帶式輸送機(jī)滾筒環(huán)縫焊接工藝的改進(jìn)

葛 花

（國能神東煤炭皮帶機(jī)公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

滾筒是皮帶機(jī)的核心組成部分，它的制造質(zhì)量直接決定了皮帶機(jī)的可靠性。其中，改向滾筒的功能是通過調(diào)節(jié)輸送帶的方向，或者通過調(diào)節(jié)輸送帶的夾角，來提高皮帶機(jī)的效率和穩(wěn)定性。根據(jù)統(tǒng)計，皮帶機(jī)中某些部件的改向滾筒在運行過程中出現(xiàn)斷裂的情況非常普遍，這不僅會對用戶和生產(chǎn)商造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會影響產(chǎn)品在市場上的競爭力。因此，研究并解決這類問題顯得尤為重要。

1 斷裂的基本情況

1.1 冷裂紋是由于煤礦帶式輸送機(jī)的滾筒焊縫出現(xiàn)裂紋造成的

如果把鋼材放在冰箱里，它的表面就會變得很脆，導(dǎo)致鋼材在加工過程中容易損壞。根據(jù)損壞的原因，鋼材的表面裂痕通常被劃分為三種：淬火、低塑性、氫致延遲。（1）經(jīng)歷了一系列的熱處理，從而產(chǎn)生的裂縫，既被稱作淬火裂縫，也被稱作時效裂縫。由于多種多樣的原因，導(dǎo)致了這種情況的發(fā)生，因此，要想準(zhǔn)確地識別并鑒別出各種類型的淬火裂縫，就必須根據(jù)它們的特點來做準(zhǔn)確的判斷。（2）當(dāng)某些具有極小的塑性的物質(zhì)被降溫到極限的情況下，由于其內(nèi)部的壓強(qiáng)超過了它們本身的抗壓強(qiáng)度，就會導(dǎo)致裂紋的形成，也就是所謂的塑性裂紋。（3）氫元素的存在也會導(dǎo)致裂紋的形成，而且，由于裂紋的形成，它們通常都是在熔融之前，并且還需要相對更久的時間來形成。由于多種影響因子的交叉影響，如焊頭的氫氣濃度、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和受力情況，導(dǎo)致了氫致延遲裂紋的產(chǎn)生。然而，當(dāng)焊縫厚度小于10mm 時，這種裂紋幾乎沒有被觀察到。如果工件的厚度超出了規(guī)范的范圍，那么它的冷卻速率就可能變得很高。此外，如果鋼的淬硬性很強(qiáng)，那么它的接合處可能出現(xiàn)許多硬化的結(jié)構(gòu)。此外，由于冷卻的作用，許多氫氣都可能被吸附到鋼的焊縫上，導(dǎo)致它們的濃度迅速減少，最終傳播到受到高溫的部分。隨著熱量的傳遞，一些地方的氫氣含量急劇增加，而同時，由于溫度的迅猛下跌，從而導(dǎo)致了金屬焊縫周圍的氫原子發(fā)生反應(yīng)，形成了一系列的氫分子，從而產(chǎn)生了較大的局部應(yīng)力，而由此產(chǎn)生的應(yīng)力又被固定到了接合面，最終導(dǎo)致了焊縫的破壞。這些特殊的焊縫裂紋通常發(fā)生于不同的材料，包括低合金、中合金以及高合金。它們的發(fā)生往往不一定馬上就發(fā)生，也許需要幾天甚至更久的等待。然而，對于一些具有更高強(qiáng)度的材料，這些裂紋往往也會發(fā)生。綜合考慮各種原因，我們發(fā)現(xiàn)三種常見的冷裂縫類型有：（1）通常發(fā)生在改變方向的滾動部件或連接部位。（2）常見于春秋時期。（3）根據(jù)其原因，我們能夠識別這些裂縫[1]。

1.2 熱裂紋出現(xiàn)在煤礦帶式輸送機(jī)的滾筒焊縫上，造成了嚴(yán)重的損壞

當(dāng)電弧加工時，如果電弧的加工能力下降，就會產(chǎn)生電弧電流。電弧的電流通常是通過電弧的加工能力來傳遞的，當(dāng)受到外界壓力時，就容易產(chǎn)生熱裂紋。通常，它們發(fā)生在金屬的焊縫里，但也有很高的概率發(fā)生在靠近焊接熔池的原料表面。根據(jù)它們的表面狀態(tài)，可以把它們劃分為兩種：凝固性的、溶解性的。（1）通常情況下，S、P 這些有害的元素會導(dǎo)致鋼鐵的焊接變得更加困難。這些元素可能會導(dǎo)致熔化，形成一個更難形成的共晶。隨著這個過程的繼續(xù)，這些元素可能會逐漸從焊縫的邊緣脫離，形成液體。在焊接后，由于溫度分布的不平衡，會造成材料的變形，超出了規(guī)定的最高限度，這會對材料的抗壓能力造成嚴(yán)重的影響，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)的破壞，這些破壞通常被稱為結(jié)構(gòu)裂紋。（2）當(dāng)某種物體表面受到焊接時，就會發(fā)生變形，這種變形被稱為液化裂紋。這種變形通常發(fā)生在距離焊縫熔合線較遠(yuǎn)的物體表面，也發(fā)生在已經(jīng)進(jìn)行了多次焊接的物體表面。它的形成主要原理是由于焊接時產(chǎn)生的高溫，導(dǎo)致物體表面的某些區(qū)域發(fā)生了溶解，從而形成了不均勻的分布。一是由于高溫環(huán)境中的熔融物含量太高，而且無法迅速擴(kuò)散，從而引發(fā)了一些裂縫的產(chǎn)生；二是由于高溫環(huán)境中的一些化學(xué)反應(yīng)，可能會造成一些原本被控制的組件被激活，從而引發(fā)一些新的組織，如共晶組織。通過準(zhǔn)確識別各種裂縫的特征，我們能夠更好地了解它們的形態(tài)，并從中提取出有用的信息，從而更快地采取預(yù)防性的、針對性的、有效的防止裂縫發(fā)展的措施[2]。

