帶式輸送機滾筒環縫焊接工藝的改進

葛 花

（國能神東煤炭皮帶機公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

滾筒是皮帶機的核心組成部分，它的制造質量直接決定了皮帶機的可靠性。其中，改向滾筒的功能是通過調節輸送帶的方向，或者通過調節輸送帶的夾角，來提高皮帶機的效率和穩定性。根據統計，皮帶機中某些部件的改向滾筒在運行過程中出現斷裂的情況非常普遍，這不僅會對用戶和生產商造成巨大的經濟損失，還會影響產品在市場上的競爭力。因此，研究并解決這類問題顯得尤為重要。

1 斷裂的基本情況

1.1 冷裂紋是由于煤礦帶式輸送機的滾筒焊縫出現裂紋造成的

如果把鋼材放在冰箱里，它的表面就會變得很脆，導致鋼材在加工過程中容易損壞。根據損壞的原因，鋼材的表面裂痕通常被劃分為三種：淬火、低塑性、氫致延遲。（1）經歷了一系列的熱處理，從而產生的裂縫，既被稱作淬火裂縫，也被稱作時效裂縫。由于多種多樣的原因，導致了這種情況的發生，因此，要想準確地識別并鑒別出各種類型的淬火裂縫，就必須根據它們的特點來做準確的判斷。（2）當某些具有極小的塑性的物質被降溫到極限的情況下，由于其內部的壓強超過了它們本身的抗壓強度，就會導致裂紋的形成，也就是所謂的塑性裂紋。（3）氫元素的存在也會導致裂紋的形成，而且，由于裂紋的形成，它們通常都是在熔融之前，并且還需要相對更久的時間來形成。由于多種影響因子的交叉影響，如焊頭的氫氣濃度、結構細節和受力情況，導致了氫致延遲裂紋的產生。然而，當焊縫厚度小于10mm 時，這種裂紋幾乎沒有被觀察到。如果工件的厚度超出了規范的范圍，那么它的冷卻速率就可能變得很高。此外，如果鋼的淬硬性很強，那么它的接合處可能出現許多硬化的結構。此外，由于冷卻的作用，許多氫氣都可能被吸附到鋼的焊縫上，導致它們的濃度迅速減少，最終傳播到受到高溫的部分。隨著熱量的傳遞，一些地方的氫氣含量急劇增加，而同時，由于溫度的迅猛下跌，從而導致了金屬焊縫周圍的氫原子發生反應，形成了一系列的氫分子，從而產生了較大的局部應力，而由此產生的應力又被固定到了接合面，最終導致了焊縫的破壞。這些特殊的焊縫裂紋通常發生于不同的材料，包括低合金、中合金以及高合金。它們的發生往往不一定馬上就發生，也許需要幾天甚至更久的等待。然而，對于一些具有更高強度的材料，這些裂紋往往也會發生。綜合考慮各種原因，我們發現三種常見的冷裂縫類型有：（1）通常發生在改變方向的滾動部件或連接部位。（2）常見于春秋時期。（3）根據其原因，我們能夠識別這些裂縫[1]。

1.2 熱裂紋出現在煤礦帶式輸送機的滾筒焊縫上，造成了嚴重的損壞

當電弧加工時，如果電弧的加工能力下降，就會產生電弧電流。電弧的電流通常是通過電弧的加工能力來傳遞的，當受到外界壓力時，就容易產生熱裂紋。通常，它們發生在金屬的焊縫里，但也有很高的概率發生在靠近焊接熔池的原料表面。根據它們的表面狀態，可以把它們劃分為兩種：凝固性的、溶解性的。（1）通常情況下，S、P 這些有害的元素會導致鋼鐵的焊接變得更加困難。這些元素可能會導致熔化，形成一個更難形成的共晶。隨著這個過程的繼續，這些元素可能會逐漸從焊縫的邊緣脫離，形成液體。在焊接后，由于溫度分布的不平衡，會造成材料的變形，超出了規定的最高限度，這會對材料的抗壓能力造成嚴重的影響，從而引發結構的破壞，這些破壞通常被稱為結構裂紋。（2）當某種物體表面受到焊接時，就會發生變形，這種變形被稱為液化裂紋。這種變形通常發生在距離焊縫熔合線較遠的物體表面，也發生在已經進行了多次焊接的物體表面。它的形成主要原理是由于焊接時產生的高溫，導致物體表面的某些區域發生了溶解，從而形成了不均勻的分布。一是由于高溫環境中的熔融物含量太高，而且無法迅速擴散，從而引發了一些裂縫的產生；二是由于高溫環境中的一些化學反應，可能會造成一些原本被控制的組件被激活，從而引發一些新的組織，如共晶組織。通過準確識別各種裂縫的特征，我們能夠更好地了解它們的形態，并從中提取出有用的信息，從而更快地采取預防性的、針對性的、有效的防止裂縫發展的措施[2]。

