国能准能集团公司设备维修中心 内蒙古 鄂尔多斯市 010300
摘 要:吊斗铲VRC铲斗所用结构件材料均采用强度较高的钢板,在运行过程中,经常产生不同程度的裂纹。普通的焊接工艺达不到铲斗特性需求,导致裂纹频繁开焊,重复焊接修复,无法满足设备正常运行要求。所以通过实践总结出一套具有针对性的焊接修复工艺,不仅可以降低工人的劳动强度,也可以有效提高吊斗铲VRC铲斗的使用寿命,提高设备生产效率。
关键词:VRC铲斗;金属疲劳;CO2气体保护焊;焊接修复
0 引 言
8750-65型迈步式吊斗铲是准能公司露天煤矿抛掷爆破倒堆工艺的主采设备,主要对煤层上部岩石进行剥离。吊斗铲配套使用的VRC铲斗,全部为钢结构,自重80吨,容量90立方米。铲斗主体框架由厚度为50mm-100mm的焊达400型钢板制作而成,框架内部采用厚度30mm的威达700型钢板填充。铲斗在满负荷使用过程中,经常产生不同程度的裂纹,填充钢板裂纹可现场临时焊接,不影响设备运行;若主体框架裂纹,普通的焊接工艺达不到铲斗特性需求,导致裂纹频繁开焊,不得不重复焊接修复,无法满足设备正常运行要求。所以一种针对性的焊接修复工艺不仅可以降低工人的劳动强度,也可以有效提高设备经济性。
1 吊斗铲VRC铲斗裂纹分析
吊斗铲VRC铲斗连带索具自重达100吨以上,作业过程中频繁与岩石撞击,其外力作用引起铲斗本体开裂。如果是大能量的单次冲击,会产生突发性裂纹,一般属于脆性断裂裂纹,以极快的速度扩展,由于速度很快,产生的塑性变形来不及抗衡裂纹的扩展,所以导致脆性断裂。脆性断裂裂纹具有不能被及时发现、不能预先控制等弊端。
如果铲斗在作业中被小能量多次冲击,即会产生疲劳裂纹。疲劳是指小能量多次冲击而产生裂纹并扩展断裂。铲斗某个部位承受不同的交变应力集中作用,长时间重复工作,局部区域产生微小裂纹,继续承载运行后,裂纹逐渐扩大发展到表面,有时候甚至断裂。此疲劳裂纹早期不易发现,生产过程中需对铲斗应力集中区域加强检查力度,发现裂纹后及时进行维修,避免故障扩大。
2 铲斗焊接修复
吊斗铲实际运行中,铲斗始终处于交变载荷作用下,因此,其发生金属结构的疲劳裂纹或断裂非常普遍。焊接修复是针对铲斗裂纹最有效、最经济的维修手段。更换总成或用新材料替换裂纹区域成本都比较大,而且焊接质量不严谨,也会造成焊道重复开裂,增加维修成本。焊接修复分为现场焊接和大修焊接,一般为了不影响设备正常运行计划,出现裂纹后采取现场焊接的方式,使设备短时间内恢复使用要求,但是现场维修存在加热温度无法保证、焊接环境不可控、保温效果差等缺点。最合理经济的维修计划,是在铲斗正常保养周期内下机维修,铲斗进行全方位的探伤检查,对所有裂纹按照工艺进行焊接修复。由于铲斗金属与结构的特殊性,对焊接工艺的要求较高。
3 焊接工艺的制定与应用
3.1焊接方法
吊斗铲VRC铲斗体积庞大,裂纹位置会随工况随机出现。所以,每道裂纹都必须根据其宽度、长度、厚度、方向等条件不同,选用一种或多种焊接方法进行修复。可采用的焊接方法有平焊、横焊、立焊、仰焊等。对焊缝的选择控制也非常重要,在金属焊接过程中,焊缝过宽、焊脚尺寸过大,不但焊接接头受热严重,引起焊缝晶粒粗大,塑性、韧性下降,而且焊接热影响区较大,易产生焊接应力及变形;再者浪费材料增加成本。反之,焊缝过窄、焊脚尺寸过小,母材与焊缝可能熔合不良,引起应力集中,同时还使焊缝易产生咬边、裂纹等焊接缺陷,影响接头强度。因此正确确定焊缝尺寸是保证焊接质量的关键。吊斗铲铲斗裂纹一般都比较大,例如铲斗本体提梁根部裂纹,宽度150mmm、深度200mm、长度400mm,宜采用多层焊或多层多道焊,焊道打底时,需要使用直线型的焊接方法,对其上部填充层可选用斜锯齿形、斜环形焊接方法。
3.2焊丝选择
焊丝选用药芯焊丝,药芯焊丝是在焊丝内部装有焊剂或金属粉末混合物(称芯料),焊接时,在电弧热的作用下溶化状态的芯料、焊丝金属、母材金属和保护气体相互之间发生冶金反应。同时形成一层较薄的液态熔渣包覆熔滴并覆盖熔池,对熔化金属构成又一层保护。所以实质上这是一种气渣联合保护的焊接方法。选用直径为1.6毫米的TM-771Ni和LW-81Ni1两种药芯焊丝,由于VRC铲斗本体母材抗拉强度略高于TM-771Ni焊丝,低于LW-81Ni1焊丝,所以裂纹0-90毫米选用TM-771Ni焊丝进行焊接修复,厚度90-180毫米选用LW-81Ni1焊丝进行焊接修复,这样厚度0-90毫米的热影响区和厚度90-180毫米的热影响区的抗拉强度非常接近母材的抗拉强度,从而得到完美的过渡,保证焊缝质量。
