淺談水平刮板機(jī)減速機(jī)底座的破損修復(fù)

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姓名：王明生單位：華亭煤礦

摘要：文章介紹了焊接修復(fù)煤礦井下水平刮板機(jī)底座裂紋的全過程。針對(duì)破損的實(shí)際狀況選擇處理方案，采用合理、有效的工藝措施，在華亭煤礦井下得到了較理想的應(yīng)用。

華礦井下40T水平刮板機(jī)采用三級(jí)減速機(jī)。即電動(dòng)機(jī)傳遞液力偶合器帶動(dòng)鏈輪傳動(dòng)的工作原理。其中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為每秒1470轉(zhuǎn),電壓380V—660V，減速機(jī)速度為1；24.56轉(zhuǎn)，刮板機(jī)速度為0.86W/s。由于刮板機(jī)內(nèi)部鏈條原因，導(dǎo)致減速機(jī)底座四個(gè)地腳螺絲孔處經(jīng)常斷裂,底板發(fā)生裂紋，所以對(duì)該減速機(jī)底座進(jìn)行焊接修復(fù)。

一、缺陷狀況及失效分析（一）水平刮板機(jī)底座的斷裂狀況

水平刮板機(jī)底座四個(gè)地腳螺絲孔處兩個(gè)斷裂,底板裂紋有兩處,斷塊尺寸270mm×250mm×70mm,裂紋分布范圍550mm×800mm，裂紋最長(zhǎng)達(dá)760mm，深度達(dá)5mm，底座微弱變形，裂縫兩側(cè)錯(cuò)位0.5mm。水平刮板機(jī)減速機(jī)材料為灰口鑄鐵HT200（HT15－33），從恢復(fù)減速機(jī)精度考慮，采用了鎳基焊條電弧冷焊工藝。

（二）失效分析

水平刮板機(jī)底座在使用中本身受到的拘束度較大。因刮板機(jī)機(jī)運(yùn)行速率不定，減速機(jī)運(yùn)行過程中承受交變載荷作用。工件本身存在制造缺陷,在加強(qiáng)筋邊緣與底板連接之處存在應(yīng)力集中。運(yùn)行中,由于大拘束度及交變載荷作用,預(yù)應(yīng)力集中處發(fā)生破壞,形成裂紋,逐步擴(kuò)展至筋板處,發(fā)生斷裂。

二、修復(fù)方案選擇材料的技術(shù)性能參數(shù)

（1）HT15233的化學(xué)成分：C2.7-3.5,Si1-2.7，Mn0.5-1.2,P小于0.3，S小于0.15。

（2）HT15233r的性能參數(shù):抗拉強(qiáng)度147N/mm2,抗彎強(qiáng)度323.4N/mm2,硬度163—229HB，延伸率小于0.5％，抗沖擊值小于

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0.8J/mm2

三、灰口鑄鐵的可焊性分析

灰口鑄鐵是鑄鐵中的一種，灰口鑄鐵的碳以片狀石墨的形式分布于鑄鐵基體中，斷面呈暗灰色，故稱灰口鑄鐵。由于片狀的石墨割裂了鑄鐵的基體組織，因此，灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度低，缺乏塑性。由于鑄鐵的固有性質(zhì)及冶金特性,給電弧焊帶來了極大的困難,具體如下:（1）在焊補(bǔ)灰口鑄鐵時(shí)，經(jīng)常會(huì)在熔合區(qū)生成一層白口組織。產(chǎn)生白口組織的原因是：由于母材近縫區(qū)在焊接時(shí)受到高溫加熱，當(dāng)受熱溫度860℃以上時(shí)，原來灰口鑄鐵中的游離狀態(tài)的石墨開始部分也熔于鐵中，溫度越高，熔于鐵中的石墨也越多。當(dāng)冷卻時(shí)，一般認(rèn)為在30-100℃/s的急速冷卻條件下，熔于鐵中的碳來不及以石墨形式析出，而呈滲碳體出現(xiàn)，即所謂白口。另外。在焊接熔池中的石墨化元素碳，硅等不足也是產(chǎn)生白口的主要原因。一般在窄小的高溫度熔合區(qū)內(nèi)，焊后很簡(jiǎn)單產(chǎn)生白口組織。白口組織硬而脆，使得焊縫在焊后難以機(jī)械加工，甚至?xí)?dǎo)致開裂。防止白口產(chǎn)生主要措施是適當(dāng)調(diào)整填充金屬的化學(xué)成分和冷卻速度。改善焊縫技術(shù)的化學(xué)成分，增加石墨化元素的含量，可以在一定條件下防止焊縫金屬產(chǎn)生白口。例如氣焊用鑄鐵焊絲的碳，硅含量要比母材高（C3.0％－3.8％，Si3.6%-4.8%）特別是冷焊灰口鑄鐵時(shí)，焊絲中的含硅量可高達(dá)4.5％焊后緩冷和延長(zhǎng)熔合區(qū)處于紅熱狀態(tài)的時(shí)間，使石墨充分析出，這是避免熔合區(qū)產(chǎn)生白口的主要工藝途徑。采取的具體措施是焊前預(yù)熱和焊后保溫。由于氣焊時(shí)冷卻速度較慢。因此。對(duì)于防止白口極為有力。（2）鑄鐵組成成分中,碳的含量高,在焊接過程中碳易被氣化,簡(jiǎn)單產(chǎn)生氣孔。

