焊接方法對(duì)輪式洗砂機(jī)葉片T形接頭焊腳尺寸的影響分析

張治國(guó)，張丹丹

隴南師范高等?？茖W(xué)校機(jī)電工程學(xué)院 甘肅隴南 742500

1 序言

輪式洗砂機(jī)作為一種砂料清洗設(shè)備，在礦山、建筑、化工等行業(yè)被廣泛應(yīng)用。甘肅隴南礦產(chǎn)資源豐富，礦山企業(yè)數(shù)量眾多，洗砂設(shè)備應(yīng)用頻繁。由于輪式洗砂機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要依靠焊接成形，因此焊接材料和焊接質(zhì)量的好壞直接決定了洗砂設(shè)備的質(zhì)量。洗砂機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)提供能源，通過(guò)減速器帶動(dòng)葉輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中葉片將洗砂池的砂石帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)，再經(jīng)過(guò)水進(jìn)行清洗，依靠砂石之間的翻滾研磨和水的沖洗將砂石表面的雜質(zhì)清洗掉，并將砂石表面包裹的水汽層打破，起到消除砂石水分的作用。

洗砂機(jī)葉輪是一個(gè)直徑達(dá)數(shù)米的輪式結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中位于葉輪最頂端的葉片承載了最大彎矩，并承受了砂石和水的沖擊和沖刷作用，是整個(gè)洗砂機(jī)最容易損壞的零部件之一。葉片與葉輪立板采用T形接頭焊接，角焊縫的焊接順序、焊接參數(shù)、焊接結(jié)構(gòu)都對(duì)T形接頭承載有很大影響[1]，角焊縫中存在一定的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的釋放受到不同的循環(huán)載荷的影響[2]。由于焊縫表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度受到T形焊接接頭結(jié)構(gòu)的影響[3]，故T形接頭的焊接質(zhì)量控制顯得尤為重要。由于焊接工藝不當(dāng)、受力復(fù)雜、腐蝕等因素，使葉片與葉輪立板焊縫很容易開裂。采用常用焊接方法和發(fā)展日益成熟的高效焊接方法[4]焊接輪式洗砂機(jī)葉片T形接頭，通過(guò)分析得出采用不同焊接方法焊接T形接頭角焊縫的熔合情況，從而為采用不同焊接方法進(jìn)行角焊縫焊接時(shí)角焊縫尺寸的控制提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工藝的指導(dǎo)，對(duì)輪式洗砂機(jī)的設(shè)計(jì)、制造及維修具有重要意義。

2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)以輪式洗砂機(jī)葉輪常用Q235鋼為試驗(yàn)材料，選用厚8mm板材為輪式洗砂機(jī)葉輪立板，厚5mm板材為葉片用材。試驗(yàn)過(guò)程中以厚8mm板材為底板，尺寸規(guī)格為30cm×10cm×0.8cm；厚5mm板材為立板，尺寸規(guī)格為30cm×10cm×0.5cm，利用角尺嚴(yán)格定位，如圖1所示。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，將底板鐵銹全部打磨干凈，立板施焊部位25mm以內(nèi)鐵銹進(jìn)行打磨清理。采用焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊焊接葉輪立板和葉片的T形接頭，并對(duì)焊縫切割后的熔合情況和接頭成形情況進(jìn)行分析。為了獲得最大熔合深度，焊條電弧焊與CO2氣體保護(hù)焊施焊時(shí)，焊條和焊槍盡量正對(duì)接頭縫隙。焊條電弧焊參數(shù)見表1，CO2氣體保護(hù)焊參數(shù)見表2。

圖1 試件裝配

表1 焊條電弧焊參數(shù)

表2 CO2氣體保護(hù)焊參數(shù)

利用A-TIG焊對(duì)T形接頭進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中不添加焊接材料，直接在T形接頭水平、垂直待焊表面約15mm范圍內(nèi)均勻涂抹自制A-TIG焊活性劑[4]，涂覆效果如圖2所示。進(jìn)行活性TIG焊時(shí)，由于立板尺寸相對(duì)較薄，熱量傳遞慢，所以為了避免將立板焊穿，焊槍應(yīng)偏向厚度較大的底板，與底板呈50°～55°夾角。焊接電流選擇偏大的值，焊槍微擺時(shí)在底板側(cè)停留時(shí)間稍大，使底板和立板的縫隙盡量熔合，焊接參數(shù)見表3。由于A-TIG焊接時(shí)沒有添加焊材，焊接成形后焊縫會(huì)整體下陷，為了填充下陷焊縫，再進(jìn)行一道手工蓋面焊接，焊接參數(shù)見表4。對(duì)接頭的熔合情況和成形情況進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)焊接方法與新方法的焊接效果，提出選用不同焊接方法對(duì)焊腳尺寸的影響。

表4 焊條電弧焊蓋面焊接參數(shù)

