大規(guī)格礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈編鏈及焊接工藝分析

劉仁臣

（長春東北輸送設(shè)備制造有限公司，長春 130000）

1 引言

近年來，我國煤炭工業(yè)的高速發(fā)展和機(jī)械化程度不斷提高，帶動(dòng)了大功率、高效率的采煤機(jī)械以及運(yùn)輸機(jī)械使用規(guī)模的逐年上升，隨之而來煤礦的重要配件之一——大規(guī)格礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈的需求量也日益增加。根據(jù)國家“十一五”和“十二五”規(guī)劃，原煤產(chǎn)量從2001 年的13 億t到2006 年的23 億t，2008 年再增到26 億t，全國還要建成6-8個(gè)億t級(jí)煤業(yè)集團(tuán)，綜采機(jī)械化程度達(dá)到95%。從以上分析，φ34-φ48 大規(guī)格礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈產(chǎn)品的市場需求量與生產(chǎn)不匹配，市場處于供不應(yīng)求局面。

有鑒于此，近年來國內(nèi)各煤機(jī)集團(tuán)通過自行研制、引進(jìn)國外設(shè)備以及引進(jìn)國外工藝技術(shù)等手段提高大規(guī)格礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈的產(chǎn)量，而各廠家主要的核心技術(shù)差別就在于編鏈和焊接工藝。目前在國內(nèi)大規(guī)格礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈生產(chǎn)中，圓環(huán)鏈的編鏈和焊接工藝方式主要有以下三種［1］：手工編鏈、冷態(tài)焊接工藝；自動(dòng)加熱編鏈、冷態(tài)焊接工藝；自動(dòng)加熱編鏈、熱態(tài)焊接工藝。本文對以上三種工藝方式進(jìn)行了研究，闡述了各種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，以促使大規(guī)格礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈的生產(chǎn)工藝得到進(jìn)一步的改進(jìn)和提高。

2 手工編鏈、冷態(tài)焊接工藝

手工編鏈工藝通常采用沖床設(shè)備，利用專用工裝進(jìn)行手工編環(huán)。由于礦用圓環(huán)鏈料棒直徑通常都在φ14 以上，因此對材料的冷彎性有較高的要求，在彎環(huán)過程中鏈環(huán)彎曲處外圓弧受到拉力作用，內(nèi)圓弧表面受到擠壓應(yīng)力作用，從而導(dǎo)致在鏈環(huán)圓弧里側(cè)部位很容易產(chǎn)生微裂和皺紋，甚至有時(shí)造成脆斷。如圖1所示。

圖1 鏈環(huán)圓弧里側(cè)損傷

圖2 圓弧里側(cè)產(chǎn)生過燒形成的裂紋

焊接過程中，由于在鏈環(huán)表面產(chǎn)生電流趨膚效應(yīng)，形成較大密度電流，鏈環(huán)料棒表面溫度要高于內(nèi)部溫度，尤其是在編鏈時(shí)鏈環(huán)表面有裂紋時(shí)，會(huì)在鏈環(huán)表面產(chǎn)生高溫，高熱，從而產(chǎn)生燒傷以及裂口［2］。如圖2所示。

由于冷編鏈存在著克服冷彎變形的內(nèi)應(yīng)力，所以在焊接過程中，受加工設(shè)備精度、夾具剛度的影響，加之鏈環(huán)有一定的回彈力，易產(chǎn)生焊口組織疏松等缺陷，造成焊口質(zhì)量不穩(wěn)定，所以這種工藝不適宜直徑在26mm 以上的礦用圓環(huán)鏈生產(chǎn)。

雖然冷編鏈、冷態(tài)焊接工藝存在以上諸多問題，但國內(nèi)一些小廠家仍在使用這種工藝方式生產(chǎn)，因?yàn)檫@種工藝手段比較簡單、投資少、容易實(shí)現(xiàn)。

