L-1150前裝機舉升臂扭力連接管結構焊縫裂紋焊修工藝

張 寧，賀 棟

（中煤平朔露天設備維修中心，山西 朔州 036006）

L-1150前裝機舉升臂扭力連接管結構焊縫裂紋焊修工藝

張 寧，賀 棟

（中煤平朔露天設備維修中心，山西 朔州 036006）

針對L-1150前裝機舉升臂扭力連接管根部出現(xiàn)的裂紋,分析其開裂原因，根據(jù)現(xiàn)場條件提出切實可行的焊接修復工藝方案，成功的修復了扭力連接管根部裂紋，對今后L-1150前裝機結構件的修復工作起到一定的借鑒和參考作用。

L-1150前裝機；扭力連接管；裂紋；焊修工藝

0 引 言

L-1150前裝機是由美國勒圖爾勒技術公司設計生產(chǎn)的大型礦用電動輪裝載機。美國勒圖爾勒技術公司制造的50系列裝載機——全球唯一電動輪式裝載機，從技術上提供更大尺寸，更大有效載荷和更多功能，這類型設備已廣泛應用于露天煤礦、金屬礦山及其它硬石礦山，是新能源混合動力裝載設備，它們更可靠的并且節(jié)能環(huán)保的與采礦業(yè)完美匹配，給采礦業(yè)提供前所未有的發(fā)展動力。

2014年平朔公司引進了5臺L-1150，主要服務于安家?guī)X和東露天礦區(qū)。該型前裝機整機工作質量142 t，發(fā)動機功率為940 kW，鏟斗容量17.6 m2[1]，是礦內最大型的前裝機，作為主要裝載設備，為平朔露天采礦生產(chǎn)作業(yè)發(fā)揮著極為重要的作用。

1 舉升臂扭力連接管結構及焊縫開裂原因分析

1.1 舉升臂扭力連接管結構分析

勒圖爾勒L-1150前裝機舉升臂是由2塊高強度厚鋼板通過鑄件扭力連接管連接組成的共同體。通過前部安裝在扭力管上的一對小搖臂及銷軸與鏟斗連接，控制鏟斗的挖掘動作，后部球窩與球頭裝配連接到前車架完成舉升臂支持承載的部件。其在挖掘、舉升、鏟料、卸料的作業(yè)過程中，扭力連接管根部作為翻轉杠的支點，是設備作業(yè)很重要的受力部位，工作時不僅承受巨大的工作載荷，還要頻繁承受劇烈的振動載荷，對結構強度和焊縫要求極高，不允許存在任何焊接缺陷，以至產(chǎn)生缺陷裂紋及縮短疲勞壽命。若此處發(fā)生開裂會容易使此支點脫落，更有甚者導致大臂斷裂，甚至發(fā)生機械以及人身傷害事故[2]。

1.2 開裂原因分析

1）結構原材料原因。2條舉升臂是高強度厚鋼板，扭力連接管是鑄件。完成前車架到鏟斗挖掘的動作是由2條舉升臂及安裝在扭力管的小搖臂傳遞，中間結構的頻繁受力全部由鑄件扭力管承載。開裂處是鋼板與鑄件的裝配連接位置的結構焊縫。不同材料，且高強度要求下，焊接質量上要求是極高的，在生產(chǎn)制造焊接過程中任何與焊接工藝的不符項，都有后期使用過程造成裂紋的可能，并縮短設計使用壽命，加快受力頻繁結構疲勞。

2）工作現(xiàn)場環(huán)境原因。通過對礦坑內作業(yè)的現(xiàn)場環(huán)境查看發(fā)現(xiàn)，前裝機的工作面為硬巖采掘區(qū)，爆破質量參差不齊，存在大量的大塊石料，且采掘面根部全部依靠前裝機的鏟挖來完成。此種情況下舉升臂在啃挖工作面根底時的作用力是相當大的，作用平衡與滿載鏟斗下的連接扭力管的扭曲力也是極大的，對出現(xiàn)開裂的結果存在極大的可能性。

3）設備駕駛員操作原因。通過與礦生產(chǎn)部門多名設備操作者多次溝通了解，前裝機在實際作業(yè)中，駕駛員為保證工作面幫齊根平的生產(chǎn)規(guī)范要求，所以在操作鏟料過程中猛用力挖啃或用鏟斗直接鏟接塌方的物料在所難免，以及滿裝后繼續(xù)鏟土，導致舉升臂長期滿載和過載運行。

