膠帶機滾筒環(huán)縫焊接裂紋產(chǎn)生的原因分析

摘 要：文章對帶式輸送機所用改向滾筒在近期生產(chǎn)過程中，滾筒筒皮與鑄造接盤采用埋弧方法焊接時產(chǎn)生裂紋的原因進行判斷分析。希望通過文章的分析，對相關(guān)工作能夠起到參考的作用。

關(guān)鍵詞：膠帶機；滾筒；裂縫；原因；分析

前言

帶式輸送機用于輸送物料，在冶金、港口碼頭、礦山運輸?shù)雀鱾€行業(yè)廣泛應用。它由膠帶、機頭傳動滾筒、機尾改向滾筒、托輥、機身支架、驅(qū)動裝置、拉緊裝置等部件組成。其中滾筒作為帶式輸送機中的重要組成部件，在工作中承擔著傳動、卸載、改向、托帶等功能，滾筒質(zhì)量的好壞直接關(guān)乎到帶式輸送機整機的質(zhì)量，同時也影響設備的運行效率，尤其是作為傳動滾筒使用時，更承擔著重要的傳遞動力的工作任務，它的質(zhì)量好壞，決定著膠帶機的使用性能。

各種滾筒其主要結(jié)構(gòu)一般分為筒皮、幅盤或輪轂、軸、軸承座等，其在生產(chǎn)加工過程中主要采用焊接方法制造，目前，我公司生產(chǎn)的滾筒，在焊接過程中最易出現(xiàn)的問題是筒皮與幅板或接盤焊接時在環(huán)縫處產(chǎn)生裂紋。其形式如圖1。

圖1 焊后裂紋圖片

1 焊接裂紋判斷

一直以來公司生產(chǎn)的各種類型小直徑滾筒并沒有發(fā)生焊接裂縫現(xiàn)象，隨著產(chǎn)能不斷提升，近期加工制作的φ700*1600滾筒多次出現(xiàn)環(huán)縫的焊接裂紋。此焊接裂紋不僅發(fā)生于焊接過程中，有的則產(chǎn)生于焊后的冷卻過程中。焊接件出現(xiàn)裂紋，嚴重影響其使用的安全性，是一種非常危險的工藝缺陷，為此工作人員從滾筒的設計、材質(zhì)、生產(chǎn)加工、工藝參數(shù)和季節(jié)、氣候等方面進行了研究、分析和判斷，查找產(chǎn)生裂紋的原因和解決辦法。

裂紋屬于焊接缺陷的一種，它也是評定焊件質(zhì)量好壞的標準之一。根據(jù)其部位、尺寸、形成原因和機理的不同，可以有不同的分類方法。我公司加工生產(chǎn)的滾筒筒體采用Q235鋼板卷制，接盤采用35#鑄鋼。經(jīng)查找比對焊工技師手冊等相關(guān)資料，焊接裂紋按形成的條件，可分為熱裂紋和冷裂紋兩大類。

1.1 冷裂紋

冷裂紋是指焊接接頭冷卻到較低溫度時（對于鋼來說在MS溫度，即奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度以下）產(chǎn)生的焊接裂紋。根據(jù)引起的主要原因又可分為淬火裂紋、氫致延遲裂紋和低塑性脆化裂紋下述三種情況。（1）淬火裂紋是指在淬火過程中或在淬火后的室溫放置過程中產(chǎn)生的裂紋，后者又叫時效裂紋。造成淬火開裂的原因很多，在分析淬火裂紋時，應根據(jù)裂紋特征加以區(qū)分。（2）低塑性脆化裂紋是指某些低塑性材料冷卻到較低溫度時，由于體積收縮所引起的應變超過了材料本身所具有的塑性儲備量時所產(chǎn)生的裂紋。（3）延遲裂紋又叫氫化裂紋，即在焊后延遲一段時間才發(fā)生的裂紋-因為氫是最活躍的誘發(fā)因素，而氫在金屬中擴散、聚集和誘發(fā)裂紋需要一定的時間。產(chǎn)生原因是焊接接頭含氫量、接頭顯微組織、接頭拘束情況等因素相互作用的結(jié)果。在焊接厚度10mm以下的工件時，一般很少發(fā)現(xiàn)這種裂紋。工件較厚時，焊接接頭冷卻速度較大，對淬硬傾向大的母材金屬，易在接頭處產(chǎn)生硬脆的組織。另一方面，焊接時溶解于焊縫金屬中的氫，由于冷卻過程中溶解度下降，向熱影響區(qū)擴散。當熱影響區(qū)的某些區(qū)域氫濃度很高而溫度繼續(xù)下降時，一些氫原子開始聚集在焊接缺陷處形成氫分子，在金屬內(nèi)部造成很大的局部應力，在接頭拘束應力作用下產(chǎn)生裂紋。

