破碎刀齒耐磨堆焊技術(shù)研究及應(yīng)用

董曼淑 DONG Man-shu；彭春濤 PENG Chun-tao；陳兵 CHEN Bing；趙一鳴 ZHAO Yi-ming

（寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，石嘴山 753001）

1 研究意義

煤礦綜采工作面的“三機(jī)”是指采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及液壓支架。三機(jī)配套是整套綜采設(shè)備的核心，采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的生產(chǎn)能力應(yīng)滿足工作面產(chǎn)量要求，采煤機(jī)和液壓支架調(diào)高范圍要適應(yīng)煤層厚度及變化范圍，液壓支架移架速度要跟得上采煤機(jī)的牽引速度。采煤機(jī)要依靠刮板輸送機(jī)導(dǎo)向并在其上移動(dòng)，刮板輸送機(jī)依靠液壓支架推移，液壓支架又靠刮板輸送機(jī)支承而移動(dòng)。因此，為了實(shí)現(xiàn)綜采工作面最大生產(chǎn)力和安全生產(chǎn)，采煤機(jī)，刮板輸送機(jī)和液壓支架之間在性能、結(jié)構(gòu)、采面空間要求以及“三機(jī)”相互聯(lián)接形式，強(qiáng)度和尺寸等方面，必須相互適應(yīng)和匹配。

破碎機(jī)是刮板輸送機(jī)裝備的關(guān)鍵部件（刮板輸送機(jī)即輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)），由于刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過程中受力復(fù)雜、條件惡劣容易造成設(shè)備損壞或斷裂，因此刮板輸送機(jī)性能的可靠性是進(jìn)行高效作業(yè)的根本保證。

我公司生產(chǎn)的破碎機(jī)屬于錘式破碎機(jī)，適用于破碎煤、煤矸石等物料，具有結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、安裝方便、可維修性好，操作簡(jiǎn)便，并具有對(duì)物料破碎的“大破比”等特點(diǎn)。破碎刀齒主要用于破碎礦物原料，是破碎機(jī)的核心部件，破碎刀齒在破碎機(jī)內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，與礦物原料之間反復(fù)碰撞沖擊摩擦過程中，使破碎刀齒頭部被逐步磨損變小而失效報(bào)廢，由于破碎刀齒的使用壽命長(zhǎng)短直接影響物料的破碎質(zhì)量和生產(chǎn)效率及成本[1]。破碎刀齒要求同時(shí)具有耐磨性和抗沖擊剝落性能，還要考慮性價(jià)比問題。通常硬度高的材料都比較脆，在大的沖擊下容易破碎[2-3]。公司當(dāng)前選用的特制含Cr合金堆焊焊絲，雖然焊接表面無龜裂，硬度能達(dá)到HRC58～62，但礦方使用后反饋仍然存在不耐磨壽命短的問題。因此目前迫切需要研制高耐磨高韌性的破碎刀齒，提高破碎刀齒使用壽命，滿足用戶需求。

2 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與現(xiàn)狀

堆焊是在工件的表面或邊緣進(jìn)行熔敷一層耐磨、耐蝕、耐熱等性能金屬層的焊接工藝。堆焊對(duì)提高零件的使用壽命，合理使用材料，提高產(chǎn)品性能，降低成本有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。不同的工件采用不同的堆焊工藝，才能獲得滿意的堆焊效果。對(duì)于堆焊焊材目前國外除了高Cr焊絲適合刀齒焊接的焊絲大致分為兩類，一種是價(jià)格非常高的無Cr型焊絲，硬度在HRC65以上，耐磨性非常高，抗沖擊也好。另外就是Cr-Mo型焊絲，這種焊絲關(guān)鍵是合金含量的配比，硬度在HRC57以上，耐磨性不如第一種焊絲。國內(nèi)目前也有生產(chǎn)無Cr型焊絲、Cr-Mo型兩類同等合金堆焊焊絲，相對(duì)價(jià)格較低，在不同行業(yè)也有局部應(yīng)用。

3 破碎刀齒結(jié)構(gòu)性能及方案設(shè)計(jì)

破碎刀齒整體鍛造后加工而成，是易損件也是破碎煤炭時(shí)承受大沖擊力的零件，和刀齒座用特制的緊固螺栓和螺母緊定，刀齒螺栓與螺母用防松墊片卡住。當(dāng)?shù)洱X磨損到極限狀況或已出現(xiàn)裂紋是，必須及時(shí)更換，否則將使刀齒座上安裝刀體的部分受損，以至再也無法將刀體緊固在刀齒座上。缺少刀體的破碎軸將失去平衡，由此而產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)會(huì)急劇地縮短破碎軸的壽命。為了提高其耐磨性延長(zhǎng)其使用壽命，在刀齒端頭鍛造時(shí)留有一定深度的凹槽，研究通過采用無Cr耐磨焊絲進(jìn)行耐磨層的焊接。