4）焊接缺陷。通過現(xiàn)場對裂紋的目測和以往相關工作接觸經(jīng)驗，裂紋的起始位置位于鑄件與高強度鋼板的結構焊縫焊趾處（位于鋼板一側）并繼續(xù)延伸，直至發(fā)現(xiàn)的長度。究其原因，一方面是由于焊接接頭疲勞裂紋一般起裂位置存在于焊跟和焊趾2個部位，如果焊跟部位的疲勞裂紋起裂的危險被抑制，焊接接頭的危險點則集中于焊趾部位。焊趾部位存在著大量不同類型的缺陷，導致疲勞裂紋早期開裂，使母材的疲勞強度急劇下降[3]。另一方面，也可能是焊接過程中焊接區(qū)域焊接預熱溫度不到位、不均勻，層間溫度控制不嚴格，焊后熱處理措施不當，升溫、降溫速率達不到要求、不均勻都會導致材料受熱冷卻結晶過程中的質量。然而在無損檢測過程中并沒有具體顯現(xiàn)，無法檢測出，但是這種缺陷的存在已經(jīng)大大的降低了鋼板材料和焊縫金屬的性能，縮短了使用壽命。其次，結構焊縫焊趾的打磨過渡還有進一步提高的完善性，可用紙砂輪拋光。

2 焊修方案

在制定結構件焊修方案的過程中，拆卸是其中的一個重要環(huán)節(jié)。如果不能正確的執(zhí)行拆卸工藝，不僅影響修理工作效率，還可能造成結構件損壞等其它問題的發(fā)生。但此次舉升臂扭力連接管根部裂紋發(fā)生突然，而現(xiàn)場生產(chǎn)任務重、時間要求緊，又考慮到拆解舉升臂工作量大，需要的工時多，為保證任務按時高質高量的完成，所以焊修時決定不拆下舉升臂，在設備上直接維修。因現(xiàn)場條件有限，只能采用手工電弧焊進行焊接修復。同時考慮到平焊是最合適也是最容易的焊接位置，焊縫強度更高，焊修前需要將舉升臂舉升到合適的焊接位置，使實際焊接人員盡可能用平焊操作焊出高質量的焊縫。

由于原車材料不明，并缺乏此部位詳細材料信息及同行業(yè)相關結構的焊接維修經(jīng)驗，只能結合焊接勒圖爾勒前裝機框架裂紋經(jīng)驗，制定出詳細妥當?shù)暮附有迯凸に嚪桨?。整個焊接過程必須嚴格控制焊前預熱溫度，焊縫層間溫度、以及良好的焊接質量，均勻分布焊接應力、合理選擇焊后熱處理，最終完成優(yōu)秀的焊縫[4]。

3 修復工藝措施

3.1 焊前防護

手工電弧焊時，要防止空氣進入熔池，盡量減少焊縫金屬中的氧、氮含量，提高焊縫的強度、硬度、塑性及韌性，因此要注意對焊接區(qū)域進行保護，可在焊接區(qū)周圍同時形成保護氣體和熔渣。車間現(xiàn)場修復時需要在焊接作業(yè)區(qū)域搭防護棚，或采取其他有效措施對焊接區(qū)域進行防護，使焊接區(qū)域形成相對封閉的空間，加熱保溫時盡量減少熱量損失。另外，應在焊接施工作業(yè)區(qū)周圍20 m拉設警示帶，并吊掛或張貼安全標識牌，配置足夠的滅火器等消防器材。

3.2 焊工

為保證成功的修復此次開裂故障，要求焊工必須是持有焊工資格證書，工作多年，并且經(jīng)驗十分豐富的優(yōu)秀焊工[5]。

3.3 焊前清理

修復前，清除距離焊縫邊緣60 mm以上范圍內的所有鐵銹，油污、油漆、氧化層和其他污染物，露出原母材金屬光澤。

3.4 焊前檢驗

清理后，碳弧氣刨清除裂紋，并且在碳弧氣刨前必需預熱，用加熱片包裹待焊的部位，外面覆蓋保溫材料，通電預熱[6]，溫度需達到177℃以上方可開始。

為確保徹底清除裂紋，氣刨后進行焊前檢驗?，F(xiàn)場常采用的著色探傷方法，但這種方法只能檢出缺陷的表面分布，難以確定缺陷的實際深度，尤其對被污染物堵塞或經(jīng)機械處理后開口被封閉的缺陷不能有效地檢出，而工件表面太粗時，易造成假象降低檢測效果。

因此，此次采用磁粉探傷進行檢驗。這種方法更加適合檢測工件的表面和近表面缺陷，檢查的更為徹底。經(jīng)檢測，故障開裂處長約1 200 mm，裂縫最深處約110 mm。

3.5 焊接材料的選擇

在低溫環(huán)境中，應盡量選擇低氫或超低氫焊材，對焊材嚴格執(zhí)行烘焙和保溫措施。必須使用焊條保溫桶，隨用隨取。根據(jù)現(xiàn)有條件選用E7018焊條，打底焊時可選用直徑3.2 mm的焊條，其余各層可選用直徑4 mm的焊條。

3.6 焊接工藝要點

1）預熱和層間溫度控制是優(yōu)質焊接的關鍵環(huán)節(jié)。預熱范圍為焊接區(qū)域各個方向250 mm范圍內。氣刨前大臂需加熱到140℃時保持恒溫1 h。

