鑄焊結(jié)構(gòu)中部槽中板焊接應(yīng)力分析★

朱秀光， 穆潤(rùn)青， 張彥斌， 張彩霞

（1.中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司， 河北 張家口 076025；2.河北省高端智能礦山裝備技術(shù)創(chuàng)新中心， 河北 張家口 076025）

引言

我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的能源儲(chǔ)量特點(diǎn)決定了煤炭在我國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)構(gòu)成中占據(jù)主導(dǎo)地位[1]。根據(jù)中國(guó)煤炭機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的“2020 年中國(guó)煤炭機(jī)械50 強(qiáng)”數(shù)據(jù)顯示，2020 年，我國(guó)生產(chǎn)刮板輸送機(jī)1 609 臺(tái)，其中包含中部槽20 余萬(wàn)件。目前圍繞中部槽中板用耐磨鋼板組織調(diào)控的研究[2-4]雖然已從多方面展開，但關(guān)于中板與槽幫的焊接應(yīng)力研究卻鮮有報(bào)道。

焊接是一個(gè)極其不平衡的冷卻以及加熱過程，在這一過程中，焊接部件的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生焊接殘余形變，這種形變是無(wú)法避免的。但經(jīng)過對(duì)焊接應(yīng)力的定量化研究，并結(jié)合工件的實(shí)際運(yùn)行工況，可以將其殘余應(yīng)力向有利于工件實(shí)際運(yùn)行的方向傾斜，這樣可將不利影響轉(zhuǎn)化為有利[5-8]。因此，本文對(duì)鑄焊結(jié)構(gòu)中部槽中板的焊接應(yīng)力進(jìn)行了定量分析。

1 NM450 耐磨鋼彈性模量測(cè)量

彈性模量E（又稱楊氏模量）：產(chǎn)生單位應(yīng)變時(shí)需要的應(yīng)力大小，表征材料抵抗變形能力的大小，物理本質(zhì)是表征材料原子間的結(jié)合力。要分析耐磨板材料在焊接過程中的應(yīng)力變化，首先需要檢測(cè)出測(cè)試材料的彈性模量，首先對(duì)后續(xù)測(cè)試應(yīng)力變化的NM450 耐磨板的彈性模量進(jìn)行測(cè)量。圖1-1 為本文中所用到的電阻應(yīng)變計(jì)，圖1-2 為檢測(cè)彈性模量試件，圖1-3 為試件拉伸過程，圖1-4 為試件拉伸曲線。

依據(jù)公式1 與圖1-4 檢測(cè)值，可以計(jì)算出NM450 耐磨鋼板的彈性模量為226 GPa。

圖1 NM450 彈性模量測(cè)量

式中：F 為載荷力；L 為標(biāo)距長(zhǎng)度；S 為截面積；δL為載荷力下的標(biāo)距變化量。

2 試驗(yàn)方案

刮板輸送機(jī)中部槽通常為鑄焊結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見下頁(yè)圖2，其中槽幫為鑄件，材質(zhì)一般為ZG30MnSi或ZG30MnSiMo，中板為耐磨鋼板，材質(zhì)一般為NM360、NM400 和NM450，槽幫和中板的材質(zhì)一般隨刮板輸送機(jī)設(shè)備型號(hào)大小和煤礦條件進(jìn)行選擇，本文選用的槽幫材料是ZG30MnSiMo 中板材料為NM450，其材料成分見下頁(yè)表1。

表1 對(duì)焊材料成分

圖2 鑄焊結(jié)構(gòu)中部槽

2.1 焊接工藝

從表1 材料成分可以看出，該材料在焊接時(shí)需進(jìn)行預(yù)熱，實(shí)際生產(chǎn)中的預(yù)熱溫度為175 ℃，焊絲選擇ER69-1，焊接工藝為：組焊→預(yù)熱→打底焊→填充焊→蓋面焊。本文中選擇了兩種不同的填充蓋面焊接工藝，分別是交叉對(duì)稱焊接和單面成型后翻面焊接，具體焊接順序見圖3。各步所需電流電壓值見表2。

