反井鉆機動力頭箱體以焊代鑄制造工藝研究

張春燕，孔 進，王榮武

寧夏天地奔牛實業集團有限公司 寧夏石嘴山 753001

反井鉆機廣泛應用于煤礦、金屬礦山等各類巖層井筒鉆進工程。動力頭是反井鉆機的核心部件，承受轉矩和推力液壓缸的推拉力。反井鉆機動力頭轉矩傳遞路線：液壓馬達輸出轉矩，經齒輪組傳遞給鉆具系統，然后驅動鉆具旋轉完成導孔及擴孔作業。動力頭上的液壓缸座與反井鉆機上的主推液壓缸相連，通過主推液壓缸的伸縮將推拉力傳遞給鉆具系統[1]。

動力頭的箱體通常采用鑄件設計，具有結構簡單成型好等優點，但鑄造箱體存在鑄造缺陷較多、鑄造制造周期較長、成本高等問題。為了滿足市場需求，降低成本，縮短箱體制造周期，筆者通過對反井鉆機動力頭箱體結構及工藝進行分析，研制了焊接箱體。

1 焊接箱體

焊接箱體結構示意如圖 1 所示，由上箱體和下箱體 2 部分組成。箱體中軸承位和液壓缸座采用鍛件，材質選用合金結構鋼 42CrMo，箱體其余的面板、側板、底板、U 形側板和肋板均選取 Q690 高強板。上箱體和下箱體的軸承座與面板、底板為定位止口式鑲嵌焊接，并在軸承座外端和面板、底板之間焊接一定數量的肋板，增強上箱體和下箱體的強度。下箱體的U 形側板與液壓缸座為鑲嵌式結構，并在側面和液壓缸座上、下位置焊接肋板，保證液壓缸座與箱體主體的連接強度。各零件焊縫均為雙面焊接。

圖1 焊接箱體結構示意Fig.1 Structural sketch of welding box

2 焊接箱體制造工藝研究

2.1 制造工藝

制造工藝的研究主要解決兩個方面問題：一是提高焊接質量；二是控制焊接變形。箱體制造工藝可概括為零件的制備、焊接、加工 3 個方面。為保證焊接質量，減少焊接變形，在設計工藝流程方案時，各工藝步驟中增加相應的預熱處理和檢驗等過程控制流程。焊接工藝如圖 2 所示，具體可概括為零件制備、焊接組裝、焊接預熱、焊接、焊接后熱處理、熱時效處理、滲漏檢驗和加工 8 個步驟。

圖2 焊接工藝Fig.2 Welding process

在工藝方案確定后，增強過程控制管理，通過各工藝步驟的執行控制，解決結構件箱體焊接時的、開裂等問題。

2.2 零件制備

板材件均采用數控等離子氣割或數控火焰氣割方式下料，焊接坡口用自動坡口機加工，下料后進行調平和修磨處理；軸承座和液壓缸座采用 42CrMo，該材質具有高強度和韌性，且調質處理后具有較高的疲勞極限和抗沖擊能力。為提高機械性能，切割下料后進行鍛造，鍛造后進行正火處理，消除材料內應力，然后進行粗加工及調質處理來增加抗拉強度，調質后進行零件的外形尺寸及焊接坡口的加工，關鍵尺寸進行留量處理，并在焊接后加工。

2.2.1 焊接工藝

箱體結構中軸承座和液壓缸座為 42CrMo，Ceq 值高達 0.893%，可焊性較差，若焊條和焊接工藝選用不當易產生冷裂紋；各面板和肋板材質為 Q690，屈服強度 ≥690 MPa，屬于高強度焊接結構鋼。

(1) 焊接組裝 按照使用主次關系和搭接方式依次焊接組裝零件。首先在箱體面板上組裝，點焊鍛件軸承座，組裝點焊時嚴格要求不允許在工件非焊接處引弧，以免損傷外觀；其次在面板與軸承座焊接后，再依次點焊側板、液壓缸座和各連接肋板。考慮各零件的焊接質量，組裝點焊控制參數如表 1 所列。

表1 組裝點焊控制參數Tab.1 Control parameters of assembly spot welding

(2) 整體預熱 焊接前組裝焊件整體進行裝爐預熱，防止產生焊接裂紋，預熱溫度控制在 150～200℃，符合焊接要求后，方可出爐焊接。

(4)石夾剖面早石炭世下石炭統的底部發育灰黑色頁巖，是Hangenberg事件及其D-C生物滅絕事件在深水相的石夾水庫剖面上的具體表現，推測殘留海槽拉張導致的海底火山熱液活動是事件發生的影響因素之一。