2）在補焊過程中必須使用測溫筆實時監(jiān)控焊接區(qū)域的溫度，可使用加熱板和石棉布保持溫度。焊接時溫度不得高于230℃。

3）補焊過程選擇多層多道焊，多層焊各層間接頭應錯開30 mm以上。注意焊縫與母材的熔合并及時清除熔渣。

4）焊接過程中控制層間溫度，溫度太高必須停止焊接，直到溫度下降到適當范圍內再繼續(xù)施焊。

5）在每一層焊接時，趁未完全冷卻，用錘子鍛打焊道減少收縮應力[7]。每個部位焊接完成后，及時用氧乙炔火焰進行局部加熱，并用石棉布保溫緩冷[8]。

6）由于裂縫較長，為保證焊縫質量和焊件的實際使用性能，實際修復時需要采取分段焊接的方法。先刨開一段裂縫，填補完成后，再刨開裂縫余下裂縫，開始施焊。且2次補焊必須完全按照焊接工藝執(zhí)行。

7）焊接過程中要避免氣孔、夾渣、咬邊、焊瘤、未焊透、未融合等焊接缺陷的產(chǎn)生，每一道焊縫接頭處避免過高、脫節(jié)和寬窄不一，收尾時應填滿弧坑后再熄弧。

3.7 后熱處理

后熱處理是為防止急冷，在焊接區(qū)域使焊縫金屬的冷卻速度放緩，釋放焊縫金屬產(chǎn)生的殘余應力。穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向，保證鋼的回火韌性。

由于此部位材料較厚，環(huán)境氣溫較低，需要使用加熱板適當反復加熱來達到緩慢冷卻要求。此次后熱處理分為：①溫度加熱到200℃保持3 h；②溫度降到160℃再加溫到180℃保持保持2 h；③溫度在降到140℃再加溫到160℃保持1 h。④然后緩冷達到常溫。

3.8 焊后檢驗

焊補完成后，打磨平順光潔,且保持恢復原有的輪廓尺寸。對整個焊接區(qū)域和相反的一側進行二次著色探傷，確保無任何裂紋、咬邊等焊接缺陷。

4 結語

經(jīng)相關設備保養(yǎng)人員長時間的跟蹤檢查，修復后的扭力連接管根部未再次發(fā)現(xiàn)裂紋，且修復部位美觀，尺寸恢復到原標準狀態(tài)，無須進行二次加工，即可裝機使用[5]，確保了設備的良好性能和正常運行，證明所制訂的裂紋焊接修復工藝是完全可行的，為露天礦勒圖爾勒L-1150前裝機厚大結構件的裂紋焊接修復提供了可參考的經(jīng)驗，并對同類型總成件的故障修復起到了一定的借鑒作用。

［1］L-1150前裝機技術參數(shù)［S］.

［2］左延紅，張克仁.工程機械大型結構件生產(chǎn)工藝探討［J］.機床與液壓，2011，39（16）：4-7.

［3］葛福華.焊接結構疲勞斷裂因素分析及應對措施［J］.焊接與切割，2007（12）：31-32

［4］李二飛，張永強.裝載機鉸接上球頭底座裂紋修復工藝［J］.露天采礦技術，2016，31（9）：98-100.

［5］陳瑜，彭祖國.大型鑄鋼件裂紋的修復工藝［J］.應用技術，2012（11）：72-74.

［6］王晉生，鄭春剛，陳麗中.起重臂推壓機構焊接修復工藝研究［J］.大型鑄鍛件，2004（2）：21-23.

［7］郭慶豐，田國柱，王井峰.WK-4電鏟鑄鋼件裂紋的修復工藝［J］.煤礦安全，2002，33（2）：46-47.

［8］喻瑋.WK-8電動挖掘機驅動輪修復工藝探討［J］.礦山機械，2007，35（5）：66-67.

Crack welding repair technology in the torsion bar of L-1150 front loader lifting arm

ZHANG Ning,HE Dong

(Equipment Repair Center,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

In view of the cracks in the root of the torsion bar of the L-1150 front loader lifting arm,this article analyzes the reasons of cracks，and puts forward the feasible welding repair process plan according to the site conditions,which successfully repairs the root cracks in the torsion tube,and provides reference for the repair of the L-1150 front loader structures in the future.

L-1150 front loader；torsion tube；crack；welding repair technology

TD422.3

B

1671－9816（2017）11－0072－03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.11.020

張寧，賀棟.L-1150前裝機舉升臂扭力連接管結構焊縫裂紋焊修工藝［J］.露天采礦技術，2017，32（11）：72-74.

2017-07-17

張 寧（1984—），山西朔州人，工程師，碩士，畢業(yè)于沈陽理工大學材料加工工程專業(yè)，從事采礦設備電焊維修工作。

【責任編輯：陳 毓】