4 試驗(yàn)過程

4.1 試驗(yàn)件準(zhǔn)備

鍛造成型的破碎刀齒6件。

4.2 試驗(yàn)設(shè)備及焊材

①試驗(yàn)設(shè)備：松下500型氣體保護(hù)焊機(jī)。

②焊材選型：無Cr型HF-680焊絲（Φ1.2）。

③保護(hù)氣體：富氬混合氣體82%Ar+18%CO2。

4.3 焊接參數(shù)要求

①溫度控制：

預(yù)熱溫度：（200±10）℃；

層間溫度：（100～300）℃。

②焊接參數(shù)：

焊接電流：（170～270）A；

焊接電壓（22-28）V；

焊絲干延長(zhǎng)度（18-20）mm；

氣體流量（20-25）L/min。

4.4 焊接過程

4.4.1 不同焊接參數(shù)組別的焊接成型試驗(yàn)

鍛造的破碎刀齒加工后，先進(jìn)行焊前整體預(yù)熱，預(yù)熱爐爐溫設(shè)置240℃加熱2小時(shí)，出爐后測(cè)溫，達(dá)到要求的（200±10）℃溫度后按不同組別進(jìn)行焊接，焊后及時(shí)放入爐內(nèi)進(jìn)行后熱，爐溫設(shè)置200℃保溫2小時(shí)，然后取出待溫度降到室溫，在表面打硬度并觀察裂紋和飛濺情況。

具體實(shí)施過程如下：

①采用第一組焊接參數(shù)（焊接電流260A±10A、電壓28V）進(jìn)行焊接。焊接后發(fā)現(xiàn)焊層表面有明顯裂紋如圖1，裂紋較多且飛濺較大如圖2所示。

圖1 表面裂紋

圖2 周邊飛濺

②采用第二組焊接參數(shù)（焊接電流220A±10A，電壓24V）進(jìn)行焊接，焊接過程穩(wěn)定，表面外觀質(zhì)量如圖3，表面有少量裂紋，但打磨后發(fā)現(xiàn)多處裂紋，見圖4。

圖3 表面微量裂紋

圖4 打磨后多處裂紋

③采用第三組焊接參數(shù)（焊接電流180A±10A，電壓23V）進(jìn)行焊接，表面質(zhì)量如圖5、圖6所示，可視仍然較多微裂紋且飛濺顆粒較大。

圖5 表面裂紋

圖6 周邊飛濺

④試驗(yàn)結(jié)果：見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)及裂紋情況

4.4.2 不同焊接方法組別的焊接硬度試驗(yàn)

采用2#焊接參數(shù)進(jìn)行連續(xù)焊、控溫焊接，表面硬度測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)參數(shù)及裂紋情況

4.4.3 磨損試驗(yàn)

①試驗(yàn)件準(zhǔn)備：

試樣材料：控制溫度焊接的耐磨塊；

試樣尺寸：75mm×25.5mm×11mm。

②試驗(yàn)設(shè)備：MLS--225型濕砂橡膠輪式磨損試驗(yàn)機(jī)。

③試驗(yàn)條件：

試驗(yàn)力：70N；

砂漿比例：水:砂=1:1.5；

橡膠輪轉(zhuǎn)速：180r/min；

橡膠輪直徑：178mm；

電子天平：高精密電子天平（萬分之一天平），精度0.0001g。

④試驗(yàn)過程。

將進(jìn)行線切割取樣的控制溫度焊接的耐磨塊作為定試樣與橡膠材料動(dòng)試樣相接觸，并承受70N的試驗(yàn)力，經(jīng)180r/min低轉(zhuǎn)速后，對(duì)3組6個(gè)試樣分別進(jìn)行2h、3h、4h的對(duì)磨，最后用稱重法測(cè)定定試樣的質(zhì)量磨損，以評(píng)定材料的耐磨性。（圖7、表3）

表3 定試樣的質(zhì)量磨損數(shù)據(jù)

圖7 磨損后的定試樣

4.5 試驗(yàn)結(jié)果

①通過不同焊接參數(shù)組別的焊接成型試驗(yàn)，得出2#參數(shù)焊接成型較好。②通過不同焊接方法組別的焊接硬度試驗(yàn)，得出控制溫度焊接后表面硬度較高。③通過磨損試驗(yàn)，得出控制溫度焊接后耐磨性較好。

5 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

依據(jù)以上試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果，選取典型的破碎刀齒進(jìn)行了試生產(chǎn)，并選擇了礦井含矸石較高的用戶，進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，最終解決了刀齒不耐磨問題，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。（見圖8、圖9）

圖8 試生產(chǎn)的破碎錘頭

圖9 工業(yè)性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

6 結(jié)語

①通過不同焊接參數(shù)組別的焊接成型試驗(yàn)，說明預(yù)熱溫度一定時(shí)，焊接參數(shù)在220A時(shí)，焊接成型較好，飛濺較小。②通過不同焊接方法組別的焊接硬度試驗(yàn)，說明連續(xù)焊接導(dǎo)致后一道的焊縫溫度較高有降低表面硬度的可能性，焊道越多對(duì)表面硬度影響越大；而每道焊縫焊接完成后進(jìn)行自然冷卻溫度達(dá)到一定范圍后，再進(jìn)行后一道焊縫，可有效保證或提高表面硬度。③通過磨損試驗(yàn)，得出控制溫度焊接后的耐磨塊，開始磨損時(shí)磨損量較大，但隨著時(shí)間的增加磨損量會(huì)逐漸減緩磨損量，說明耐磨塊的耐磨性較好。