3 自動(dòng)加熱編鏈、冷態(tài)焊接工藝

自動(dòng)加熱編鏈即是把料棒加熱到650℃～750℃后，再進(jìn)行編環(huán)，待鏈環(huán)冷卻后再進(jìn)行焊接的工藝。這種工藝相對手工編鏈、冷焊接工藝有了突破性的進(jìn)展，應(yīng)用比較廣泛。但是由于這種工藝是在鏈環(huán)加熱冷卻后再焊接，在焊口表面容易產(chǎn)生氧化皮，影響導(dǎo)電、影響焊口溫度、繼而影響焊接質(zhì)量。因此必須在焊接前加上一道表面處理工序，去除熱編后形成的氧化層，因此也相應(yīng)地增加了成本。

冷焊接在焊接過程中通常采用閃光預(yù)熱焊接，通過不斷的閃光預(yù)熱，使焊口溫度由冷狀態(tài)達(dá)到焊接溫度，一般焊口溫度在1400℃以上，這樣增加了重復(fù)加熱的電能消耗。

冷態(tài)焊接要特別注意焊后的保壓時(shí)間，當(dāng)焊環(huán)的兩個(gè)接點(diǎn)逐漸送進(jìn)、拉開，焊口溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，需要迅速進(jìn)行頂鍛，如果夾具打開過快，則會(huì)使焊環(huán)兩側(cè)產(chǎn)生反彈力，如圖3所示，這會(huì)導(dǎo)致剛?cè)酆虾玫慕饘僖后w受到內(nèi)應(yīng)力的作用，向兩側(cè)微拉，勢必造成焊口組織的疏松，嚴(yán)重影響焊口質(zhì)量。通常來說，產(chǎn)品的料棒直徑越粗，設(shè)定的保持壓力時(shí)間就越要長。

焊接過程中鏈環(huán)背面的分流會(huì)產(chǎn)生一定的電阻熱，這種電阻熱雖然增加了焊接時(shí)的電能消耗，但其可以有效地抵消或減小焊接過程中產(chǎn)生的反彈力和頂鍛附加力，這對保證鏈環(huán)焊接時(shí)的焊口質(zhì)量是有好處的。通過合理地選擇夾持長度，就可以很好地控制焊接過程中鏈環(huán)背面的分流產(chǎn)生的電阻熱。

圖3 焊環(huán)兩側(cè)產(chǎn)生了反彈力

綜上分析，如果夾長過大，則會(huì)產(chǎn)生過大的鏈環(huán)背面分流，也將造成熱區(qū)溫度梯度變小或者焊接區(qū)域出現(xiàn)反彎；而如果夾長過小，則會(huì)造成熱區(qū)溫度梯度增大，冷態(tài)焊接為了達(dá)到被焊截面溫度和理想的熱區(qū)溫度梯度，特意設(shè)定為燒化長度和燒化時(shí)間相對較大，這樣勢必造成熱影響區(qū)窄小，不能夠形成優(yōu)質(zhì)焊接接頭和理想焊接溫度分布，從而嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。

冷態(tài)焊接不但對鏈環(huán)的表面質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，對鏈環(huán)的接口尺寸也有嚴(yán)格的要求，考慮到熱脹冷縮的因素，冷卻后的鏈環(huán)接口間隙增大對閃光燒化的影響，焊接時(shí)要不斷地進(jìn)行閃光燒化，直至焊口端面溫度達(dá)到理想的焊接溫度，因此焊口的間隙大小，將直接影響焊接參數(shù)的實(shí)現(xiàn)，在制定焊接參數(shù)時(shí)要考慮這一因素，否則直接影響焊接質(zhì)量。

這種工藝手段主要來源于西德MRP 公司的技術(shù)，其設(shè)備要求技術(shù)高，投資大。

4 自動(dòng)加熱編鏈、熱態(tài)焊接工藝

我公司引進(jìn)的ZAC-553C 型全自動(dòng)制鏈機(jī)，采用自動(dòng)加熱編鏈、熱態(tài)焊接工藝，并用之生產(chǎn)了φ26、φ30、φ34三種礦用大規(guī)格高強(qiáng)度圓環(huán)鏈，各種性能指標(biāo)均可達(dá)到GB/T12718-2009 中的標(biāo)準(zhǔn)要求。