2 煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫出現(xiàn)問題的原因

2.1 溫度原因

當(dāng)溫度變化時，煤礦帶式輸送機(jī)的滾筒焊縫會發(fā)生裂縫。這種問題通常有兩種類型：（1）春秋時期焊縫的材料含量高，導(dǎo)致焊縫變得脆弱。這時，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧┮员苊膺@種問題的發(fā)生。（2）根據(jù)焊接變形的原則，我們發(fā)現(xiàn)，影響焊接變形的重要因素包括：一是焊縫的寬度和厚度越寬，變形越明顯；二是在保持一定厚度的前提下，隨著溫差的增加，變形越明顯；三是分段焊的變形比單一的焊條更少；四是由于焊條的不平整，變形的幅值越高，其厚度也越明顯；五是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度越高，變形的幅值也越明顯。當(dāng)采用單次焊接或者焊縫的累計長度超標(biāo)，由于熔化的熱量太多，在焊接結(jié)束之前，如果冷卻的速率太快，就容易導(dǎo)致應(yīng)力的聚焦，從而導(dǎo)致煤礦帶式輸送機(jī)的轉(zhuǎn)子滾筒的焊縫發(fā)生破損，從而引發(fā)嚴(yán)重的安全事件。

2.2 材質(zhì)原因

在某些滾筒結(jié)構(gòu)中，為了滿足使用及日常要求，通常會采用35 號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制作輪轂和內(nèi)置軸承底座，而A3 鋼卷紙則被用于卷制和焊接各種鋼材，但是，由于碳含量較高，而且存在大量的S、P 等無用雜質(zhì)，再加上焊接質(zhì)量不佳，很可能會導(dǎo)致煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫出現(xiàn)裂紋[3]。

2.3 坡口原因

在滾筒與鑄鋼接盤的焊接過程中，必須按照規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，特別注意兩個部分的連接處，以確保安全可靠的連接。在這個過程中，接頭的設(shè)計尤為關(guān)鍵，因此必須特別注意，以確保質(zhì)量。焊縫的成型系數(shù)是指單道焊縫的橫截面上的焊縫寬度與焊縫厚度的比例，它對焊縫的質(zhì)量影響很大。因此，當(dāng)采用自動化的焊縫技術(shù)，焊縫的成型系數(shù)必須大于或等于一個單位。當(dāng)系數(shù)太低時，將會造成焊接部位的狹窄和加工難度，同時也可能引發(fā)有害的雜物在焊接部位的邊緣堆積，從而降低了材料的耐高溫性和耐久性。

3 坡口形式的設(shè)計改進(jìn)及焊接工藝

3.1 坡口形式的設(shè)計改進(jìn)

雖然標(biāo)準(zhǔn)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，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(zhǔn)確地檢測出來。

采用永久性墊片的連接件會導(dǎo)致應(yīng)力過大，使得連接件的抗拉能力大大減弱。此類連接件的抗拉能力通常來自連接件的拼裝部位，而非連接件的接觸面，因此，它們的抗拉能力通常都能達(dá)到同樣的水平。

經(jīng)過重新設(shè)計，皮帶機(jī)的鑄焊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向滾筒采取了新的形狀，即無需帶墊板的Ⅴ形和U 形坡口，它們的表面形狀是完全一致的，鈍邊寬度在1±1mm 之內(nèi)，間距在3±1mm 之內(nèi)。采取這樣的形狀，既提高了焊縫的有效厚度，又使超聲波探傷技術(shù)變得更精細(xì)、可靠，進(jìn)一步提高了接頭的質(zhì)量[4]。

3.2 焊接工藝

1.焊接方法。通過實際應(yīng)用，我們發(fā)現(xiàn)，采用MAG焊技術(shù)，通過精確控制焊接工藝參數(shù)，以及恰當(dāng)?shù)氖┖肝恢?，可以達(dá)到良好的單面或雙面成型，從而達(dá)到優(yōu)良的焊縫質(zhì)量，同時還能提升生產(chǎn)效率。為了達(dá)到最佳的效果，我們采取了MAG 焊（80%Ar+20%C02）的方式來完成第二層的打底，而剩下的層則采取了埋弧焊的方式。