2 煤礦帶式輸送機改向滾筒焊縫出現問題的原因

2.1 溫度原因

當溫度變化時，煤礦帶式輸送機的滾筒焊縫會發生裂縫。這種問題通常有兩種類型：（1）春秋時期焊縫的材料含量高，導致焊縫變得脆弱。這時，需要采取適當的措施以避免這種問題的發生。（2）根據焊接變形的原則，我們發現，影響焊接變形的重要因素包括：一是焊縫的寬度和厚度越寬，變形越明顯；二是在保持一定厚度的前提下，隨著溫差的增加，變形越明顯；三是分段焊的變形比單一的焊條更少；四是由于焊條的不平整，變形的幅值越高，其厚度也越明顯；五是結構的強度越高，變形的幅值也越明顯。當采用單次焊接或者焊縫的累計長度超標，由于熔化的熱量太多，在焊接結束之前，如果冷卻的速率太快，就容易導致應力的聚焦，從而導致煤礦帶式輸送機的轉子滾筒的焊縫發生破損，從而引發嚴重的安全事件。

2.2 材質原因

在某些滾筒結構中，為了滿足使用及日常要求，通常會采用35 號優質碳素結構鋼制作輪轂和內置軸承底座，而A3 鋼卷紙則被用于卷制和焊接各種鋼材，但是，由于碳含量較高，而且存在大量的S、P 等無用雜質，再加上焊接質量不佳，很可能會導致煤礦帶式輸送機改向滾筒焊縫出現裂紋[3]。

2.3 坡口原因

在滾筒與鑄鋼接盤的焊接過程中，必須按照規定的技術標準，特別注意兩個部分的連接處，以確保安全可靠的連接。在這個過程中，接頭的設計尤為關鍵，因此必須特別注意，以確保質量。焊縫的成型系數是指單道焊縫的橫截面上的焊縫寬度與焊縫厚度的比例，它對焊縫的質量影響很大。因此，當采用自動化的焊縫技術，焊縫的成型系數必須大于或等于一個單位。當系數太低時，將會造成焊接部位的狹窄和加工難度，同時也可能引發有害的雜物在焊接部位的邊緣堆積，從而降低了材料的耐高溫性和耐久性。

3 坡口形式的設計改進及焊接工藝

3.1 坡口形式的設計改進

雖然標準結構形式的對接接頭在生產組對時比較容易操作，但是由于間隙不易控制，常因搭接部位的圓弧半徑、內外倒角的尺寸誤差，在組對時出現頂死現象，從而在焊接時產生較大的拘束應力；并且在根部間隙過小時極易造成局部未焊透或夾渣等缺陷，由于超聲波探傷對帶墊板的對接焊縫的檢測具有局限性，所以根部的焊接缺陷也不容易被準確地檢測出來。

采用永久性墊片的連接件會導致應力過大，使得連接件的抗拉能力大大減弱。此類連接件的抗拉能力通常來自連接件的拼裝部位，而非連接件的接觸面，因此，它們的抗拉能力通常都能達到同樣的水平。

經過重新設計，皮帶機的鑄焊結構的轉向滾筒采取了新的形狀，即無需帶墊板的Ⅴ形和U 形坡口，它們的表面形狀是完全一致的，鈍邊寬度在1±1mm 之內，間距在3±1mm 之內。采取這樣的形狀，既提高了焊縫的有效厚度，又使超聲波探傷技術變得更精細、可靠，進一步提高了接頭的質量[4]。

3.2 焊接工藝

1.焊接方法。通過實際應用，我們發現，采用MAG焊技術，通過精確控制焊接工藝參數，以及恰當的施焊位置，可以達到良好的單面或雙面成型，從而達到優良的焊縫質量，同時還能提升生產效率。為了達到最佳的效果，我們采取了MAG 焊（80%Ar+20%C02）的方式來完成第二層的打底，而剩下的層則采取了埋弧焊的方式。

