采掘設備中部槽槽體開裂的焊接修復研究

顧秀花

[摘 ? ?要]掘錨機是采掘設備的其中一種設備，掘錨機中部槽常常會出現(xiàn)中部段開裂，影響了設備的正常運轉(zhuǎn)，加大了停機時在井下焊接修復的難度，嚴重時會導致槽體報廢。為了解決這一問題，開展了中部槽斷裂部位的修復項目，采取了合理的焊接修復方案和工藝，避免了中部槽報廢，同時極大地節(jié)省了領(lǐng)取中部槽備件的費用，減少了資源浪費，降低了維修成本，保證了采掘設備的正常運轉(zhuǎn)。

[關(guān)鍵詞]異種鋼;預熱;焊接工藝;焊接方法;焊后處理

[中圖分類號]TD528 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–00–03

Analysis on Welding Repair of Cracks in the Middle Slot of Excavation Equipment

Gu Xiu-hua

[Abstract]The bolter is one of the mining equipment. The middle groove of the bolter often has cracks in the middle section， which affects the normal operation of the equipment and increases the difficulty of welding and repairing in the underground when the machine is shut down. In order to solve this problem， the repair project of the broken part of the middle groove was carried out， and a reasonable welding repair scheme and process were adopted to avoid the scrapping of the middle groove， and at the same time， the cost of receiving the spare parts of the middle groove was greatly reduced， and the Waste of resources， reduce maintenance costs， and ensure the normal operation of mining equipment.

[Keywords]dissimilar steel; preheating; welding process; welding method; post-weld treatment

山特維克掘錨機解決了傳統(tǒng)掘進機施工勞動強度大，安全環(huán)境差及掘支分離的半機械化作業(yè)現(xiàn)狀，實現(xiàn)了截割、裝載、運輸、錨護的同步進行、平行作業(yè)及全斷面截割一次成巷，具有掘進效率高、操作方便、安全系數(shù)高等優(yōu)點，成為礦井綜掘安全高效快掘的利器。

但是在生產(chǎn)運行工程中，截割大臂（文中中部槽）與截割系統(tǒng)連接在一起，割煤時頻繁起落，受力復雜，導致截割大臂中部段開裂。通過對大臂中部段材質(zhì)和易斷裂部位斷裂原因進行分析，結(jié)合整個大臂槽體材料分析結(jié)果，制定新的修復工藝，改變單一的補焊修復工藝，采用特殊形狀高強度板塊嵌入式修復工藝，將關(guān)鍵部位受力進行分散化，降低關(guān)鍵部位集中受力影響，確定了大臂中段焊接修復的必要性和可行性。

1 焊接缺陷產(chǎn)生的危害

焊接過程中，由于多種原因，往往會在焊接接頭區(qū)域產(chǎn)生各種焊接缺陷。焊接缺陷將直接影響到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的使用，其至會引起各種事故的發(fā)生。

1.1 引起應力集中

如果焊接接頭內(nèi)存在著裂紋、未焊透以及其它帶尖或缺口的缺陷，則接頭的截面不連續(xù)和間斷，存在有突變部位，在外力作用下將產(chǎn)生很大應力集中。在同樣的應力條件下，隨著缺陷尺寸和尖銳度的增大，應力集中越嚴重，產(chǎn)品破裂傾向也就越大。

1.2 縮短使用壽命

焊接結(jié)構(gòu)在使用過程中承受低周脈動載荷，若存在的焊接缺陷尺寸超過一定界限，循環(huán)一定周次后，缺陷會不斷擴展、長大，直至引起結(jié)構(gòu)斷裂，因而縮短使用壽命。

1.3 造成脆斷

脆性斷裂是一種低應力斷裂，是結(jié)構(gòu)在沒有塑性變形情況下產(chǎn)生的快速突發(fā)性斷裂。在低溫下更容易發(fā)生，其危害性很大。焊接質(zhì)量對產(chǎn)品脆斷有很大的影響。美國對船舶事故調(diào)查表明，40%的脆斷事故是從焊縫缺陷處發(fā)生的。如果焊縫缺陷發(fā)生在應力集中區(qū)則更加危險。因此，防止產(chǎn)品脆斷的重要措施之一是盡量避免和控制焊接缺陷。

2 焊接修復前的準備工作

2.1 確認補焊部位的材質(zhì)