ZAC-553C 型制鏈機(jī)是一機(jī)四工位，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加熱自動(dòng)編環(huán)、自動(dòng)焊接、自動(dòng)除刺、自動(dòng)整形、全自動(dòng)化生產(chǎn)，工序間用自動(dòng)機(jī)械手互相傳遞工件，整個(gè)程序依靠液壓伺服和電子邏輯相結(jié)合進(jìn)行控制，是瑞典ESAB 公司研制的當(dāng)今世界最先進(jìn)設(shè)備。

但由于冷態(tài)焊接和熱態(tài)焊接工藝方式區(qū)別較大，在制定工藝方案，選擇工藝參數(shù)上，都要進(jìn)行不同的分析和研究，才能制定一套科學(xué)合理的工藝，充分發(fā)揮自動(dòng)機(jī)組的優(yōu)越性。

圖4 焊接溫度分布圖

由于要使焊前鏈環(huán)的整體溫度實(shí)現(xiàn)塑性轉(zhuǎn)變溫度，自動(dòng)加熱編鏈時(shí)料棒加熱溫度要控制在650℃～750℃［3］這一特點(diǎn)，我們來分析鏈環(huán)焊接溫度的分布情況。如圖4所示。T1為自動(dòng)加熱編環(huán)后的殘留溫度，該溫度在料棒上是均勻的；T2是在焊接燒化過程中材料自身的電阻熱使鏈環(huán)整體升高的溫度；T3則是焊接燒化過程中鏈環(huán)焊口截面的電阻熱使鏈環(huán)升高的溫度。三個(gè)溫度疊加在一起，使鏈環(huán)達(dá)到了焊接溫度T。

前文所述的溫度T1已經(jīng)達(dá)到了材料的塑性轉(zhuǎn)變溫度，這對焊接區(qū)域是有利的。而在兩點(diǎn)極之外的位置，尤其是在鏈環(huán)圓弧里側(cè)部位產(chǎn)生的溫度則是有害的，因此在焊接過程中要在最大程度上減小溫度T2，使焊接溫度達(dá)到圖中虛線所示的理想溫度分布，同時(shí)這也為制定焊接工藝參數(shù)提供了依據(jù)。

（1）夾持長度：該參數(shù)對T2溫度有直接影響，在冷焊中夾長的影響因素我們已經(jīng)進(jìn)行分析，因此在焊接中根據(jù)上述的分析應(yīng)取最小值比較合適。

（2）要想獲得理想的焊接溫度和焊接接口、要保證焊接過程中的燒化長度和燒化時(shí)間這兩個(gè)主要參數(shù)，才能使焊接燒化順利進(jìn)行。如果是在余熱的情況下，一般閃光燒化時(shí)間設(shè)定為冷態(tài)焊接燒化時(shí)間的50%，燒化長度設(shè)定為冷態(tài)焊接燒化長度的70%，由此可看出，自動(dòng)加熱編鏈、熱態(tài)焊接可以降低工藝損耗和電能的消耗，可以加快焊接的速度，同時(shí)由于縮短了閃光燒化的時(shí)間，也就減少了分流時(shí)鏈環(huán)的加熱時(shí)間，從而有效地控制了鏈環(huán)背面溫度，減少了圓弧里側(cè)產(chǎn)生燒傷和裂紋的概率。

（3）焊接燒化速度：焊接時(shí)鏈環(huán)已經(jīng)存在一個(gè)比較高的溫度，因此焊接燒化最好是只要求焊口和近區(qū)加熱，盡量降低溫度T2，這樣應(yīng)選擇比較快的焊接燒化速度，而且速度太慢無法保證閃光燒化穩(wěn)定而激烈的進(jìn)行，也保證不了理想的平整焊接端面和溫度分布，一般情況下選擇熱態(tài)焊接燒化速度要比冷態(tài)焊接燒化速度高出30%。

（4）頂鍛力和頂鍛留量：這兩個(gè)參數(shù)是和焊接截面有關(guān)的，對于規(guī)格較大的圓環(huán)鏈焊接，被焊截面較大，頂鍛時(shí)中心部位液體金屬向外流動(dòng)距離較大，故規(guī)格較大的圓環(huán)鏈焊接需要較大的頂鍛力和頂鍛留量。否則將嚴(yán)重影響焊口質(zhì)量，在焊口中殘留一定的氧化殘留物等。尤其是自動(dòng)加熱編鏈和熱焊接工藝，由于鏈環(huán)頂鍛前存在一定溫度，焊區(qū)附近溫度梯度小，頂鍛時(shí)焊包比較大，變形范圍較寬，故需要適當(dāng)增加足夠的頂端的壓力和頂鍛量才能保證。