(3) 箱體焊接 焊接過程中通過間歇性溫度測量，控制焊接層間溫度。在箱體焊接時，下箱體內腔焊接 2 道工藝拉肋，以防止焊接溫度受熱不均產生整體變形，焊接具體控制參數如表 2、3 所列。

表2 面板與軸承座焊接參數Tab.2 Welding parameters of panel and bearing seat

(4) 焊接后熱處理 焊接后箱體進行熱處理，減緩焊縫和熱影響區的冷卻速度，防止冷裂紋的產生。焊后熱處理溫度為 200～250 ℃，保溫 3 h 后進行空冷。

表3 側板焊接參數Tab.3 Welding parameters of side plate

(5) 熱時效處理 焊后熱時效處理是利用材料在高溫下屈服極限的降低，使內應力高的地方產生塑性流動，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加，從而使焊接殘余應力降低，減少焊接變形。熱時效溫度控制在 550 ℃，隨爐保溫 3 h 后，出爐空冷。

(6) 煤油滲漏檢驗 將箱體清理干凈，在上、下箱體外壁焊縫涂上粉筆水溶液 (白堊粉水溶液)。待干燥后再于箱體內壁噴涂煤油 2～3 次，使內壁表面得到足夠浸潤。經過 1 h 后，檢查白粉處是否有油漬，當箱體焊縫滲漏檢查合格后，方可進行后序處理。通過箱體滲漏檢查，可以保證動力頭齒輪箱體內齒輪油不會發生滲漏現象。

2.2.2 加工工藝

上、下箱體采用粗、精分序加工。首先上、下箱體的軸承座內孔和結合端面分別進行預留量加工，但上、下箱體之間的連接螺栓孔考慮端面加工預留量后直接精加工。其次，上、下箱體粗加工后進行二次熱時效處理，以此減少殘余應力。

(2) 上、下箱體合箱精加工 合箱精加工前要先將箱體和箱蓋的結合面以軸承座內腔為基準完成加工，再用相應的螺栓預緊成整體。合箱精加工時，采用專用裝夾工裝，控制加工制造過程中產生的裝夾變形。加工時均以軸承座內孔為公共基準找正加工，同時加工液壓缸座內孔。在精加工過程中，要加大切削液的補給，以減小加工應力和局部變形，保證箱體精加工尺寸精度。

2.3 外觀質量

在結構設計的基礎上通過噴丸處理、修磨等方式提升箱體外觀質量。

(1) 各板材件均采用數控等離子氣割或數控火焰氣割方式進行下料，焊接坡口用自動坡口機加工，下料后進行調平和修磨處理，提高板材的外觀質量。

(2) 通過箱體焊接時清除焊渣，對焊道進行拋光修磨，尖棱部位倒鈍，清除加工鐵屑，焊接后進行噴丸處理，提高外觀質量，如圖 3 所示。

圖3 噴丸處理后的下箱體Fig.3 Lower box after shot peening

(3) 箱體在精加工后，對加工面進行修研和表面防銹處理，對非加工表面進行噴漆處理 (2 遍底漆和 1遍面漆)，以保證外觀質量。

3 實例應用

按照焊接箱體的制造工藝，對反井鉆機箱體進行樣機制造，制造完成后對箱體組裝成動力頭并與反井鉆機整機組裝，如圖 4 所示。

圖4 焊接箱體的反井鉆機Fig.4 Raise boring machine with welding box

通過反井鉆機整機進行空載和模擬工況試驗，焊接箱體各項指標正常，滿足設計要求。反井鉆機在某鐵礦完成了 2 個井筒的施工作業，共計 440 m，動力頭焊接箱體沒有出現焊縫開裂、箱體滲油等問題，滿足使用要求。

4 結語

經過實踐應用證明，通過在箱體焊接中利用控制焊接參數、熱時效處理、滲漏檢驗等工藝過程控制手段，可以減少焊接應力集中，防止箱體滲漏，采用焊后噴丸處理等技術提高了焊接外觀質量。以焊代鑄技術在動力頭箱體上的應用，使箱體的制造周期由原來的 40 d 縮短為 30 d，制造周期縮短了 25%，同時成本降低了 20%，具有顯著的經濟效益。