刮板輸送機中部槽高效雙絲焊接工藝技術研究

董曼淑，王鳳領，彭春濤

（寧夏天地奔牛實業集團有限公司，寧夏 石嘴山 753001）

0 引 言

刮板輸送機是井下煤炭運輸的重要設備。中部槽是刮板輸送機的機身主體，是大批量、關鍵部件。中部槽由兩個鑄造槽幫、中底板及齒軌座附件組焊而成。鑄造槽幫和中、底板組件（在此拋開齒軌座附件不談）由左、右對稱的共6 條直焊縫組成，中部槽中板為對接焊縫，底板為角焊縫。中部槽中板焊縫采用50°X 形對接焊縫和傳統的單絲MAG 焊焊接工藝，隨著板厚的增加，導致中部槽焊接生產效率大幅降低。

隨著我國煤碳產業的整合、發展，煤機裝備重型化發展步伐加快，煤機產品需求逐年增加，生產周期日趨縮短，因此，研究中部槽的高效焊接工藝不僅可以提高中部槽的焊接效率，還可以提高其焊接質量，提升企業的經濟效益和市場競爭力。

目前，高效焊接主要通過減少焊接熔敷量和高速焊接工藝兩種形式［1］來實現。其中減少焊接熔敷量可采用減小焊縫橫截面積的方法，如窄間隙焊接等；高速焊接工藝是在提高焊接速度的同時提高焊接電流，以維持焊接熱輸入大體上保持不變，如雙絲、多絲弧焊技術、復合及多熱源焊接技術等。

中部槽中板焊縫為50°X 形對接焊縫，隨著板厚的增加，焊接熔敷量增大，采用傳統的單絲MAG 焊焊接效率低。針對中部槽結構簡單、焊縫規則的特點，考慮從減少焊接熔敷量和高速焊接工藝兩方面著手研究提高中部槽的焊接生產效率。

1 減少焊接熔敷量的高效焊接工藝研究

焊接坡口形式影響焊接熔敷量和焊接接頭的質量與焊接效率。焊接坡口小，焊接熔敷量少，焊接生產效率高，容易造成接頭根部未熔合、未焊透、氣體保護不良等焊接缺陷；焊接坡口大，焊接熔敷量多，焊接生產效率低，不僅浪費焊材，而且焊縫金屬容易造成組織粗大等缺陷［2-3］，所以合理的焊接坡口形式，不僅能提高焊接生產效率，而且還能有效地提高焊接接頭的質量。中部槽中板焊縫為50°X 形對接焊縫，隨著中板的增厚（30~60 mm），其焊接工作量增大，焊接效率降低，且隨之而來的還有焊接變形的增大等問題。因此，需要通過焊接熔透性試驗優化中板焊縫坡口形式來提高焊接質量和效率。

1.1 不同坡口形式的焊接熔透性試驗研究

焊接坡口的形式由坡口形狀、角度、鈍邊及焊接間隙4 方面因素構成［4］，見圖1。

每個因素的變化均會帶來焊接坡口截面積的變化，進而影響焊接質量和效率。因此，采用不同的坡口形狀、角度、鈍邊和焊接間隙的試樣分別進行焊接熔透試驗。試件尺寸匹配見表1。

圖1 中部槽坡口形式

表1 焊接熔透性試驗試件尺寸匹配

1.1.1 試驗設備、材料、方法及參數（試驗模擬中部槽焊接）

1）試驗設備：YD-500A 形水冷焊機、自動焊接小車。2）試驗材料：母材ZG30SiMnA、NM400；焊絲ER69-G φ1.2 mm。3）試驗方法：采用單絲熔化極富氬混合氣體保護焊（即單絲MAG 焊）。焊接參數見表2。

表2 不同坡口形式焊接熔透性試驗焊接參數

表3 不同坡口形式的焊接熔透性試驗檢測結果（部分）

1.1.2 焊后檢驗

1）焊縫外觀檢測：檢測工具使用焊口檢測尺、鋼板直尺［5］，檢測結果見表3（部分試樣）。2）焊縫內部檢測：取樣：沿焊道長度方向任意位置取6 處切斷，試樣經加工、拋光后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后觀察焊道截面熔合情況。

檢測工具使用5 倍放大鏡、鋼板直尺［5］，焊接熔透性檢測結果，見表3（部分試樣）。焊縫內部檢測結果為：焊道表面均無裂紋、咬邊、夾渣等缺陷，焊縫接頭熔合情況良好，焊縫無未焊透、氣孔、夾雜等肉眼可見的缺陷。