（5）保壓時(shí)間，在冷態(tài)焊接中該因素的影響我們已經(jīng)做了分析，在自動(dòng)加熱編鏈、熱態(tài)焊接過程中，由于鏈環(huán)有較大塑性，減少了兩側(cè)的回彈力。熱態(tài)焊接保壓時(shí)間對冷態(tài)焊接保壓時(shí)間可以相對縮短，不宜破壞焊口組織。

這種工藝手段主要來源于瑞典ESAB 技術(shù)，由于自動(dòng)加熱編鏈時(shí)料棒加熱溫度在650℃～750℃，使焊前鏈環(huán)整體溫度基本達(dá)到塑性轉(zhuǎn)變溫度，在此基礎(chǔ)上焊接節(jié)省了二次加熱電能的消耗，但鏈環(huán)的夾持長度、預(yù)熱時(shí)間、燒化時(shí)間、閃光燒化速度、頂鍛留量、頂鍛力都發(fā)生了變化，且不易控制，而且始終是在高溫下，操作必須用機(jī)械手，容易發(fā)生夾持壓痕，影響表面質(zhì)量，特別是焊后整型，由于焊后鏈環(huán)的焊口直臂、環(huán)背、肩部溫度都產(chǎn)生了溫差，這時(shí)整型勢必造成變形不一致，使環(huán)形產(chǎn)生不規(guī)則現(xiàn)象，此種工藝最適合錨鏈生產(chǎn)。

5 結(jié)論

綜上所述，針對國內(nèi)、國際焊接工藝的全面分析。得出適合我國國情的工藝手段，即：下料-中頻加熱-熱編鏈-熱整型-預(yù)熱焊接等。該工藝能較好解決上述諸多存在的問題，比如，冷編、冷態(tài)焊接工藝中彎環(huán)變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，在圓弧里側(cè)產(chǎn)生的微裂和皺紋；熱編、冷態(tài)焊中的鏈環(huán)表面處理，減少二次加熱的電能消耗，以及延長的保壓時(shí)間；熱編、焊接中的表面質(zhì)量及溫度變化整型造成的不規(guī)則變形等。

為此在我公司大規(guī)格高強(qiáng)度圓環(huán)鏈生產(chǎn)中，做了重大改進(jìn)。

（1）編鏈。我們采取了自動(dòng)加熱編鏈，編后在保持溫度的情況下，首先進(jìn)行整型，以達(dá)到焊接時(shí)所需要的工藝參數(shù)要求。因是在均勻加熱后整型，可以保證預(yù)期的幾何尺寸，為下道工序焊接保證質(zhì)量起到一定的作用。

（2）焊接。閃光對焊工序是圓環(huán)鏈生產(chǎn)工藝中最關(guān)鍵工序，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，為確保焊接參數(shù)能夠得到保證，我們選用了日本東芝PLC 及瑞典ESAB 焊機(jī)的邏輯控制。全自動(dòng)、參數(shù)可隨時(shí)調(diào)整，能確保高質(zhì)量的工藝要求和生產(chǎn)要求。

文中對大規(guī)格礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈生產(chǎn)工藝的初步分析和探討，特別是對編鏈、焊接工藝，針對其特點(diǎn)做了詳細(xì)的工藝分析，有利于大規(guī)格礦用圓環(huán)鏈生產(chǎn)拓寬道路。

［1］劉傳根，呂俊峰.大規(guī)格礦用鏈條的制造工藝［J］.新技術(shù)新工藝，2008（4）：81-83.

［2］王運(yùn)玲，程麗杰，梁平，等.煤機(jī)鏈條斷裂分析［J］.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2011，40（3）：193-194.

［3］蔣德獻(xiàn).礦用液壓鏈條鋸的研制及應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2012，33（6）：170-172.