皮帶機鑄焊結(jié)構(gòu)改向滾筒環(huán)焊縫的坡口設(shè)計及工藝改進

張乃祥

摘 要：通過了解鑄焊結(jié)構(gòu)改向滾筒斷裂的基本情況并分析原因，改變其傳統(tǒng)環(huán)焊縫的坡口形式，采用混和氣體保護焊單面焊雙面成形打底焊焊接工藝，保證了焊縫質(zhì)量，有效地提高了焊接接頭的疲勞強度。經(jīng)改進后，顯著提高了滾筒的使用壽命。

關(guān)鍵詞：滾筒；斷裂；疲勞強度；坡口；焊接工藝

中圖分類號：U653.922 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0051-02

Abstract： Through analyzing the basic situation and the reason for the fracture of cast welding structure， the traditional groove form of girth weld is changed， and the mixed gas shielded welding single side welding and double side forming bottom welding technology are adopted. Thus， the weld quality is guaranteed and the fatigue strength of welded joint is improved effectively. After the improvement， the service life of the drum is obviously increased.

Keywords： drum； fracture； fatigue strength； groove； welding process

滾筒是皮帶機的關(guān)鍵部件，對設(shè)備整體運行起重要作用，其制造質(zhì)量直接影響輸送機運行的可靠性。其中改向滾筒的主要作用是改變輸送帶的運行方向或壓緊輸送帶使其增大與傳動滾筒的包角。據(jù)筆者統(tǒng)計，皮帶機中特定位置的改向滾筒在運行中筒體出現(xiàn)斷裂的質(zhì)量問題較突出，不僅給業(yè)主和制造廠造成經(jīng)濟損失，而且也影響產(chǎn)品在市場中的地位，所以分析及解決其改向滾筒的斷裂就成了重要課題。

1 鑄焊結(jié)構(gòu)改向滾筒的標準結(jié)構(gòu)形式

DTⅡ（A）型帶式輸送機是通用型系列產(chǎn)品，在DTⅡ（A）的標準圖中，鑄焊滾筒的環(huán)焊縫的坡口形式通常為帶永久墊板的半U半V形，結(jié)構(gòu)如圖1。

2 斷裂的基本情況及原因分析

2.1 斷裂的基本情況

據(jù)統(tǒng)計，鑄焊結(jié)構(gòu)改向滾筒的斷裂都在焊縫處。于是選取了某項目中出現(xiàn)質(zhì)量問題的滾筒做宏觀金相分析，此滾筒是在運行了一段時間后出現(xiàn)斷裂，斷裂位置在焊縫， 無明顯的塑性變形，焊縫根部有未焊透缺陷，且在圖1中Ⅰ、Ⅱ處位置有明顯的頂死現(xiàn)象，見圖2。

2.2 原因分析

疲勞破壞總是由應(yīng)力應(yīng)變最高和位向最不利的薄弱晶?；驃A雜等缺陷處起始，并沿著一定的結(jié)晶面擴展。一般分為疲勞裂紋的萌生、疲勞裂紋的擴展和失穩(wěn)斷裂三個階斷，疲勞裂紋的萌生都是由塑性應(yīng)變集中引起而產(chǎn)生的，這種細微裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸擴展，當疲勞損傷累積達到損傷臨界值，由于超載引起瞬間突然斷裂。

由于在焊接接頭處具有應(yīng)力集中、焊接缺陷及拉伸殘余應(yīng)力，使其疲勞強度比母材金屬低，因此其疲勞失效多在焊接接頭處產(chǎn)生。

影響焊接接頭疲勞強度的主要因素有：應(yīng)力集中、表面加工、焊接殘余應(yīng)力、焊接缺陷、加載方式、尺寸因素等。其中焊接缺陷能造成嚴重的應(yīng)力集中，因而大大降低其疲勞強度[1]。在對接焊縫中，未焊透深度越深，則焊接接頭的疲勞極限越低。

因此，從斷面的基本情況、制造工藝及在現(xiàn)場運行的情況分析，其滾筒斷裂的主要原因為：焊縫根部存在焊接缺陷，有嚴重的應(yīng)力集中，并在沖擊載荷的運行工況下，造成疲勞斷裂。因此要提高焊接接頭的疲勞極限，就必須從影響疲勞強度的主要因素來采取措施解決。

3 坡口形式的設(shè)計改進及焊接工藝

3.1 坡口形式的設(shè)計改進

雖然標準結(jié)構(gòu)形式的對接接頭在生產(chǎn)組對時比較容易操作，但是由于間隙不易控制，常因搭接部位的圓弧半徑、內(nèi)外倒角的尺寸誤差（見圖1的Ⅰ、Ⅱ處），在組對時出現(xiàn)頂死現(xiàn)象，從而在焊接時產(chǎn)生較大的拘束應(yīng)力；并且在根部間隙過小時極易造成局部未焊透或夾渣等缺陷，由于超聲波探傷對帶墊板的對接焊縫的檢測具有局限性，所以根部的焊接缺陷也不容易被準確地檢測出來。

另外，具有永久型墊板的對接接頭由于墊板處形成嚴重的應(yīng)力集中，降低了接頭的疲勞強度。這種接頭的疲勞裂紋均從焊縫和墊板的接合處產(chǎn)生，而并不是在焊趾處產(chǎn)生，其疲勞強度一般與不帶墊板的最不佳外形的對接接頭的疲勞強度相等。

