焦瑞軍，布特格勒其

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

WK-55電鏟提升滾筒軸座的悍修工藝

焦瑞軍，布特格勒其

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

簡(jiǎn)要分析WK-55型礦用電鏟提升滾筒軸座根部貫通裂紋的分布狀況及產(chǎn)生原因，詳細(xì)論述現(xiàn)場(chǎng)檢修軸座根部開(kāi)裂焊縫過(guò)程中采用的鐘點(diǎn)固定控制應(yīng)力變形方法、焊接工藝以及焊后焊縫去應(yīng)力熱處理等內(nèi)容。鐘點(diǎn)固定控制應(yīng)力變形措施首次應(yīng)用在大型礦山設(shè)備的結(jié)構(gòu)件焊縫開(kāi)裂的現(xiàn)場(chǎng)檢修作業(yè)中，為同行業(yè)的檢修作業(yè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

提升滾筒；軸座；焊接；鐘點(diǎn)固定控制應(yīng)力變形方法

0 引言

WK-55型礦用巨型電鏟是由中國(guó)太原重型集團(tuán)自主研制生產(chǎn)，是當(dāng)前國(guó)際技術(shù)領(lǐng)先、工作能力強(qiáng)大的少有的礦用巨型電鏟之一[1]。2010年前后，神華準(zhǔn)能集團(tuán)的黑岱溝露天煤礦和哈爾烏素露天煤礦引進(jìn)數(shù)臺(tái)WK-55型電鏟，主要負(fù)責(zé)露天煤礦煤炭生產(chǎn)作業(yè)中極為重要的巖土采剝工程。WK-55型電鏟正常運(yùn)轉(zhuǎn)能力和采剝推進(jìn)工作決定著工礦業(yè)的推進(jìn)能力和生產(chǎn)能力。

WK-55電鏟提升滾筒主要功能組成部件有2件同心旋轉(zhuǎn)的軸座、提升鋼絲繩卷筒和大型從動(dòng)齒圈等[3]，所有部件之間采用焊接和螺栓連接方式連接形成一體。受工礦的土壤酸性度高低、巖石粉碎程度、惡劣的氣候環(huán)境條件以及制作大型總成件過(guò)程中伴隨的材料缺陷等多重因素的作用下，在工作過(guò)程中，提升卷筒首先要承受自身重量和鏟斗重量，其次要承受纏繞在卷筒上鋼絲繩的拉伸作用，生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)提升卷筒的右側(cè)軸根部由材料缺陷集中區(qū)域開(kāi)始發(fā)生金屬疲勞或碎裂、甚至發(fā)生斷裂損壞致總成件損壞或報(bào)廢的現(xiàn)象[7]。整個(gè)維修過(guò)程包括提升卷筒拆卸-分析損壞程度-斷裂部分切割剝離-輻板下料，軸頭鍛造-輻板和軸頭的焊前加工-輻板和軸頭與筒體的焊接-最終精加工-提升卷筒的安裝[2]。

2016年4月，WK-55電鏟提升滾筒從靠近動(dòng)齒圈的軸座根部焊縫熱影響區(qū)域發(fā)生多條最大長(zhǎng)度約為476 mm、最小長(zhǎng)度約為83 mm，深度約為130～150 mm的環(huán)形貫通裂紋貫通裂紋，分布面積約占整體焊縫區(qū)域的80%左右，且所有裂紋含有明顯的擴(kuò)展傾向。WK-55提升滾筒軸座根部及裂紋發(fā)生位置如圖1所示。