掘錨機部件在拆解后進行噴砂處理，在檢測時，發(fā)現(xiàn)槽體的中間部位開裂并已在井下焊接過，此處材質(zhì)清理后用材料分析儀進行測量，經(jīng)過幾次測得的結(jié)果，判斷為低合金高強鋼。

2.2 焊前清理

對缺陷處進行氣割，氣割范圍在磨損、開裂處再擴展100 mm范圍進行氣割，氣割后進行打磨。因為徹底清除缺陷是補焊的前提，是保證補焊質(zhì)量的根本所在。

3 焊接方法的確定

選擇補焊方法的主要根據(jù)是缺陷的大小、缺陷的長短、分布疏密程度、補焊坡口的深淺寬窄、工件的厚薄、補焊中能否將工件翻動等一系列因素。通常情況下多數(shù)釆用手工電弧焊方法。它適用于各種復雜形狀和分布的補焊坡口，各種焊接位置和各種材料。盡管手工補焊的效率不高，有時操作條件還很惡劣，但其適應性強，配合具體產(chǎn)品補焊用的電焊條容易購置，由經(jīng)驗豐富、操作熟練的有證焊工補焊，質(zhì)量易于得到保證。所以手工補焊用得最廣泛。

手工焊接，焊接材料提報的周期長，不能及時到位，影響設備出廠，效率不高，所以根據(jù)部門現(xiàn)有的設備，采用二氧化碳氣體保護焊焊機，優(yōu)點是，效率高，操作方便，明弧焊接，焊接質(zhì)量高。

4 焊接修復工藝

4.1 分析數(shù)據(jù)

收集現(xiàn)有使用數(shù)據(jù)，分析損壞原因，針對原因提出改善方案：①使用更高強度的板材。②以特殊形狀進行嵌入式修復。將受力分散到其他位置。繪制圖紙通過剖析內(nèi)部結(jié)構(gòu)，繪制三維圖進行模擬，模擬成功后準備進行修復。

4.2 材料分析

使用材料分析儀進行分析，母材為35 SiMn，為低合金高強鋼，根據(jù)母材35 SiMn的化學成分元素含量及力學性能，焊接修復時選用Q550低合金鋼材料。材料35 SiMn和材料Q550的化學成分和力學性能，見表1和表2。

35 SiMn力學性能：抗拉強度885 MPa;屈服強度：735 MPa;斷后伸長率：15;斷面收縮率：45;沖擊功：47 J。

Q550力學性能：抗拉強度670～830 MPa;屈服強度：≥500 MPa;斷后伸長率：16;斷面收縮率：45;沖擊功：≥40 J。

5 焊接性分析

根據(jù)碳當量計算公式Ceq=C+Mn/6+（Cr+V+Mo）/5+（Cu+Ni）/15及分析值焊接性的Ce（碳當量）評估。CE≤0.4%焊接性好;當CE=0.4%～0.6%焊接性稍差，焊前需適當預熱;當CE≥0.6%焊接性較差，屬難焊材料，需采用較高的預熱溫度和嚴格的工藝方法;35 SiMn的Ceq=0.98%，Q550的Ceq=0.83%。由此可見這兩種鋼材屬于異種鋼焊接，焊接性差，需要采取嚴格的選擇焊接材料和焊接修復焊接工藝。

6 焊接材料的選擇

焊接材料ER69-1的化學成分和力學性能，見表3和表4。

根據(jù)異種鋼焊接材料的選用原則：低合金結(jié)構(gòu)鋼是強度用鋼，因此選擇焊接材料時，應保證焊縫的強度、韌性和塑性等性能符合產(chǎn)品設計要求，按“等強”原則選擇與母材強度相當?shù)暮附硬牧?，并綜合考慮焊縫金屬的韌性、塑性及抗裂性能。只要焊縫金屬的強度不低于或略高于母材強度的下限值即可。焊縫強度過高，將導致焊縫韌性、塑性及抗裂性能的降低強度級別較高的普通低合金鋼焊接時，應選用韌性、塑性和抗裂性能好的堿性焊條或焊絲，考慮焊縫的塑性和韌性，可選用比母材低一級強度的焊條或焊絲。所以根據(jù)上述的分析，焊接材料應選擇ER69-1實芯焊絲。

