溫時間應提升至8 ～12 h）。目的在于消除殘余應力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向，保證鋼的回火韌性，穩(wěn)定組織，消除組織缺陷[10]。待其自然冷卻至室溫。

完成焊接的前懸臂需要對焊縫部位進行無損檢測，探傷應執(zhí)行SN200，B級標準，通過使用超聲波探傷，焊縫處未發(fā)現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷。后進行表面打磨處理，使用UT探傷，沒有發(fā)現(xiàn)類裂紋形缺陷，達到了保證焊接質(zhì)量和外形尺寸的要求。

4 結(jié)論

露天采剝設備上一些規(guī)格相對較大的鑄鋼結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)裂紋時，可以通過手工焊的焊接方式進行裂紋處修復。修復過程中，要合理選擇焊接材料和參數(shù)，開坡口時要有必要的成型要求，通過嚴格控制焊前預熱、焊后熱處理溫度和選擇合理的焊接順序以保障備件焊接修復的質(zhì)量。焊接完成后，按照標準采用超聲波探傷對焊縫部位進行檢測，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。焊后的日立EH3500卡車運行狀況良好，半年多的時間前懸臂施焊處未發(fā)現(xiàn)裂紋。通過實踐可知，采用合理的焊接工藝對該類大型鑄鋼結(jié)構(gòu)件進行修復，可取得良好的修復效果和經(jīng)濟效益。

［1］ 日立EH3500電動輪卡車裝修手冊［S］.

［2］ 李貞順.Q690鋼板焊接熱影響區(qū)的組織特征及熱穩(wěn)定性研究［J］．金屬學及金屬工藝，2014.

［3］ 邱友勝.大型中碳鑄鋼件裂紋的補焊工藝［J］．焊接技術(shù)：工藝與應用，1996（5）：15-16.

［4］ 李二飛.裝載機鉸接上球頭底座裂紋修復工藝［J］．露天采礦技術(shù)：機電與自動化，2016（9）：98-100.

［5］ 劉會杰.焊接冶金與焊接性［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007：166.

［6］ 李正瑞.焊條電弧焊焊接技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010：144.

［7］ 馬藝娜，張凱，閆樹賢.ZG310—570焊接工藝的研究［J］．金屬加工（熱加工），2011（22）：47-48.

［8］ 陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［9］ 方洪淵.焊接結(jié)構(gòu)學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008：39-40.

［10］ 田錫唐.焊接結(jié)構(gòu)［M］.北京：機械工業(yè)出版社.1994．

【責任編輯：陳 毓】

Hitachi EH3500 truck front cantilever crack welding technology

WANG Bo,REN Xiuming,BAI You
(China Coal PingShuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

The article analyzes the reasons of cracks on front cantilever of Hitachi EH3500 truck,discusses the method of crack site repair welding of cast steel structure,provides some main points of the welding repair technology,presents the practical doable welding repair process,and summarizes the repair experience of mining trucks cast steel structure crack.

front cantilever;cast steel;crack;carbon arc air plane;welding repair technology

TG44

B

1671－9816（2017）06－0070－03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.06.020

王勃，任秀明，白有.日立EH3500卡車前懸臂裂紋焊接工藝［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（6）：70-72.

2017-01-03

王 勃（1985—），男，黑龍江鶴崗人,工程師，2009年畢業(yè)于黑龍江科技學院，材料成型及控制工程專業(yè)，現(xiàn)就職于中煤平朔集團有限公司露天設備維修中心，從事露天設備維修及相關工作。