因此，對皮帶機中特定位置的鑄焊結(jié)構(gòu)改向滾筒，為避免出現(xiàn)以上問題，將其坡口形式改為了不帶墊板的單面對接焊V形或U形坡口，坡口面角對稱，鈍邊為1±1mm，間隙3±1mm；這種形式的接頭還增加了焊縫的有效厚度，并且用超聲波探傷能更準確、可靠地檢測焊縫質(zhì)量，從而有效地保證接頭質(zhì)量。

3.2 焊接工藝

（1）焊接方法

經(jīng)實踐表明，使用熔化極混和氣體保護焊（以下簡稱MAG焊），選擇合適的焊接工藝參數(shù)，并在合適的施焊位置進行單面焊雙面成形打底焊，其焊縫質(zhì)量完全滿足要求，且效率高。因此打底焊使用MAG焊（80%Ar+20%CO2）單面焊雙面成形，第二層仍用MAG焊，其余層用埋弧焊。

（2）焊接材料的選用

筒體材質(zhì)為Q235B，接盤材質(zhì)為ZG230-450。按照等強匹配的原則，MAG焊選用焊絲型號為ER50-6；埋弧焊選用焊絲牌號為H08MnA，焊劑為HJ431、焊前200～250℃保溫2小時烘干。

（3）焊前準備endprint

將焊接坡口每側(cè)不小于20mm范圍表面的油、銹、漆、水等雜質(zhì)清理干凈。

接盤坡口面如果有夾砂、氣孔、裂紋等鑄造缺陷時，應(yīng)完全除掉或適當修補，使之成為良好的坡口。

（4）裝配及坡口尺寸

在機加工筒皮端面坡口時，應(yīng)光圓距端面10mm的內(nèi)口并以不超過1：2.5的坡度值平緩過渡，允許留黑皮，接盤內(nèi)徑按筒皮內(nèi)徑配車。裝配時，應(yīng)保證錯邊量及組對間隙，在外側(cè)對稱組點一定數(shù)量的筋板，并保證強度，坡口內(nèi)不允許定位焊。

（5）焊前預(yù)熱

雖然碳當量Ceq小于0.45%的鑄鋼件一般不需要預(yù)熱，但由于剛性大，且多是厚壁件，因此焊前都要求預(yù)熱至80～150℃，預(yù)熱寬度為焊縫每側(cè)距焊縫中心不小于2δ（δ為板厚），且不小于75mm。道間溫度不低于最低預(yù)熱溫度。

（6）焊接工藝參數(shù)

打底焊：MAG焊，焊絲直徑Φ1.2mm，焊接電流100～130A，電壓18～21V，氣體流量15～18L/min；打底焊的最佳施焊位置在1點半到2點鐘的夾角處，下坡焊，接頭處必須在始接處用砂輪機打磨出緩坡，以利于保證打底焊的焊縫質(zhì)量。

第二層：MAG焊，焊絲直徑Φ1.2mm，焊接電流220～280A，電壓24～32V，氣體流量18～22 L/min。

其余層：埋弧焊，焊絲直徑Φ4.8mm，焊接電流550～650A，電壓32～38V，焊接速度350～450mm/min。

（7）焊縫質(zhì)量要求

Yamaguchi通過實驗研究了對接接頭焊縫增強高度（余高）對焊接接頭疲勞強度的影響。實驗中焊縫寬度和高度變化，但兩者比值保持不變，即意味著夾角保持不變，試驗結(jié)果表明，疲勞強度也保持不變。但如果焊縫寬度保持不變，變化增強高度，則接頭疲勞強度降低[2]。因此，焊后應(yīng)對打底焊背面焊縫進行外觀檢驗，要求背面焊縫余高為0～1.5mm，并圓滑過渡，對于余高超高的焊縫應(yīng)使用砂輪機打磨至符合要求。焊接接頭缺陷要求符合JB/T5000.3《重型機械通用技術(shù)條件第3部分：焊接件》評級為Ⅲ級及以上的要求。

（8）焊后熱處理

鑄焊結(jié)構(gòu)改向滾筒通常要求消除應(yīng)力退火，操作時應(yīng)嚴格按照焊后熱處理工藝規(guī)程。

4 結(jié)束語

由于MAG焊單面焊雙面成形操作方法比較容易掌握、效率高，在采用改進后的坡口形式及焊接工藝后，其滾筒的生產(chǎn)效率沒有明顯降低。MAG焊打底焊背面成形優(yōu)良、焊縫質(zhì)量滿足要求，超聲波探傷準確、可靠，經(jīng)現(xiàn)場使用比原來更長的周期后，沒有出現(xiàn)質(zhì)量問題。因此，通過改變鑄焊結(jié)構(gòu)改向滾筒的坡口設(shè)計及焊接工藝來保證焊接接頭的質(zhì)量，提高環(huán)焊縫接頭的疲勞強度是有效的。

參考文獻：

[1]趙少汴，藍伙金.抗疲勞設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997：225-238.

[2]管德清.焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂與壽命預(yù)測[M].長沙：湖南大學出版社，1996：74.

[3]徐伍義，楊 .旱船式耙矸機皮帶機自移新工藝[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（04）：29.endprint