山特維克LF3060D直線振動篩箱體大梁斷裂的焊接修復

摘 要：本文通過山特維克LF3060D直線振動篩大梁（無縫鋼管鋼20Mn）斷裂的原因和力學性能進行分析后，找到合適的（無縫鋼管15CrMo）代替大梁。并選擇合適的方法和焊接材料以及制定合理的焊接工藝，成功地解決了大梁的焊接修復問題。

關鍵詞：山特維克LF3060D；直線振動篩；焊接修復

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.007

0 前言

由芬蘭設計制造的SANDVIK山特維克LF3060D直線振動篩是攀鋼礦業(yè)公司密地選礦廠破碎作業(yè)區(qū)篩分間的主要設備，應用于破碎前的預先篩分和破碎后的檢查以及閉路篩分作業(yè)。振動篩由篩箱體、激振器大梁、篩箱體大梁以及激振器和電動機等組成。振動篩箱體大梁也就是指支撐篩箱體的上下層各七根橫梁和平板作筋，縱與橫呈矩形排列組成。橫梁具有抗扭和防止斷面畸變的能力[3]，它支撐著整個箱體結構，除來自于箱體自身的重力、激振器產(chǎn)生的激振力和運行中產(chǎn)生的慣性力之外，激振力又是集中力。所以說，它是一個受力相當復雜的典型梁柱焊接結構件。

在實際生產(chǎn)過程中，由于機座處彈簧斷裂造成偏擺振動；篩板等部件松動與大梁產(chǎn)生共振和設備超負荷運行大梁無法承受等多方面的原因箱體大梁斷裂。經(jīng)資料查找，大梁的材質(zhì)為無縫鋼管鋼20Mn，采用埋弧焊焊接由高強度螺栓緊固在箱體上[3]。大梁斷裂后，如何控制箱體進一步變形和提高箱體結構是焊接修復的關鍵。

1 材料的焊接性分析

15CrMo與Q345是異種鋼的焊接，15CrMo與Q345它們的化學成分、金相組織、物理性能及力學性能存在著的差異性；同時大梁在整個設備運行狀態(tài)下，需要傳遞激振力、扭矩力和集中力等復雜的受力狀態(tài)，最容易出現(xiàn)冷裂紋，是焊接修復的難點。

（1）大梁的材質(zhì)外徑為219mm的無縫鋼管鋼20Mn，它屬于優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼。（GB9948-2006標準）。在大梁斷裂后，整個梁柱結構失效，所以考慮使用同一類型的合金鋼15CrMo無縫鋼管作為替代材料，先采用翼板（材質(zhì)Q345）與無縫鋼管焊接，再在翼板與無縫鋼管的水平方向增加倒角后的筋板焊接，然后將翼板與箱體兩側使用高強度螺栓連接。

（2）更換的大梁材質(zhì)是15CrMo，它屬于球光體耐熱鋼。球光體耐熱鋼本身合元素比較多，焊縫和熱影響區(qū)具有一定的淬硬傾向，易出現(xiàn)淬硬組織。在這種梁柱的箱體結構中，焊接接頭的剛性大，應力集中明顯，在焊接時容易出現(xiàn)冷裂紋，焊接后在熱處理過程中容易出現(xiàn)再熱裂紋[5]。

從表1中15CrMo查找的化學成分，計算出它的碳當量：

（WES標準）Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

×%=0.567，由此可見，它是中碳調(diào)質(zhì)鋼，在焊接后容易出現(xiàn)冷裂紋。

（3）翼板和筋板的材質(zhì)Q345（16Mn），它屬于熱軋正火鋼。具有良好的塑性、韌性，淬硬傾向稍微大于低碳鋼[5]。

Q345（16Mn）的碳當量：

（WES標準）Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

×%=0.49

由此可見，它也屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，在焊接后容易出現(xiàn)冷裂紋。

（4）15CrMo和Q345同屬于球光鋼，但分別屬于Ⅱ類和Ⅴ類的異種鋼。它們的焊接接頭和同種鋼焊接接頭在本質(zhì)上具有很大的差異性，在熔敷金屬與兩側焊接熱影響區(qū)和母材存在著不均勻性，主要的問題有：

1）化學成分不均勻。由于在焊接過程中，兩側母材的熔化量，熔敷金屬和母材熔化區(qū)的合金元素被“稀釋”而發(fā)生變化。接頭區(qū)的化學成分的不均勻程度在不僅取決于母材本身的化學成分和焊接材料的化學成分，同時元素也受焊接工藝的影響，所以應采用小電流、淺熔深。

2）組織的不均勻性。在焊接熱循環(huán)的作用下，隨著熔合比的變化，使焊接接頭內(nèi)的各區(qū)域組織的化學成分不均。

3）性能的不均勻性。由于焊縫組織的化學成分不均，造成焊接接頭性能上的差異，特別是焊縫兩側的熱影響區(qū)沖擊值和高溫性能（持久強度、蠕變強度）都變化也很大。

4）應力場分布不均勻。因為整個焊接接頭的組織、成分的不同，它的熱膨脹系數(shù)和導熱系數(shù)也不同，導致焊接結構的失效。

所以在此次焊接過程中，我們既應綜合考慮該焊接結構屬于典型的衍架結構和箱型結構的組合體。它在設備運行狀態(tài)下，處于復雜的受力狀態(tài)；同時，也應考慮它的焊縫與母材的化學成分、金相組織、物理性能及力學性能存在著的差異性。必須采取一定的特殊工藝措施才能獲得滿意的焊接接頭[3]。