2.焊接材料的選用。選擇Q235B 作為筒體，ZG2 30-450 作為接盤，根據(jù)等強(qiáng)度匹配的要求，MAG 焊選擇ER50-6 焊絲，埋弧焊選擇H08MnA 焊絲，HJ431 焊劑，在焊前200℃～250℃進(jìn)行預(yù)熱處理，持續(xù)2 個小時。

3.在焊接之前，請確保焊接坡口兩側(cè)的表面清潔，并且保證其厚度不低于20mm。在進(jìn)行焊接前，若發(fā)現(xiàn)焊縫表面存在任何形式的鑄造缺陷，例如砂粒、氣泡和裂縫，都必須徹底清理并進(jìn)行必要的維護(hù)，以確保焊縫質(zhì)量。

4.裝配及坡口尺寸。在機(jī)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(qiáng)度，坡口內(nèi)不允許定位焊。

5.焊前預(yù)熱。盡管Ceq 低于0.45%的鑄鐵零部件通常無須進(jìn)行預(yù)處理，但由于它們具有較高的強(qiáng)度和較厚的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行焊接之前，必須將其溫度調(diào)節(jié)到80℃～150℃，并確保其兩端的溫差不低于焊接部位的溫差。板厚必須達(dá)到75mm 以上，而且其中的每一個板之間的溫差必須大于最低的預(yù)熱溫度。

6.焊接工藝參數(shù)。MAG 焊是一種高效、精確的焊接方法，其特點是：焊絲的直徑為1.2mm，焊接電流為100A～130A，電壓為18V～21V，氣體的流速為15L/min～18L/min 升/分鐘。最適合進(jìn)行mag 焊的位置是1點半至2 點鐘的夾角，采取下坡焊，并且要求接頭部分要經(jīng)過砂輪機(jī)的打磨，使其形成一個平整的斜坡，從而確保mag 焊的焊縫質(zhì)量。

第2 層：MAG 焊，使用1.2mm 的焊絲，控制220A～280A 的焊縫電壓，24V～32V 的電壓，以及18L/min～22L/min 的氣體流動，以達(dá)到最佳的焊接效果。

其余層：埋弧焊，焊絲直徑中4.8mm，焊接電流550A～650A，電壓32V～38V，焊接速度350mm/min～450 mm/min。

7.焊縫質(zhì)量要求。Yamaguchi 在一項關(guān)于焊接接頭的實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)余高的改變會顯著提升其疲勞強(qiáng)度。在這項實驗中，盡管焊縫的寬度會發(fā)生改變，但是它們之間的比例仍然相同，這就意味著它們之間的夾角仍然相同，而這一發(fā)現(xiàn)最終證實了它的可靠性。若將焊縫的寬度維持在一定范圍內(nèi)，而改變其高度，將會導(dǎo)致接頭的疲勞強(qiáng)度顯著下降[5]。因此，在完成焊接之前，必須先仔細(xì)檢查其背部的余量，其范圍在0mm～1.5mm 之間，且需要完美的平整，若是余量較大，需要采取措施將其打磨到滿足規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)JB/T5000.3《重型機(jī)械通用技術(shù)條件第3 部分：焊接件》，對于焊接接頭的質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)達(dá)到Ⅲ級或更高的標(biāo)準(zhǔn)。

8.焊后熱處理。采用鑄焊結(jié)構(gòu)改向滾筒時，必須進(jìn)行應(yīng)力退火，以確保操作過程中的質(zhì)量，并嚴(yán)格遵守焊后熱處理工藝規(guī)范。

通過對MAG 焊的改進(jìn)，我們發(fā)現(xiàn)它的操作方法變得更加簡單和高效。這種新的坡口形式和焊接工藝使得滾筒的生產(chǎn)效率得到了提升。此外，MAG 焊的背面成型也非常優(yōu)秀，焊接質(zhì)量也達(dá)到了要求。超聲波檢測也非常精確和可靠，并且在使用了更長的時間后，沒有出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。為了確保焊接接頭的質(zhì)量，提升環(huán)焊縫接頭的疲勞強(qiáng)度，我們應(yīng)該對鑄焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并調(diào)整滾筒的坡口設(shè)計和焊接工藝。

4 結(jié)語

滾筒在煤礦帶式輸送機(jī)中起到至關(guān)重要的作用，它由皮革、輪轂、軸和支撐架組成，具備了傳遞物料、卸貨、調(diào)節(jié)方位和拉動物料等諸多功能。它們的品質(zhì)決定了煤礦帶式輸送機(jī)的性能，也會對其整體使用壽命產(chǎn)生重大影響。焊縫在制作滾筒時起著重要作用，但由于其特殊性，如環(huán)形焊縫、縱向焊縫等，這些問題往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的損壞。為了解決這一問題，深入探討煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂的成因，并提供相應(yīng)的維護(hù)與保養(yǎng)措施，顯得尤為重要。通過改善工作環(huán)境，我們能夠大幅度增強(qiáng)公司的安全性和長期穩(wěn)定性。