1.1.3 試驗結果分析

本批共采用了不同坡口形狀、角度、鈍邊和焊接間隙的20 余件試樣分別進行了焊接熔透試驗。對焊道截面切片進行觀察可以得出：1）X 形坡口角度為36°、鈍邊6～8 mm、間隙大于1.8 mm 的條件下，可保證焊縫根部熔透，但在實際生產中，很難控制裝配間隙，為保證焊縫可靠熔透，鈍邊可控制在4～6 mm 之間；2）K 形坡口角度為32°、鈍邊4 mm、間隙大于1 mm 時，焊縫根部熔合良好，但在焊接過程中，該坡口對焊絲的指向位置和角度控制要求較高；3）單邊U 形坡口形式有利于根部熔合，在根部不留間隙的情況下也能夠完全熔透，鈍邊4 mm、坡口斜面角度可在23°～30°之間選擇，但該坡口需采用機械加工獲得，影響產品總的生產效率。

綜上所述，采用鈍邊4 mm、坡口角度36°的X 形坡口，坡口易于氣割加工，焊接過程易于操作，焊接接頭熔合良好，可以確定為優化的中板坡口形式。

1.2 優化的36°X 形坡口焊接接頭金相分析

采用金相顯微鏡放大500 倍觀察36°X 形坡口焊接接頭，見圖2

圖2 焊縫及熱影響區金相組織

焊縫金屬金相組織為鐵素體+珠光體；熱影響區金相組織為“索氏體+少量鐵素體”，并且金相組織細小良好，無過熱、過燒等不良組織［6］，滿足中部槽焊接接頭金相組織要求。

1.3 優化的36°X 形坡口焊接效率分析

以板厚為45 mm 的中板為例，36°X 形坡口與原50°X形坡口橫截面尺寸，見圖3。

圖3 36°X 形坡口與50°X形坡口橫截面對比

對比得知：36°X 形坡口橫截面為354 mm2,50°X 形坡口橫截面為473 mm2,36°X 形坡口的截面積縮小（1-354/473）×100%=25.2%，即：減少25.2%的焊接熔敷量，同樣提高焊接生產效率25.2%。

2 中部槽高速高效焊接工藝研究

目前，單絲MAG 焊接工藝，以其操作簡單、焊接質量穩定等優點［7］，廣泛應用于中部槽產品的焊接，但是，單絲MAG 焊熔敷速度慢，隨著板厚的增加，焊接填充量增大，導致生產用時增加，影響中部槽的焊接生產效率。針對中部槽結構簡單、焊縫規則的特點和中部槽異種鋼母材的低合金高強度的材料特性，適宜采用高效雙絲熔化極富氬混合氣體保護焊焊接工藝［7-8］。

雙絲MAG 焊，是由兩套相互獨立的焊接電源、控制和送絲系統組成。兩根焊絲從被安裝在一個焊槍噴嘴內的相互之間絕緣的兩個導電嘴中送出，形成一個熔池，兩套焊接系統既獨立運行，完成各自的焊接過程程序控制，同時又需要相互協同工作，以利于電弧和焊接過程的穩定。雙絲MAG 焊焊接速度（12～15 mm/s）快，焊接熱輸入量相對較高［7］。由于焊接線能量和層間溫度的變化將影響焊接熱循環過程和焊接接頭的力學性能，因此，有必要對雙絲MAG 焊的熔敷金屬力學性能和焊接接頭力學性能進行焊接工藝研究，為制定合理的焊接工藝提供依據。

2.1 焊接熔敷金屬試驗研究

根據焊材與母材強度低匹配原則［9］（抗拉強度≥較低母材的75%），選擇70 kg 級焊絲，進行雙絲MAG 焊的熔敷金屬試驗。試驗根據熔敷金屬的塑、韌性能確定合理的焊接線能量，進而確定雙絲MAG 焊的焊接工藝參數。

焊接線能量是考量焊接電流、電壓和焊接速度對焊接熱循環的影響情況，焊接線能量越大焊縫中合金元素越容易燒損，塑韌性越差。雙絲MAG 焊線能量計算公式［10］：

Q=2ηIU/υ×1 000。

式中：Q 為線能量，kJ/mm；I 為焊接電流，A；U 為電弧電壓，V；υ 為焊接速度，mm/s，η 為熱效率，電弧焊η=0.7～0.8。2.1.1 焊接熔敷金屬試驗條件

1）焊材：ER69-G，φ1.2 mm；2）試驗方法：雙絲熔化極富氬混合氣體保護焊（即雙絲MAG 焊）；3）試驗按照GB8110 標準執行［11］。

2.1.2 焊接熔敷金屬試驗結果見表4。

表4 中，通過不同的預熱溫度、焊接電流、電壓及焊接速度，所得到的熔敷金屬抗拉強度平均值為744.8 MPa，滿足抗拉強度≥690 MPa 即：與母材強度低匹配要求。