本次WK-55電鏟提升滾筒軸座根部裂紋的維修作業(yè)是尚屬于首次焊修本系列電鏟滾筒類(lèi)型的大型總成件。在制定維修方案過(guò)程中遇到軸座部位采取什么樣的控制焊接應(yīng)力變形變位的方法，采用什么焊接工藝以及硬件設(shè)施的不足等多方面困難。針對(duì)這些問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的檢修條件和廠家提供的部分檢修方案資料，借鑒多年來(lái)悍修電鏟大型結(jié)構(gòu)件的控制應(yīng)力變形方法以及悍修495HR、395BI等大型電鏟提升滾筒裂紋的經(jīng)驗(yàn)，逐條制訂了相應(yīng)問(wèn)題的解決方案和焊接工藝。

圖1 WK-55提升滾筒軸座根部及裂紋發(fā)生位置

1 軸座的焊接應(yīng)力變形變位控制措施

針對(duì)軸座的焊接應(yīng)力變形變位控制措施，保持提升滾筒的2件軸座必須同心旋轉(zhuǎn)，應(yīng)采用大型鏜銑床等專(zhuān)用作業(yè)平臺(tái)，但生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法滿足以上的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)條件。由此，采用了鐘點(diǎn)固定控制應(yīng)力變形變位措施，以軸座軸心為中心點(diǎn)，在根部焊縫區(qū)域360°劃分12個(gè)鐘點(diǎn)位置，然后在4、8、12三個(gè)鐘點(diǎn)位置根據(jù)提升滾筒和軸座部件的結(jié)構(gòu)特性制作并焊接固定的物件，防止軸座因裂紋清理或裂紋焊接過(guò)程中受焊縫形成應(yīng)力的作用發(fā)生變形變位，WK-55提升滾筒結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 WK-55提升滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

采用鐘點(diǎn)固定控制軸座發(fā)生應(yīng)力變形變位措施的優(yōu)點(diǎn)是軸座受焊縫應(yīng)力發(fā)生變形變位時(shí)3個(gè)鐘點(diǎn)的不同位置發(fā)生逆向反力和拉力，使物件不發(fā)生變形和變位；采取的方法簡(jiǎn)單、有效。缺點(diǎn)是產(chǎn)生反作用力的物件可能破壞物件的表面，若物件的表面要求不高是可以采??；制作產(chǎn)生反作用力的物件時(shí)選用的材料性能要求極高、形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理等局限性條件較多；特做的物件一旦發(fā)生變形，需要返工做的工作內(nèi)容和量非常大等。

制作產(chǎn)生反作用力的物件是為了不影響焊接作業(yè)，預(yù)留空間較大的采用倒“L”形結(jié)構(gòu)，材料選擇了剛度高、硬度高，變形量極低的厚度為46mm的WELDOX 700高強(qiáng)度鋼板[5]，倒“L”形物件如圖3所示。

圖3 倒“L”形物件

2 檢修步驟及焊接工藝

2.1 作業(yè)前準(zhǔn)備

1）制作3件倒“L”形物件，選用厚度為46 mm的WELDOX 700高強(qiáng)度鋼板，并清理倒“L”形物件的制作過(guò)程中產(chǎn)生雜物等。

2）軸座軸心為中心圓點(diǎn)，根部焊縫區(qū)域360°劃分12個(gè)鐘點(diǎn)位置，使用角磨機(jī)等工具清理清除4、8、12三個(gè)鐘點(diǎn)焊接位置的油污及金屬表面防銹層，清理其他焊縫區(qū)域的油污及金屬表面防銹層。

3）把倒“L”形物件焊接在軸的側(cè)位端面和滾筒主體表面的4、8、12三個(gè)鐘點(diǎn)位置，使軸能夠固定至應(yīng)力釋放或集中時(shí)防止變形變位。

4）其他鐘點(diǎn)位置或標(biāo)志性位置做好表示定點(diǎn)，測(cè)量與軸座之間的距離記錄好，防止發(fā)生意外變位之后無(wú)法恢復(fù)原位。