（3）鑄鐵強(qiáng)度高,塑性差,焊接時(shí)剩余應(yīng)力大,易產(chǎn)生焊接熱裂紋。

（4）鑄鐵中C、S、P等元素含量高,并在焊接過程中熔化到焊縫中,會(huì)增加金屬的硬度,降低塑性和韌性,易產(chǎn)生裂紋,并降低可加工性。

（5）鑄鐵在冶煉過程中,易出現(xiàn)石墨粗大化,石墨與基體產(chǎn)生間隙,使鑄件在使用過程中油、水滲入形成氧化物,嚴(yán)重阻礙焊接時(shí)的熔

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合,同時(shí),增加產(chǎn)生焊接裂紋和氣孔的可能性。

（6）鑄鐵在焊接熔化時(shí),液態(tài)金屬滾動(dòng)性很差,嚴(yán)重阻礙焊接時(shí)的熔合,熔池中熔渣和有害氣體難以逸出,會(huì)在焊縫中產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷。針對(duì)以上不利因素,必需從焊接工藝、操作方法、焊接程序、焊接材料幾方面加以解決。

四、焊接方法的選擇（1）冷焊法.

電弧焊冷焊法就是焊件在焊前不預(yù)熱,焊接過程中也不輔助加熱,因此可以加速焊補(bǔ)生產(chǎn)率,降低成本,改善勞動(dòng)條件,減少焊件因預(yù)熱時(shí)受熱不均勻而產(chǎn)生的變形和焊件已加工面的氧化.目前冷焊法正在推廣,并迅速發(fā)展.但是冷焊法在焊接后因焊縫及熱影響區(qū)的冷卻速度很大,極易形成白口組織.此外因焊件受熱不均勻,常形成極大的內(nèi)應(yīng)力,會(huì)造成裂紋,在冷焊時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

①焊前應(yīng)完全清理油污,裂紋兩端要打上裂孔,加工的坡口形狀要保證便于焊補(bǔ)及減少焊件的熔化量。

②采用鋼芯或鑄鐵芯的以外的焊條,小直徑焊條應(yīng)盡量用小的焊接電流,以減少內(nèi)應(yīng)力和熱影響區(qū)的寬度。

③采用短焊道焊接法.一般每次焊10-40mm,待其充分冷卻后再焊。

④采用分段倒退焊.這樣可以降低拉應(yīng)力,對(duì)防裂有好處。⑤每項(xiàng)焊一短焊道后,用圓頭錘沿焊逢向外錘擊。（2）熱焊法

熱焊法是在焊接前將焊件全部或局部加熱到600-700℃，并在焊接過程中保持一定溫度，焊后在爐中緩冷的焊接方法。用熱焊法時(shí)，焊件冷卻緩慢，溫度分布均勻，有利于消除白口組織，減少應(yīng)力，防止產(chǎn)生裂紋。但熱焊法成本高，工藝繁雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，焊接時(shí)勞動(dòng)條件差，因此應(yīng)盡量少用。

考慮到?jīng)]有適合的加熱裝備,故采用手工電弧冷焊法修復(fù)。冷焊法是指用不預(yù)熱、嚴(yán)格控制層間溫度、小線能量的焊接方法進(jìn)行焊接。