3.3焊前准备工作
由于吊斗铲框架本体采用厚度为50毫米的焊达400钢板,填充采用厚度为30毫米的威达700钢板,所用结构件材料均采用强度较高的钢板。裂纹刨削、焊丝、焊接速度、焊接电压、焊接方式等,对焊接强度、焊接韧性、焊接成型、电弧稳定等焊接质量至关重要。
采用碳弧气刨方法将裂纹刨削出带钝边的V型坡口,刨削前加热VRC铲斗裂纹达到200℃以上。清理焊接部位周围的油漆、杂质等,使用角磨机对裂纹进行打磨,使其无夹碳无氧化皮。在裂纹背面铺贴背板,正反面铺贴加热板,直到裂纹周围1平方米的板材均达到200℃并持续加热。这些准备工作未完成之前不允许焊接。
3.4 焊接工艺及参数
选用CO2气体保护焊,由于CO₂气体保护焊的焊丝直径小,电流密度大,电弧穿透力强,熔深大而且焊丝的熔化效率高,所以熔敷速度快,其生产效率为焊条电弧焊的2~4倍。焊接变形小,由于CO₂气体保护焊的热量集中,产生的焊接变形小。能耗少,厚度为25mm的钢板对接焊缝,每米焊缝消耗的电能,CO₂焊是焊条电弧焊的40%左右。CO₂焊接厚板可以采用多层多道焊,厚度不受限制。抗锈能力强,CO₂气体保护焊焊出的焊缝中含氢量低,抗裂性好,是一种低氢焊接方法。机动灵活,操作简便,CO₂气体保护焊具有自动送丝系统和焊条电弧焊的机动性,又是明弧,便于监视和控制熔池及电弧有利于实现焊接过程的机械化和自动化。焊接综合成本低,CO₂气体是酿造厂和化工厂的副产品,来源广泛,价格低。 焊接电流200A,电弧电压30V,焊接速度控制在15-18m/min范围内,CO2气流量约为20L/min,焊丝伸出长度约为10mm。电源极性采用直流反接,回路电感0.30-0.70MH,焊枪角度倾角小于10°。采用多层多道堆焊焊接方法, 焊时注意温度监测,每一层焊道都必须用打渣器清理熔渣,同时减小残余应力。做好防风措施,如不慎出现气孔或夹渣,要停止施焊,利用气刨将气孔和夹渣清理干净再继续施焊。焊后保温6小时以上,然后撤除加热板缓慢冷却,直到与环境温度一致,然后将焊缝打磨光滑。焊修后若有条件需对焊缝按照工艺要求进行PT、MT、UT等无损检测。
3.5焊接注意事项
为了保证焊道无夹渣、气孔、等焊接缺陷,焊接前必须对焊接表面进行彻底清理,并对焊接区域进行加热保温;焊接过程中严格按照焊接工艺,发现有缺陷时及时清除补焊;露天焊接必须设置半封闭的操作间,以防止不稳定的空气流动对CO2气保焊造成的焊接缺陷;焊接后严格按照要求进行保温,以使焊接材料与母体材料的力学性能一致。
焊接防火是此项工作的重点防护内容,需严格按照焊机铭牌上标的数据使用焊机,不得超载使用;使用焊机前,应检查焊机接线是否正确,电流范围是否符合要求,外壳接地是否可靠,焊机内有无异物;定期检查焊机电路的状况以及焊机各处的绝缘性能,如有问题应及时排除;作业时需设专人监护,确保作业人员及周围环境安全。焊接或气刨的时候一定要清楚周围杂物,确保火星飞溅区域无易燃易爆设备或物资。对焊接切割作业下方应进行隔离,作业完毕后应做认真细致的检查,确认无火灾隐患后方可离开现场;加强检测,注意监护,要有严格的安全组织措施。
4 结束语
铲斗作为吊斗铲挖掘的关键机构,它的性能好坏直接影响吊斗铲的工作效率。所以对吊斗铲铲斗需加强日常维护保养,发现裂纹及时进行焊接修复,而且焊接修复必须根据设备性质、工作环境、材料应用等制定针对性的工艺,尽可能恢复设备的初始性能,减少类似故障的发生。此焊接修复工艺不仅可以降低工人的劳动强度,也可以有效提高吊斗铲铲斗使用寿命,提高设备生产效率。
参考文献:
[1]8750-65型迈步式吊斗铲维修手册.2006年10月.
[2]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册(第二卷)[M].北京:机械工业出版社.2007.
[3]张发,吊斗铲CQMS铲斗结构件框架设计改进[J].理论前沿,2019.
[4]张永强,吊斗铲导向轮导缆支架完全断裂组对焊接工艺[J].露天采矿技术,2012年第5期:60.