表4 雙絲MAG焊熔敷金屬試驗及對應的力學性能

由表4 可得：熔敷金屬抗拉強度均大于713 MPa，伸長率在16.8%～23.8%范圍，沖擊吸收功在118.25～169.54 J，實驗結果均滿足中部槽焊接熔敷金屬力學性能要求。

從表4 看出，雙絲焊的線能量在1.04～1.50 J/mm 范圍時，可獲得塑/韌綜合性能最佳的熔敷金屬，對應的焊接參數為：焊接電流280～300 A，焊接電壓28～32V，焊接速度為10～15 mm/s。

2.2 雙絲MAG 焊焊接接頭力學性能試驗研究

雙絲MAG 焊的接頭力學性能試驗采用試驗得出的36°X 形坡口形式、熔敷金屬試驗確定的焊接參數和125 ℃、155 ℃兩種預熱溫度，并與傳統的單絲MAG 焊焊接接頭力學性能進行對比試驗，其余試驗條件見表5。

表5 焊接接頭力學性能試驗條件

試驗按照GB2651 和GB2650 標準執行［11］，試驗結果見表6。

表6 雙/單絲MAG焊的接頭力學性能對比試驗結果

雙絲MAG 焊焊接接頭力學性能試驗數據分析：

1）在125 ℃、155 ℃兩種預熱溫度條件下，雙絲MAG焊的焊接接頭強度均高于單絲焊接70～80 MPa；

2）單/雙絲MAG 焊的伸長率均在8%～12%，表明預熱溫度和焊接方法的差異對焊接接頭的塑性沒有明顯影響；

3）對焊接接頭沖擊試驗試驗數據分析，不同焊接參數的雙絲MAG 焊焊接接頭沖擊韌性平均值均高于單絲MAG 焊。

綜上所述：采用36°X 形坡口，預熱155 ℃，焊接電流280～300 A，電壓28～32V，焊接速度為10～15 mm/s 時，雙絲MAG 焊焊接接頭的力學性能高于單絲MAG 焊，并且滿足中部槽的焊接接頭力學性能要求。

2.3 雙絲MAG 焊焊接效率分析

采用相同的坡口形式進行單/雙絲MAG 焊焊接速度對比分析。

由于焊接試件焊縫的熔敷金屬量相同，所以，以焊接試驗的實際焊接用時（實際焊接用時是指試板從開始焊接到焊接完成的全過程，包含了焊接輔助時間）做焊接速度的定性比對。單/雙絲MAG 焊焊接速度的對比結果，見表7。

表7 雙、單絲MAG 焊的焊接速度的對比

通過表7 單/雙絲MAG 焊焊接速度和焊接過程中實際焊接用時數據分析得出：雙絲MAG 焊平均焊接速度是單絲MAG 焊的2.34 倍，即雙絲MAG 焊焊接生產效率比單絲MAG 焊焊接生產效率提高了234%。

3 結 論

1）采用36°X 形坡口形式，預熱155 ℃，焊接電流280～300 A，焊接電壓28～32 V，焊接速度為10～15 mm/s 時，雙絲MAG 焊接頭的力學性能高于單絲MAG 焊，并且滿足中部槽的焊接力學性能要求。

2）通過對中部槽減少焊縫熔敷量和高速焊接工藝的研究，確定了36°X 形坡口形式和高效的雙絲MAG 焊焊接工藝，在保證中部槽焊接質量的前提下，提高中部槽的焊接生產效率（25.2%+234%=259.2%）2.59 倍。

研究成果已應用于我公司SGZ1 200/2 000 刮板輸送機中部槽焊接。新成果的應用，提高中部槽焊接生產效率2 倍以上，縮短了產品的生產周期，保證了焊接質量。中部槽在井下使用未出現任何焊接失效的情況。

［1］ 李榮雪.金屬材料焊接工藝［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［2］ 殷樹言.氣體保護焊工藝基礎［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［3］ 李亞江.焊接缺陷分析與對策［M］.北京：化學工業出版社，2011.

［4］ 王愛珍.金屬成型工藝設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［5］ 王洪光.焊接檢驗［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［6］ 王建安.金屬學與熱處理［M］.北京：機械工業出版社，1980.

［7］ 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊：第1卷：焊接方法及設備［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［8］ 李亞江.焊接冶金學-材料焊接性［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［9］ 張子榮.焊接材料簡明選用手冊［M］.北京：機械工業出版社，1997.

［10］ 陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［11］ 王一力.金屬焊接國家標準匯編［M］.北京：中國標準出版社，1999.