2.焊接材料的選用。選擇Q235B 作為筒體，ZG2 30-450 作為接盤，根據等強度匹配的要求，MAG 焊選擇ER50-6 焊絲，埋弧焊選擇H08MnA 焊絲，HJ431 焊劑，在焊前200℃～250℃進行預熱處理，持續2 個小時。

3.在焊接之前，請確保焊接坡口兩側的表面清潔，并且保證其厚度不低于20mm。在進行焊接前，若發現焊縫表面存在任何形式的鑄造缺陷，例如砂粒、氣泡和裂縫，都必須徹底清理并進行必要的維護，以確保焊縫質量。

4.裝配及坡口尺寸。在機加工筒皮端面坡口時，應光圓距端面10mm 的內口并以不超過1：2.5 的坡度值平緩過渡，允許留黑皮，接盤內徑按筒皮內徑配車。裝配時，應保證錯邊量及組對間隙，在外側對稱組點一定數量的筋板，并保證強度，坡口內不允許定位焊。

5.焊前預熱。盡管Ceq 低于0.45%的鑄鐵零部件通常無須進行預處理，但由于它們具有較高的強度和較厚的結構，在進行焊接之前，必須將其溫度調節到80℃～150℃，并確保其兩端的溫差不低于焊接部位的溫差。板厚必須達到75mm 以上，而且其中的每一個板之間的溫差必須大于最低的預熱溫度。

6.焊接工藝參數。MAG 焊是一種高效、精確的焊接方法，其特點是：焊絲的直徑為1.2mm，焊接電流為100A～130A，電壓為18V～21V，氣體的流速為15L/min～18L/min 升/分鐘。最適合進行mag 焊的位置是1點半至2 點鐘的夾角，采取下坡焊，并且要求接頭部分要經過砂輪機的打磨，使其形成一個平整的斜坡，從而確保mag 焊的焊縫質量。

第2 層：MAG 焊，使用1.2mm 的焊絲，控制220A～280A 的焊縫電壓，24V～32V 的電壓，以及18L/min～22L/min 的氣體流動，以達到最佳的焊接效果。

其余層：埋弧焊，焊絲直徑中4.8mm，焊接電流550A～650A，電壓32V～38V，焊接速度350mm/min～450 mm/min。

7.焊縫質量要求。Yamaguchi 在一項關于焊接接頭的實際應用中，發現余高的改變會顯著提升其疲勞強度。在這項實驗中，盡管焊縫的寬度會發生改變，但是它們之間的比例仍然相同，這就意味著它們之間的夾角仍然相同，而這一發現最終證實了它的可靠性。若將焊縫的寬度維持在一定范圍內，而改變其高度，將會導致接頭的疲勞強度顯著下降[5]。因此，在完成焊接之前，必須先仔細檢查其背部的余量，其范圍在0mm～1.5mm 之間，且需要完美的平整，若是余量較大，需要采取措施將其打磨到滿足規范的標準。根據JB/T5000.3《重型機械通用技術條件第3 部分：焊接件》，對于焊接接頭的質量，應當達到Ⅲ級或更高的標準。

8.焊后熱處理。采用鑄焊結構改向滾筒時，必須進行應力退火，以確保操作過程中的質量，并嚴格遵守焊后熱處理工藝規范。

通過對MAG 焊的改進，我們發現它的操作方法變得更加簡單和高效。這種新的坡口形式和焊接工藝使得滾筒的生產效率得到了提升。此外，MAG 焊的背面成型也非常優秀，焊接質量也達到了要求。超聲波檢測也非常精確和可靠，并且在使用了更長的時間后，沒有出現任何質量問題。為了確保焊接接頭的質量，提升環焊縫接頭的疲勞強度，我們應該對鑄焊結構進行改進，并調整滾筒的坡口設計和焊接工藝。

4 結語

滾筒在煤礦帶式輸送機中起到至關重要的作用，它由皮革、輪轂、軸和支撐架組成，具備了傳遞物料、卸貨、調節方位和拉動物料等諸多功能。它們的品質決定了煤礦帶式輸送機的性能，也會對其整體使用壽命產生重大影響。焊縫在制作滾筒時起著重要作用，但由于其特殊性，如環形焊縫、縱向焊縫等，這些問題往往會導致嚴重的損壞。為了解決這一問題，深入探討煤礦帶式輸送機改向滾筒焊縫開裂的成因，并提供相應的維護與保養措施，顯得尤為重要。通過改善工作環境，我們能夠大幅度增強公司的安全性和長期穩定性。