7 焊接修復工藝要點

（1）預熱。預熱是避免生成淬硬組織、減小焊接應力、防止產(chǎn)生焊接冷裂紋的有效措施之一，將修復部位按照已畫線部位進行氣割，氣割后進修打磨，打磨掉熔渣、銹蝕及雜物，再進行氣割出坡口，坡口為K型坡口，便于進行兩面焊接、防止變形并且焊透，保證焊接質(zhì)量。

坡口修整后與加工的Q550板進行組對，組對后使焊接部位的焊縫均為X型坡口形式，在焊接前做好防變形措施，然后進行預熱，預熱溫度根據(jù)冷裂紋敏感性實驗計算公式計算后，得知預熱溫度為220℃左右即可，采取局部預熱時，預熱范圍為焊縫兩側(cè)各不小于焊件厚度的3倍，且不小于100 mm。預熱后使用測溫儀進行邊跟蹤溫度的控制。

（2）先焊接打底焊。焊接時先將槽體焊接修復部位用槽鋼按照草剃得寬度，下兩根10號槽鋼在內(nèi)部點固焊接，起到剛性固定的作用，再采用單面焊雙面成型技術(shù)，并且對稱、分段進行焊接，控制變形。

（3）間層焊接。采用多層多道焊接形式，每焊完一道焊縫后，需將焊渣清理干凈，并檢查焊縫中有無氣孔、裂紋等缺陷，如有上述缺陷，必須將其徹底清除后，方可繼續(xù)焊接下一道焊縫。這種焊法的優(yōu)點是在焊下一道時對上一道焊縫起到了熱處理的效果。間層焊接參數(shù)，見表4。

（4）蓋面。蓋面焊接前的清理焊前先將填充焊層的飛濺和熔渣清理干凈，凸起不平的地方磨平?？刂坪笜尩臄[動幅度，使焊槍的擺動幅度比填充焊時更大一些，擺動時要幅度一致，速度均勻。注意觀察坡口兩側(cè)的熔化情況，保證熔池的邊緣超過坡口兩側(cè)的棱邊并不大于2 mm，避免咬邊。

控制噴嘴的高度，保持噴嘴的高度一致，才能得到均勻美觀的焊縫表面?？刂剖栈√顫M弧坑并待電弧熄滅，熔池凝固后方能移開焊槍，避免出現(xiàn)弧坑斷紋和產(chǎn)生氣孔。焊接完成后進行清理，打磨焊縫周圍的飛濺物，及焊縫高點，直至焊縫圓滑過渡，露出金屬光澤即可。蓋面焊接參數(shù)，見表5。

（5）焊后熱處理。后熱是焊接后立即對焊件的全部（或局部）加熱到150～250 ℃或保溫，使其緩冷的工藝措施。這是防止淬硬冷裂工藝措施。在低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接時，后熱主要是指消氫處理。消氫處理是焊后立即將焊接區(qū)加熱到250～350 ℃，保溫2～6 h，使焊縫中的擴散氫逸出焊縫表面的一種工藝措施。其消氫效果比低溫后熱更好。焊后及時后熱及消氫處理是防止焊接冷裂紋有效措施之一。掘錨機中部槽槽體焊接完成后，進行了消氫處理，達到了預期效果。

（6）焊后的檢驗。焊完畢和熱處理以后，將焊縫處進行著色探傷，按照探傷步驟進行操作，需注意，要用清洗劑清理干凈焊縫處，顯像劑噴涂上必須達到15 min后方可檢查焊縫是否存在缺陷，槽體經(jīng)過探傷后沒有缺陷，是否質(zhì)量完好。掘錨機中部槽斷裂部位三坐標示意圖和焊接修復完好圖見圖1和圖2。

8 結(jié)束語

掘錨機前部運輸槽，采用了高強度材料更換開裂、疲勞部位，并且采用了低強匹配，焊前預熱、控制層間溫度的焊接工藝，焊接時焊縫采用了X型坡口且單面焊雙面成型的焊接技術(shù)進行焊接，保證了結(jié)構(gòu)件的原始結(jié)構(gòu)尺寸、提高了焊接修復部位的強度要求。此修復技術(shù)將受力進行了分散，恢復了原使用性能并延長了使用壽命。修復后的中部槽可以持續(xù)使用，采用此方法節(jié)約了大量資金，用在設備上效果良好并一直在推廣使用。

參考文獻

[1] 賀文雄，張洪濤，周利.焊接工藝及應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.