圖2 試件活性劑涂覆

表3 A-TIG焊參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 焊條電弧焊T形接頭焊縫效果與分析

利用焊條電弧焊進(jìn)行T形接頭角焊縫焊接過(guò)程中，在工藝參數(shù)上，為了保證底板和立板直角處的最大熔合效果，焊條上下夾角45°，左右夾角75°～85°，盡量使焊條垂直于底板與立板縫隙，盡量壓低電弧，使電弧熱量能夠盡可能地傳遞到縫隙處，焊接電流比正常偏大。焊條電弧焊T形接頭焊縫截面形貌如圖3所示。由圖3可以看出，直角處焊縫的熔合深度很小，每側(cè)不到1mm，立板側(cè)由于重力和大電流的影響，焊縫上側(cè)有輕微的咬邊。從焊縫實(shí)際的熔合情況可以看出，底板與立板縫隙熔合度很小，焊條電弧焊T形接頭的連接強(qiáng)度主要依靠相對(duì)較大的焊腳尺寸來(lái)保證，在洗砂機(jī)葉片實(shí)際焊接生產(chǎn)和維修中，要保證足夠的焊腳高度。對(duì)于板厚≤8mm角焊縫一般是單道成形，單道焊接就需要較大的電流。由于在大電流作用下，立板上側(cè)的咬邊現(xiàn)象不好控制，因此在實(shí)際焊接操作時(shí)，為了保證足夠的焊腳高度和減小咬邊，對(duì)于板厚≤8mm的T形接頭角焊縫也需要多層多道焊，以保證角焊縫具有足夠的強(qiáng)度。

圖3 焊條電弧焊T形接頭焊縫截面形貌

3.2 CO2氣體保護(hù)焊T形接頭焊縫效果與分析

CO2氣體保護(hù)焊是一種半自動(dòng)化焊接方法，生產(chǎn)效率較焊條電弧焊高。在洗砂機(jī)葉片焊接中，CO2氣體保護(hù)焊作為首選的焊接方法。在試驗(yàn)施焊過(guò)程中，同樣在焊接參數(shù)和焊接操作上，盡量保證底板和立板的最大熔合深度。焊槍盡量正對(duì)接頭縫隙，匹配相對(duì)較大的焊接電流和電弧電壓。利用CO2氣體保護(hù)焊焊接的T形接頭焊縫截面形貌如圖4所示。由圖4可以看出，底板和立板熔合深度非常小，角焊縫在底板和立板上的熔深也比較小，T形接頭焊縫強(qiáng)度完全依賴于較大的焊腳高度。與焊條電弧焊相比，CO2氣體保護(hù)焊角焊縫的熔合深度更小，因此在利用CO2氣體保護(hù)焊焊接洗砂機(jī)葉片T形接頭時(shí)，需要相對(duì)更大的焊腳高度。由于焊槍的擺動(dòng)幅度越大越不利于底板和立板縫隙的熔合，所以在焊接時(shí)應(yīng)減小焊條的擺動(dòng)，利用多層多道焊接滿足尺寸要求的角焊縫。利用常用焊接方法焊接洗砂機(jī)葉片T形接頭時(shí)，如果不能保證足夠的焊腳高度，就需要在葉片兩側(cè)開坡口。但采用開坡口方法會(huì)降低生產(chǎn)效率，因此在使用常規(guī)焊接方法時(shí)，為了盡量避免T形接頭的失效，要根據(jù)選用的焊接方法，控制好角焊縫焊腳尺寸。

圖4 CO2氣體保護(hù)焊T形接頭焊縫截面形貌

3.3 A-TIG焊T形接頭焊縫效果與分析

常用的焊接方法在優(yōu)化焊接參數(shù)的情況下，也無(wú)法大幅增加T形接頭的熔合深度。為了增加對(duì)比分析，采用A-TIG焊進(jìn)行了T形接頭的焊接，焊縫形貌如圖5所示。由圖5可看出，焊縫表面存在少量氧化渣在焊縫表面呈現(xiàn)非連續(xù)分布，多以小塊狀無(wú)規(guī)律地分布于焊縫表面。由于焊接過(guò)程中沒有填充材料，所以角焊縫整體下陷，通過(guò)焊條電弧焊進(jìn)行一層蓋面焊接，焊前用鋼絲刷清理焊縫表面的氧化渣，焊后成形如圖6所示，焊縫成形良好，咬邊程度非常小。焊縫截面形貌如圖7所示，由圖7可以看出，底板與立板縫隙基本熔透，焊腳高度很小，甚至沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。但是，在T形接頭熔透或者熔合情況較理想的情況下，小尺寸的焊腳高度可以保證較高的連接強(qiáng)度，在一定意義上減小了角焊縫焊腳高度。

圖5 A-TIG焊T形接頭焊縫外觀形貌

圖6 手工蓋面焊焊縫外觀形貌

圖7 A-TIG焊T形接頭焊縫截面形貌

高效焊接方法的應(yīng)用可以在不降低焊接強(qiáng)度的情況下，減小洗砂機(jī)葉片T形接頭的焊腳高度，從而減少焊材的消耗，降低洗砂機(jī)葉輪的重量。通過(guò)與高效焊接方法的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用不同的焊接方法進(jìn)行T形接頭焊接時(shí)，焊縫焊腳高度的控制是不同的，為了保證T形接頭的連接強(qiáng)度，減少設(shè)備的故障率，在制定焊接工藝和進(jìn)行焊接操作時(shí)必須要考慮焊接方法對(duì)連接強(qiáng)度造成的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用焊條電弧焊焊接洗砂機(jī)葉片T形接頭時(shí)，為了保障焊接可靠性，角焊縫的焊腳高度要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的中間值以上；利用CO2氣體保護(hù)焊焊接洗砂機(jī)葉片T形接頭時(shí)，角焊縫的焊腳高度要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的較大值。CO2氣體保護(hù)焊角焊縫的焊腳高度應(yīng)大于焊條電弧焊的焊腳高度；利用大熔深的高效焊接方法，在保障焊縫強(qiáng)度的的前提下，可以減少角焊縫焊腳高度，減少焊材的填充量；在利用不同焊接方法焊接T形接頭時(shí)，角焊縫尺寸的控制必須要考慮焊接方法的影響。