2 焊接方法與焊接材料的選擇

在異種鋼焊接中應用最多的是熔焊，常用熔焊方法有手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊、電渣焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊等。為控制焊接變形和焊接接頭的熔合比，優(yōu)先選用等離子弧焊、電子束焊、激光焊，這些熱源能量密度較高的焊接方法，但是生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場根本不具備這些條件。所以我們選擇便于操作的手工電弧焊進行此次的焊接修復作業(yè)。

15CrMo和Q345（16Mn）的碳當量就能看出：必須焊前預熱200℃-300℃和焊后保溫2-3小時才能保證焊接質(zhì)量，但不利于控制焊接結構的變形。從優(yōu)化焊接工藝的角度考慮，采用Cr+Ni的焊接材料，如作業(yè)區(qū)現(xiàn)有的A307（大西洋）打底，再采用J607Ni（大西洋CHE6077Ni）填充與蓋面是最佳選擇。大于低碳鋼[5]。

3 焊接前的準備

（1） 此次斷裂的3根大梁進行焊接修復，第一步，按圖1 2960mm×Φ219mm的3根無縫鋼管做大梁，并按圖2的要求加工45o坡口留2mm的鈍邊；按圖1要求400mm×270mm×20mm×6塊大梁和翼板，按圖2要求加工45o坡口留2mm的鈍邊，按圖3的尺寸要求每塊翼板加工4個Φ16mm的螺栓孔；按圖4要求加工24塊三角筋板。第二步按圖2（圖2是圖3的局部裝配圖）和圖4的尺寸要求，先組對大梁和翼板，核實符合要求之后，再將圖5的筋板按圖2要求全部組裝完成，再次核實裝配尺寸要求。第三步：釆用雙面對稱焊接方法，首先焊接大梁與翼板的環(huán)形焊縫；其次焊接筋板與翼板的立焊縫，再焊筋板與大梁的橫焊縫。

（2）使用2噸手拉葫蘆修復箱體尺寸3000mm后，采用20mm的角鋼連接已斷裂的大梁。在焊接修復過程中，由里到外逐一進行修復，便于控制大梁斷裂之后，整個箱體結構的變形。

（3）清除斷裂大梁的其中一根，對箱體進行打磨，使箱體與翼板完全貼緊后，每塊翼板與箱體使用4顆Φ16mm的螺栓進行連接但是不能緊固，待焊接結束后再加彈簧墊進行緊固；翼板與大梁進行點固與裝配，裝配間隙為2.5mm-3.00mm，保證焊縫單面雙面焊成形。

4 焊接工藝及措施

（1）焊接電流應根據(jù)焊接電流的經(jīng)驗估計公式進行計算，焊接電流L（A）=（25～35）×d（焊條直徑）。

（2）采用不銹鋼焊條焊接中碳鋼不預熱的特點，在CHE307焊條打底時不進行預熱，其目的是減少焊接變形，同時可以增強焊縫在復雜的作用力具有良好的抗裂性能。

（3）焊接順序按照圖4標注的號順序進行焊接； 焊縫溫度控制在200℃～300℃之間，層間溫度控制在250℃～350℃；在焊接過程中，每層焊道焊渣必須清理干凈和打磨焊道。

（4）箱體兩側兩個焊工同時在同一焊接位置焊接，防止焊接結構的變形。

5 焊縫檢驗及表面處理

（1）焊接后表面無裂紋、氣孔 、夾渣等焊接缺陷，每層焊道進行磁粉探傷。發(fā)現(xiàn)缺陷及時修復，但是返修次數(shù)不得超過3次。

（2）對焊縫表面進行打磨處理，翼板與大梁之間焊角尺寸對稱，形成完美的凹弧形減少應力集中。

6 結束語

修復后的4臺SANDVIK山特維克LF3060D直線振動篩大梁，已在我廠24小時作業(yè)生產(chǎn)中正常使用近一年，未發(fā)生二次大梁斷裂的現(xiàn)象。使用CHE307焊條打底，再采用CHE607Ni焊條填充與蓋面，加之合理的焊接工藝措施，成功地解決了重載荷狀態(tài)下，衍架結構與箱型結構組合的振動篩大梁斷裂的問題，焊接接頭完全能滿足設備的使用性能。

參考文獻：

[1]大西洋焊接材料[S].2009.

[2]徐峰，黃蕓.新編《金屬材料手冊》[M].安徽科技出版社，2017.

[3]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[M].1995.

[4]劉云龍.電焊工技師手冊[M].中國機械工業(yè)出版社，2005.

[5]龔榮偉.焊工手冊[M].湖北科學技術出版社，2006.

作者簡介：唐文（1978-），男，四川遂寧人，本科，機械工程師，檢修作業(yè)區(qū)副作業(yè)長，主要研究方向：礦山機械設備的機械設計與自動化。