495HR電鏟鏟桿的飛機(jī)頭與桿體重組焊接工藝

　　摘要：文中簡要敘述將兩件已經(jīng)報(bào)廢的495HR電鏟鏟桿的飛機(jī)頭與桿體分離，可用部分按照尺寸加工、對(duì)接口加工坡口，主要論述鏟桿的飛機(jī)頭與桿體的對(duì)接校正的方法，圓形焊縫的焊接工藝及措施、應(yīng)力消除措施等內(nèi)容。

　　本文源自《科學(xué)與技術(shù)》2020年22期《科學(xué)與技術(shù)》雜志堅(jiān)持以科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的思想為宗旨。以馬克思列寧主義、毛澤東思想、鄧小平理論和“三個(gè)代表”重要思想為指導(dǎo)，促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的繁榮和發(fā)展，促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的普及和推廣，促進(jìn)科學(xué)技術(shù)人才的成長和提高，促進(jìn)科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的結(jié)合，致力為讀者打造成一份學(xué)術(shù)性、知識(shí)性和動(dòng)態(tài)性的雜志。

　　關(guān)鍵詞：碳弧氣刨、預(yù)熱、CO2氣體保護(hù)焊、超聲波探傷、Miller preheat-35中頻感應(yīng)加熱機(jī)

　　引言

　　BUCYRUS 495HR電鏟是國家能源哈爾烏素露天煤礦巖石剝離及煤炭開采的主要采掘設(shè)備。該電鏟為美國Bucyrus公司生產(chǎn)的大型單斗采掘設(shè)備，鏟斗容量為60.4m³，鏟斗通過鏟桿飛機(jī)頭處耳子與電鏟鏟斗頂部耳子通過銷子實(shí)現(xiàn)剛性連接，鏟桿桿體通過輔柄連接在電鏟大臂上，鏟桿與輔柄可以做滑動(dòng)動(dòng)作，通過推壓滾筒帶動(dòng)推壓大繩實(shí)現(xiàn)鏟斗的提拉和下壓動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電鏟挖貨和裝車功能。

　　一、對(duì)報(bào)廢鏟桿的可用部分進(jìn)行截取

　　現(xiàn)有報(bào)廢鏟桿兩件，一件為國產(chǎn)鏟桿，主要是飛機(jī)頭損壞，無法修復(fù)，但是桿體還能達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。另一件為原廠進(jìn)口鏟桿，損壞原因是桿體折斷，但是飛機(jī)頭可用。本著降本增效，節(jié)約成本，決定將兩件報(bào)廢鏟桿拆分后重新組合一件完好鏟桿。

　　首先，根據(jù)《VRsteel WELD PROCEDURE SPECIFICATION》94m³鏟斗組裝資料的要求，將兩件鏟桿的可用部分定位并劃線，使用碳弧氣刨對(duì)鏟桿切割分離，切記不能使用氧乙炔氣割直接切割分離，因?yàn)檠跻胰睬懈顭彷斎胼^高，會(huì)造成桿體金屬材質(zhì)的過熱現(xiàn)象，從而使金屬組織發(fā)生改變，造成晶粒粗大等現(xiàn)象，達(dá)不到鏟桿使用力學(xué)性能。

　　將分離后的桿體和飛機(jī)頭對(duì)接端面進(jìn)行尺寸校正，保證對(duì)接端面平齊，有尺寸偏差的利用碳弧氣刨找平，找平后再用碳弧氣刨將飛機(jī)頭對(duì)接端面制作加工坡口，并將飛機(jī)頭和桿體對(duì)接端面碳弧氣刨過的表面以及坡口兩側(cè)進(jìn)行打磨出金屬光澤，主要清除碳弧氣刨后的增碳層和鐵銹油污。為了飛機(jī)頭與桿體方便對(duì)接，特制作圓形內(nèi)襯套，襯套為20mm厚鋼板卷制而成，襯套外徑尺寸為桿體內(nèi)徑減50道，長度為600mm，先將襯套裝入桿體300mm并固定，外露300mm長度，為飛機(jī)頭對(duì)接時(shí)插入所用。(見圖1)

　　圖1：桿體側(cè)打磨和加裝的內(nèi)襯圈

　　二 鏟桿的飛機(jī)頭與桿體對(duì)接校正

　　由于桿體比較大，調(diào)整時(shí)比較難，因此，我們研究將比較長的桿體作為靜態(tài)狀態(tài)，利用體積較小的飛機(jī)頭做為動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)接桿體，即：

　　先制作兩個(gè)支撐件，支撐件下部是一塊20mm厚鐵板，在鐵板上垂直焊接切割出桿體半徑的立板，將桿體放置在半圓上，使圓柱形的桿體放置平穩(wěn)，在桿體圓端面的中心點(diǎn)做水平和垂直線，利用水平線和垂直線來確定桿體的中心線。