五、焊接材料的選擇

（一）焊條的種類與牌號(hào)好多，選用的是否恰當(dāng)將直接影響焊接

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質(zhì)量、生產(chǎn)率和產(chǎn)品成本。選用考慮到以下因素：

（1）根據(jù)焊件的金屬材料種類選用相應(yīng)的焊條種類。例如，焊接碳鋼或普通低合金鋼，應(yīng)選用結(jié)構(gòu)鋼焊條；焊接不銹鋼或耐熱鋼等有特別性能要求的鋼材，應(yīng)選用相應(yīng)的專用焊條，以保證焊縫金屬的主要化學(xué)成分和性能與母材一致。

（2）焊縫金屬要與母材等強(qiáng)度，可根據(jù)鋼材強(qiáng)度等級(jí)來選用相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)的焊條。對(duì)異種鋼焊接，應(yīng)選用與強(qiáng)度等級(jí)低的鋼材相適應(yīng)的焊條。

（3）同一強(qiáng)度等級(jí)的酸性焊條或堿性焊條的選用，主要考慮焊件的結(jié)構(gòu)形狀、鋼材厚度、載荷性能、鋼材抗裂性等因素。例如，對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀繁雜、厚度大的焊件，因其剛性大，焊接過程中有較大的內(nèi)應(yīng)力，簡(jiǎn)單產(chǎn)生裂紋，應(yīng)選用抗裂性好的低氫型焊條；在母材中碳、硫、磷等元素含量較高時(shí)，也應(yīng)選用低氫型焊條；承受動(dòng)載荷或沖擊載荷的焊件應(yīng)選擇強(qiáng)度足夠、塑性和韌性較高的低氫焊條。如焊件受力不繁雜，母材質(zhì)量較好、含碳量低，應(yīng)盡量選用較經(jīng)濟(jì)的酸性焊條。（二）綜合考慮以上因素，具體決定選用兩個(gè)型號(hào)的焊條協(xié)同使用，選用原則及方案如下：

HT15233的可焊性較差且底座的下表面為加工表面,為保證焊接質(zhì)量及下表面的可加工性宜采用純鎳基焊條Z308進(jìn)行焊接。Z308是純鎳焊芯、強(qiáng)還原性石墨型藥皮的鑄鐵焊條，具有良好的抗裂性能和加工性能。J507是低氫鈉型焊條，它是一種堿性焊條，其抗拉強(qiáng)度相對(duì)于HT15233等普通焊條大得多。

但Z308焊條價(jià)格昂貴,為儉約費(fèi)用,可采用以Z308焊條焊隔離層、J507焊條與Z308焊條相互填充、Z308焊條蓋面的方法進(jìn)行修復(fù),這樣既可降低成本又可保證焊接質(zhì)量及下表面的可加工性能。Z308焊條的機(jī)械性能：焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度，不小于245N/mm2；對(duì)接強(qiáng)度范圍，147Nmm2—196Nmm2；焊縫硬度，130—170HV；熱影響區(qū)硬度/HB，不大于250/HB（三）焊接坡口形式的選擇

焊接前把兩焊件間的待焊處加工成所需的幾何形狀的溝槽稱為坡口。坡口的作用是為了保證電弧能深入焊縫根部，使根部能焊透，

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便于清除熔渣，以獲得較好的焊縫成形和保證焊縫質(zhì)量。坡口加工稱為開坡口，常用的坡口加工方法有刨削、車削和乙炔火焰切割等。坡口型式應(yīng)根據(jù)被焊件的結(jié)構(gòu)、厚度、焊接方法、焊接位置和焊接工藝等進(jìn)行選擇；同時(shí)還應(yīng)考慮能否保證焊縫焊透、是否簡(jiǎn)單加工、節(jié)省焊條、焊后減少變形以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等問題。

坡口包括斜邊和鈍邊，為了便于施焊和防止焊穿，坡口的下部都要留有2mm的直邊，稱為鈍邊。焊件厚度小于6mm時(shí)，在接縫處留出0～2mm的間隙即可。工件較厚時(shí)，要采用多層焊才能焊滿坡口，假使坡口較寬，同一層中還可采用多道焊。多層焊時(shí)，要保證焊縫根部焊透。第一層焊道應(yīng)采用直徑為3～4mm的焊條，以后各層可根據(jù)焊件厚度，選用較大直徑的焊條。每焊完一道后，必需細(xì)心檢查、清理，才能施焊下一道，以防止產(chǎn)生夾渣、未焊透等缺陷。焊接層數(shù)應(yīng)以每層厚度小于4～5mm的原則確定。當(dāng)每層厚度為焊條直徑的0.8～1.2倍時(shí)，生產(chǎn)率較高。（四）焊條直徑的選擇