這種裂紋較多的發(fā)生在低合金鋼、中合金鋼和高碳鋼的焊接熱影響區(qū)中，可能在焊后立即出現(xiàn)，也可能在焊后幾時、幾天、甚至更長時間才出現(xiàn)。焊接某些超高強度鋼時，這種裂紋也會出現(xiàn)在焊縫金屬中。

上述三種情況：淬火裂紋——對于滾筒筒皮與接盤焊接來說不存在；低塑性脆化裂紋——在春秋季節(jié)時，焊接中會存在此問題；延遲裂紋（氫化裂紋）——根據(jù)產(chǎn)生原因判斷存在此類裂紋。

1.2 熱裂紋

熱裂紋是指焊接過程中，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)產(chǎn)生的裂紋。在深而窄的焊縫里的金屬熔液因為空間窄小，熔液少，積蓄的熱量少，溫度下降快，結(jié)晶速度快，易產(chǎn)生偏析，一些有害物和雜質(zhì)被擠到焊縫中間，導致收縮應力大，在應力作用下，易于出現(xiàn)熱裂紋。通常多產(chǎn)生于焊縫金屬內(nèi)，但也可能形成在焊接熔合線附近的被焊金屬（母材）內(nèi)。按其形成過程的特點，又可分為結(jié)晶裂紋和液化裂紋下述兩種情況：（1）結(jié)晶裂紋是指在鋼材焊接時，焊縫中的S、P等雜質(zhì)在結(jié)晶過程中形成低熔點共晶。產(chǎn)生于焊縫金屬結(jié)晶過程末期的“脆性溫度”區(qū)間，隨著結(jié)晶過程的進行，它們逐漸被排擠在晶界，形成了“液態(tài)薄膜”。因而金屬塑性極低，焊縫凝固過程中，由于冷卻的不均勻收縮而產(chǎn)生的拉伸變形超過了允許值時，“液態(tài)薄膜”，不能承受拉應力而形成裂紋，即沿晶界液層開裂。（2）液化裂紋主要產(chǎn)生于焊縫熔合線附近的母材中，有時也產(chǎn)生于多層焊的先施焊的焊道內(nèi)。形成原因是由于在焊接熱的作用下，焊縫熔合線外側(cè)金屬內(nèi)產(chǎn)生沿晶界的局部熔化，以及在隨后冷卻收縮時引起的沿晶界液化層開裂。造成這種裂紋的情況有二：一是材料晶粒邊界有較多的低熔點物質(zhì)；另一種是由于迅速加熱，使某些金屬化合物分解而又來不及擴散，致局部晶界出現(xiàn)一些合金元素的富集甚至達到共晶成分。

根據(jù)對這些裂紋的分析，可以得出我單位滾筒焊接裂紋基本可以歸類為低塑性脆化裂紋、氫化裂紋和結(jié)晶裂紋三種， 前者只限于深秋及初春特定時間，中間只限于焊縫金屬，后者則可能發(fā)生在焊縫金屬或熱影響區(qū)。找出裂紋類型后，根據(jù)裂紋實際情況再進行具體產(chǎn)生原因分析，尋找避免裂紋產(chǎn)生和解決出現(xiàn)裂紋的辦法及方案。

2 原因分析

2.1 溫度因素

我公司加工生產(chǎn)的同種型號滾筒在其它三個季節(jié)，環(huán)縫在焊后的超聲波檢測中質(zhì)量良好，符合加工要求。多次出現(xiàn)環(huán)縫焊接裂紋的滾筒，焊接時正值深秋和初春季節(jié)，由于我公司地處鄂爾多斯市，它屬北溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，多年平均氣溫6.2℃，日最高氣溫14℃，日最低氣溫-8℃，晝夜溫差及氣溫變化大，露天存放的結(jié)構(gòu)件受低溫影響，脆性增大，而焊接時從外部環(huán)境取出，沒有經(jīng)過預熱等處理措施就直接進行對接，然后焊接，溫度變化大，也是導致滾筒環(huán)焊縫開裂的原因。