　　飛機(jī)頭的上部依照左右對(duì)稱來確定中心線，水平中心線通過圓端面中心點(diǎn)水平線和飛機(jī)頭卡箍耳子做水平中心線，以此確定飛機(jī)頭垂直中心線和水平中心線。

　　使用30噸叉車從飛機(jī)頭前端將飛機(jī)頭叉起，利用叉車的上升下降、前傾后傾、左移右移功能將飛機(jī)頭調(diào)整到水平位置，將飛機(jī)頭的垂直中心線對(duì)齊桿體的垂直中心線，向前移叉車進(jìn)行對(duì)接，利用叉車的怠速進(jìn)行前移，使襯套插入飛機(jī)頭圓孔內(nèi)，因?yàn)椴孳囻{駛室內(nèi)視線受阻，無法看清對(duì)接情況，需要人員在對(duì)接處仔細(xì)觀察，對(duì)叉車司機(jī)進(jìn)行指揮，通過不斷調(diào)整，將飛機(jī)頭插入到位。(見圖2)

　　圖2：鏟桿的飛機(jī)頭與桿體對(duì)接

　　飛機(jī)頭與桿體對(duì)接到位后，使用紅外線水平儀對(duì)鏟桿的角度進(jìn)行校正，首先，先調(diào)整垂直中心線，利用紅外線一根直線的原理，通過叉車左移右移將飛機(jī)頭的垂直中心線與桿體的垂直中心線調(diào)整在一條直線上，即與紅外線重合。在利用叉車的上下功能來調(diào)整飛機(jī)頭與鏟桿的水平中心線，垂直中心線和水平中心線調(diào)整好后，即鏟桿尺寸找正。

　　尺寸找正后，使用丙烷加熱固定點(diǎn)焊接處，溫度150℃以上，使用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行固定焊，因?yàn)楣潭ê更c(diǎn)在后期的正式焊接中不去除，所以固定焊必須按照正式焊接要求焊接，固定焊焊接完成后，還需將固定焊的兩端使用角磨機(jī)打磨出斜坡，以提高后期焊接接頭時(shí)的接頭質(zhì)量，避免出現(xiàn)未焊透、夾渣等缺陷。固定焊為三點(diǎn)，分別為六點(diǎn)位置、十點(diǎn)位置、兩點(diǎn)位置，固定焊長度為200mm，采用多層多道焊接，焊接三層至四層，以保證固定剛性。在固定焊完成后，在使用紅外水平儀對(duì)鏟桿的垂直中心線和水平中心線在進(jìn)行復(fù)檢，確保在固定焊時(shí)未發(fā)生尺寸變化。

　　三 焊接工藝

　　焊接過程中涉及到焊接位置、均勻分布焊接應(yīng)力、控制預(yù)熱溫度和焊縫層間溫度、高質(zhì)量焊接、高焊接效率等問題。鏟桿屬于大直徑大厚度的鋼管焊接，(厚度為80mm直徑900mm)，根據(jù)BUCYRUS公司提供的焊接工藝并結(jié)合焊接495HR電鏟行走支架裂紋焊接經(jīng)驗(yàn)制定出詳細(xì)的焊接工藝。

　　焊接方法：CO2氣體保護(hù)焊焊接，全位置焊接，采用多層多道焊接方法。

　　焊材：美國赫伯特TM-771藥芯焊絲

　　焊接設(shè)備及焊接參數(shù)：使用Miller Dimension.TM.812焊機(jī)及配套移動(dòng)送絲機(jī)，用純度高于99.95%的CO2氣體為焊接保護(hù)，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

　　表1焊接參數(shù)如下

　　焊接厚度(mm)焊絲直徑(mm)電弧電壓(V)送絲速度(m/min)氣體流量(L/min)電流

　　(A)