手弧焊工藝參數(shù)的選擇一般是先根據(jù)工件厚度選擇焊條直徑，然后根據(jù)焊條直徑選擇焊接電流。

焊條直徑應(yīng)根據(jù)鋼板厚度、接頭型式、焊接位置等來加以選擇。在立焊、橫焊和仰焊時(shí)，焊條直徑不得超過4mm，以免熔池過大，使熔化金屬和熔渣下流。（五）焊接速度的選擇

焊接速度是指單位時(shí)間所完成的焊縫長(zhǎng)度。它對(duì)焊縫質(zhì)量影響也很大。焊接速度由焊工憑經(jīng)驗(yàn)把握，在保證焊透和焊縫質(zhì)量前提下，應(yīng)盡量快速施焊。工件越薄，焊速應(yīng)越高。裂紋處按非加工面再加工面的次序施焊，斷塊處先焊筋板側(cè),保證焊透,再從另一側(cè)清根施焊，后焊筋板。

六、焊前準(zhǔn)備

焊接前要對(duì)所有焊接部位進(jìn)行完全清理,清除所有結(jié)疤、油污等缺陷因素,然后再開始焊接準(zhǔn)備。（一）裂紋處焊接準(zhǔn)備：

表面清理清白后,用角向拋光機(jī)修磨裂紋處至磨出所要求的雙U型坡

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口。修磨時(shí)要求消除所有裂紋傾向,坡口邊緣平滑過渡,鈍邊、間隙以單邊能焊透為準(zhǔn)。（二）斷塊處焊接準(zhǔn)備

兩斷塊斷裂口處形狀基本規(guī)則,表面清理后用角向拋光機(jī)將斷口按坡口所要求形狀、尺寸修磨成雙U型坡口,鈍邊、間隙以單邊能焊透、另一側(cè)以清根為準(zhǔn),然后按尺寸在劃線平臺(tái)上將斷塊與水平刮板機(jī)減速機(jī)底座本體組對(duì)、點(diǎn)固。

七、焊接

水平刮板機(jī)底座焊接熔敷量較大,為減小焊接應(yīng)力及焊接變形,保證焊接質(zhì)量,焊接時(shí)環(huán)境溫度保證在20℃以上,假使溫度過低則中止焊接。為防止穿堂風(fēng),在施焊時(shí)搭設(shè)圍篷以防風(fēng)保溫。焊接時(shí)先焊裂紋,然后再焊斷裂塊。焊裂紋時(shí)先焊兩螺絲孔中間的裂紋,焊完后再焊外側(cè)裂紋。

（一）焊前預(yù)熱和焊后緩冷的措施

焊前將焊件整體或局部預(yù)熱和焊后緩冷不但能減少焊縫的白口傾向，并能減小焊接應(yīng)力和防止焊件開裂。選用塑性較好的焊接材料，如用鎳,銅,鎳銅,高釩鋼等作為填充金屬，使焊縫金屬可通過塑性變形松弛應(yīng)力，防止裂紋；用小電流，斷續(xù)焊，分散焊的方法可減小焊縫處和基本金屬的溫度差而減小焊接應(yīng)力；通過錘擊焊縫可以消除應(yīng)力，防止裂紋。使焊縫冷卻時(shí)能補(bǔ)受阻礙底自由收縮，從而避免用力過大而導(dǎo)致裂紋。當(dāng)溫度高于600℃時(shí),由于產(chǎn)生于一定的塑性變形.而使部分內(nèi)應(yīng)力得到消除,一般在600℃以上焊接時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋。

（1）焊接前,Z308焊條要150℃烘干1h,J507要250℃烘干2h,烘干后放入保溫桶中保溫,隨用隨取。

（2）每次焊接時(shí)都將焊道放置在水平位置,以利于操作。（3）焊接時(shí)采用短道、快速、不擺條、斷續(xù)、分散焊法,每段長(zhǎng)度不超過30mm,收弧時(shí)要填滿弧坑。

（4）焊完一道馬上用鈍頭小錘錘擊整個(gè)焊道以釋放焊接應(yīng)力,錘擊速度要