圖3 焊接順序圖（單位：mm）

表2 各步所需電流電壓值

2.2 應(yīng)變片粘貼方案

本文選擇了槽寬為1 m、槽長(zhǎng)為1.5 m 的中部槽進(jìn)行測(cè)試，具體粘貼位置為：與兩側(cè)焊縫平行距離為150 mm 的位置選取了6 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，中板中心線選取了3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，共9 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，具體見圖4-1、圖4-2。本文中選取的焊接設(shè)備為焊接機(jī)器人見圖4-3。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

此試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集分兩部分完成，首先是整個(gè)的焊接過程，其次是在焊接完成工件冷卻至室溫后卸除拉強(qiáng)的應(yīng)力變化。下面以單面成型后翻面焊接采集位置的應(yīng)變曲線，如圖5—圖7 所示（圖中1、2、3、4、5、6、7、8、9 號(hào)曲線分別對(duì)應(yīng)圖4-1 中1、2、3、4、5、6、7、8、9 號(hào)應(yīng)變片），進(jìn)行簡(jiǎn)要說明：

圖5 擋板側(cè)的應(yīng)變變化曲線

圖7 中板中線應(yīng)變變化曲線

如圖8 所示（圖中曲線表示圖4-1 中1、2、3、4、5、6、7、8、9 號(hào)應(yīng)變片在焊接完成后卸除外界約束前后的應(yīng)變變化情況），中底板卸除拉強(qiáng)前后應(yīng)變數(shù)據(jù)可知：拉強(qiáng)切割前后中底板的應(yīng)變情況基本保持不變，即：在焊接過程中中底板所“植入”的應(yīng)力，在焊接完成后將伴隨中部槽進(jìn)入工況服役中。

圖4 應(yīng)力測(cè)試位置圖

圖8 焊接完成后卸除拉強(qiáng)前后應(yīng)變變化曲線

3.1 單面成型焊卸掉全工序完成后的應(yīng)力分布情況

從應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，中部槽全部焊接工序完成后，中板上表面的應(yīng)力狀態(tài)主要表現(xiàn)為：

圖6 鏟板側(cè)應(yīng)變變化曲線

1）槽長(zhǎng)方向近槽板側(cè)主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，其中起焊?jìng)?cè)的應(yīng)力最大，達(dá)137 MPa；中板中心主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，應(yīng)力值在10～21 MPa 之間；

2）槽寬方向整個(gè)中板上表面均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，應(yīng)力值在64～143 MPa 之間，其中最大應(yīng)力值在起焊段。

3.2 交叉對(duì)稱焊全工序完成后的應(yīng)力分布情況

從如圖9 所示（圖中曲線表示圖4-1 中1、2、3、4、5、6、7、8、9 號(hào)應(yīng)變片在焊接整個(gè)過程及卸除外界約束后的應(yīng)變變化情況）的應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，中部槽全部焊接工序完成后，中板上表面的應(yīng)力狀態(tài)主要表現(xiàn)為：

圖9 交叉對(duì)稱焊接全過程應(yīng)變曲線

1）槽長(zhǎng)方向主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，其中起焊?jìng)?cè)的應(yīng)力最大，達(dá)52.6 MPa；中板中心主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，應(yīng)力值在22～25 MPa 之間。

2）槽寬方向整個(gè)中板上表面均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，應(yīng)力值在36～110 MPa 之間，其中最大應(yīng)力值在起焊段。

3.3 不同焊接工藝下應(yīng)力方向的變化情況

不同焊接工藝下應(yīng)力方向有部分發(fā)生了變化，主要表現(xiàn)在槽長(zhǎng)方向，主要表現(xiàn)為：

1）交叉對(duì)稱焊7號(hào)應(yīng)變片檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力為-19.2MPa；單面成型焊7 號(hào)應(yīng)變片檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力為69.4 MPa。

2）交叉對(duì)稱焊5 號(hào)應(yīng)變片檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力為38.1MPa；單面成型焊5 號(hào)應(yīng)變片檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力為-10.6 MPa。

4 結(jié)論

由上述不同焊接工藝下的檢測(cè)數(shù)據(jù)可知：交叉對(duì)稱焊接工藝下植入中部槽中底板的應(yīng)力小于單面成型焊接工藝下植入中部槽中底板的應(yīng)力，中板上表面拉應(yīng)力峰值由143 MPa 降到了110.3 MPa。