　　801.620~26160~19020160~190

　　焊前預(yù)熱與焊后熱處理：合理選擇焊前預(yù)熱、焊后熱處理是大型結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)的重要工藝步驟。此次為厚壁圓形焊道，焊道為全位置焊接，非常適合使用Miller preheat-35中頻感應(yīng)加熱設(shè)備，Miller preheat-35中頻感應(yīng)加熱設(shè)備是無熱源加熱，被加熱工件溫度提升均勻，設(shè)定好加熱溫度后可以在焊接全程保持恒溫，焊接過程中無需停機(jī)，不影響焊接作業(yè)，因?yàn)闊o熱源加熱，所以對(duì)人員不會(huì)產(chǎn)生熱影響，Miller preheat-35中頻感應(yīng)加熱設(shè)備加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，使用輕便，只需在焊縫兩側(cè)150-200mm范圍內(nèi)，將Miller preheat-35中頻感應(yīng)加熱設(shè)備加熱導(dǎo)管均勻的纏腰在焊縫兩側(cè)，只需纏繞三圈以上即可。(見圖3)焊接前將Miller preheat-35中頻感應(yīng)加熱設(shè)備設(shè)定為焊前預(yù)熱模式，預(yù)熱溫度為230℃，升溫時(shí)間為2小時(shí)，預(yù)熱溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后保持恒溫，并保持整個(gè)焊接作業(yè)過程，焊接層間溫度控制在300℃以內(nèi)，待焊接完成后，將Miller preheat-35加熱設(shè)備設(shè)定為焊后熱處理模式，加熱溫度設(shè)定為290℃并保持兩小時(shí)隨后降溫處理，降溫時(shí)間為6小時(shí)，以達(dá)到緩冷的目的。

　　圖3：焊前預(yù)熱和焊后熱處理

　　焊接：

　　使用一臺(tái)焊機(jī)進(jìn)行打底層焊接，打底層焊接完畢后立即使用風(fēng)動(dòng)扁鏟敲擊焊縫，一方面是有效清除藥皮等焊縫處飛濺等雜物，另一方面是能有效的將焊縫的焊接應(yīng)力得到良好的釋放。如果發(fā)現(xiàn)焊縫發(fā)生裂紋等缺陷，使用角磨機(jī)或直磨機(jī)對(duì)缺陷進(jìn)行磨削清除，在進(jìn)行修補(bǔ)焊接。

　　打底層焊接完畢后，開始使用兩臺(tái)焊機(jī)分別在全位置焊的兩側(cè)進(jìn)行同時(shí)焊接，在焊接起頭時(shí)，兩側(cè)焊接起頭都應(yīng)超過最低點(diǎn)六點(diǎn)鐘位置100mm處起頭，這樣能有效的將焊縫接頭錯(cuò)開，每焊接完一層后，都將對(duì)焊縫出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行處理，比如起頭有高點(diǎn)、有焊溜、氣孔、夾渣等缺陷，都將用角磨機(jī)將缺陷清除，兩側(cè)焊接完每一層后都得用風(fēng)動(dòng)扁鏟對(duì)焊縫進(jìn)行敲擊。

　　全部焊接完畢后，使用Miller preheat-35中頻感應(yīng)加熱設(shè)備對(duì)焊縫進(jìn)行焊后熱處理，等待處理結(jié)束后，溫度降至正常空氣溫度后，利用角向磨光機(jī)對(duì)焊縫余高進(jìn)行打磨處理，消除焊趾避免應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生，使焊縫焊接應(yīng)力分布均勻，細(xì)化焊縫晶粒，減少焊接應(yīng)力。

　　焊接應(yīng)力釋放：

　　釋放焊縫部位形成的焊接應(yīng)力是提高焊接質(zhì)量以及延長日后鏟桿使用壽命的關(guān)鍵步驟，此次采取了一下幾種消除焊縫焊接應(yīng)力。

　　焊接前對(duì)焊接部位進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度保持到焊接結(jié)束，焊接結(jié)束后對(duì)焊縫進(jìn)行焊后熱處理，目的在于消除殘余應(yīng)力，細(xì)化晶粒，調(diào)整組織。

　　嚴(yán)格控制焊縫成形過程中的熱輸入線能量，熱輸入值Q=1.5KJ/mm-1.7KJ/mm。

　　焊接過程中，每焊接一道焊縫后必須采用針束風(fēng)動(dòng)扁鏟對(duì)焊縫進(jìn)行敲擊，使焊縫表面出現(xiàn)麻點(diǎn)，以消除部分的焊縫焊接應(yīng)力。

　　探傷：在焊接完畢焊縫打磨平整后，使用超聲波探傷對(duì)焊縫進(jìn)行超聲探傷，確保焊縫內(nèi)缺陷在要求范圍內(nèi)，無破壞性缺陷，確認(rèn)焊接成功。

　　總結(jié)

　　本次利用報(bào)廢鏟桿重新修復(fù)一件鏟桿的工作中，克服了很多困難，在尺寸校正、焊接、焊前預(yù)熱、焊后熱處理等方面取得了進(jìn)步，不僅提高了維修人員的技能水平，還積累了類似問題的維修經(jīng)驗(yàn)，在以后此類維修工作中具有一定的參考價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]《VRsteel WELD PROCEDURE SPECIFICATION》94m³鏟斗組裝資料。

　　[2]《495HR Operator Manual CHN FINAL-1》495HR電鏟相關(guān)資料。