2.2 材質(zhì)因素

在我單位現(xiàn)有滾筒結(jié)構(gòu)中，許多輪轂（或內(nèi)置軸承座）常用35#鋼鑄造制作毛坯，而筒皮材質(zhì)一般為Q235鋼板卷制而成，兩種不同的鋼材焊接，尤其是在含C量較高或存在S、P等雜質(zhì)的情況下，再加上焊接工藝不到位，就可能導致焊縫出現(xiàn)裂紋。

2.3 坡口形式

滾筒與鑄鋼接盤焊接，按照工藝要求需加工對接的焊接坡口，且兩者之間預留拼接間隙。焊接接頭的設計在焊接工程中是較薄弱的環(huán)節(jié)。而坡口形式對控制焊縫內(nèi)部質(zhì)量和焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量有著很重要的作用，GB/T3375-1994中焊縫成形系數(shù)的定義是熔焊時，在單道焊縫橫截面上焊縫寬度（B）與焊縫計算厚度（H）的比值（φ=B/H），自動埋弧焊時焊縫的成形系數(shù)要大于1.3，即焊縫的寬度至少為焊縫計算厚度的1.3倍。焊縫成形系數(shù)小時，會形成窄而深的焊縫，在焊縫中心由于區(qū)域偏析會聚集較多的雜質(zhì)，抗熱裂紋性能差，所以形成系數(shù)值不能太小，我公司滾筒接盤坡口角度為45°，焊縫寬度及深度都是30mm，如圖2所示，所以最初幾道焊縫的成形系數(shù)是1，小于要求的1.3，故在焊接時容易產(chǎn)生偏析，導致焊縫產(chǎn)生裂紋。

2.4 焊接質(zhì)量

同樣因為現(xiàn)有滾筒坡口設計尺寸過大，焊接接頭形式、坡口形式、焊縫截面形狀、焊接參數(shù)等原因造成可能使焊縫未能夠完全熔透，形成單面焊雙面成型，甚至其底部與筒體可能仍有縫隙，使得滾筒環(huán)焊縫處于較大的應力集中區(qū)域，而應力集中是降低焊接接頭和結(jié)構(gòu)疲勞強度的主要原因，應力集中的存在有可能導致滾筒在焊接制造中產(chǎn)生裂紋或在使用中裂紋擴散。現(xiàn)有焊接參數(shù)表（如表1）

埋弧焊的單面焊雙面成型參數(shù)標準中，直徑4.0毫米焊絲電流范圍在575～625A之間，電壓在28～30之間，速度在46.02m/h左右。對比之后，現(xiàn)有參數(shù)中電壓和電流部分不符合要求，數(shù)值過小，焊接速度遠低于要求速度。這些參數(shù)的改變也會造成焊接質(zhì)量的改變。

2.5 溫度因素

從焊接變形理論可知，影響焊接變形大小的主要因素是：焊縫尺寸越大，熔敷金屬越多，變形越大；焊縫尺寸相等時，焊縫熱輸入越大，造成的變形也越大；焊接大長焊縫時，分段比直通焊變形要?。缓缚p布置不對稱或雖布置對稱但不對稱焊接，焊縫部位偏離越嚴重，變形越大；構(gòu)件剛性越小，變形越大。這些滾筒尺寸和坡口尺寸較大，且焊接是在一次性焊接中完成，焊縫累計長度可達26.4～35.2米，時長約2.5小時，焊接時產(chǎn)生大量的熱，焊后在車間的低溫環(huán)境中快速降溫產(chǎn)生應力集中也是導致滾筒環(huán)焊縫開裂的原因之一。

3 解決辦法及方案

通過查找原因，針對以上5種焊接中發(fā)現(xiàn)的問題，實行了坡口重新設計、焊接件預熱、焊接電流電壓調(diào)整、間斷焊接、焊后保溫等改進方法，通過這些改進提高了焊接質(zhì)量，避免了再次出現(xiàn)焊接裂縫，在實際生產(chǎn)中取得了良好的效果。

參考文獻

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作者簡介：鄒學鋒（1985-），男，江蘇省邳州市人；2009年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學徐海學院機械設計與自動化專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)任皮帶機公司滾筒車間主管技術(shù)員。