2.2 焊前準(zhǔn)備

1）清除軸根部位金屬表面的防銹漆、鐵銹、油污等，清除最外層裂紋向外15 cm范圍內(nèi)的防銹漆、鐵銹。

2）先目測(cè)確定裂紋產(chǎn)生狀況，根據(jù)目測(cè)裂紋的分布狀況大致確定分布區(qū)域，再采取著色探傷方法，確定主裂紋和伴隨裂紋的實(shí)際分布狀況。

3）氣刨清除軸根部位整圈已產(chǎn)生的裂紋和周?chē)诮饘?，同時(shí)制作約等于45°～55°的“K”型破口[4]。

4）再次采取著色探傷方法，確認(rèn)金屬無(wú)裂紋。同時(shí)檢查確認(rèn)倒“L”形物件焊接部位未發(fā)生裂紋或變形狀況，若發(fā)證變形或明顯的變位傾向，立即停止工作，恢復(fù)原先位置。

2.3 焊前預(yù)熱、保溫

使用氧氣、乙炔火焰預(yù)熱軸根部以及周?chē)?00 mm范圍內(nèi)金屬獲得均勻溫度分布，預(yù)熱溫度控制在150℃～200℃以?xún)?nèi)，大約預(yù)熱30 min，再使用米勒焊縫預(yù)熱機(jī)保溫2 h，加熱和焊前保溫過(guò)程中使用Raytek Rayger STTM60測(cè)溫儀監(jiān)控溫度變化[6]。

2.4 焊接

結(jié)合太重方面提供的焊接工藝參數(shù)和車(chē)間維修大型設(shè)備積累的焊接工藝參數(shù)，采用最有效的焊接工藝，謀求最好焊接質(zhì)量。

2.4.1 焊接方法

CO2氣體保護(hù)焊焊接，平焊為主，采用由兩側(cè)往里堆焊至合的多層多道堆焊焊接法[7]。

2.4.2 焊絲：Hobart TM-811N2焊絲。

2.4.3 焊接設(shè)備及焊接參數(shù)

使用Lincoln DC-600焊機(jī)及移動(dòng)送絲機(jī)，純度高于99.95%CO2氣體保護(hù)，相關(guān)焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 CO2氣體保護(hù)焊接的參數(shù)

2.4.4 焊接步驟

1）由于裂紋較深，軸座的焊縫區(qū)域會(huì)發(fā)生應(yīng)力扭曲變形或過(guò)度應(yīng)力集中，影響焊接質(zhì)量。因此將軸座以90°為標(biāo)準(zhǔn)分成4個(gè)焊接部分如圖4所示。

2）先焊接第1、第3部分，將焊縫的厚度控制在10～12 mm。

3）再換位置焊接第2、第4部分，焊接之前徹底清理第1、第3部分已形成的焊縫接頭，確保接頭無(wú)缺陷，同樣焊縫的厚度控制在10～12 mm。

4）同樣方式焊接至完畢，全程使用 Raytek Rayger STTM60測(cè)溫儀監(jiān)控溫度變化，確保焊接過(guò)程中的焊縫區(qū)域金屬溫度變化控制在150℃ ～200℃，若有溫度低于150℃，采取氧氣、乙炔火焰預(yù)熱措施確保焊縫形成溫度要求。嚴(yán)格控制焊縫形成過(guò)程中的熱輸入線能量以及焊前、焊后預(yù)熱保溫溫度。

2.4.5 焊后處理

焊后使用石棉毯包住焊縫區(qū)域，緩慢空冷，環(huán)境溫度約18℃。焊縫空冷后所有焊縫和熱影響區(qū)域金屬表面打磨光滑并拋光，采用超聲波和磁粉無(wú)損探傷，確保焊縫無(wú)裂紋。

2.4.6 焊接應(yīng)力釋放

釋放焊縫部位形成的焊接應(yīng)力是提高鏟斗焊接質(zhì)量以及延長(zhǎng)滾筒使用壽命的關(guān)鍵步驟。WK-55電鏟提升滾筒軸座根部裂紋的結(jié)構(gòu)特性和金屬機(jī)械性能要求消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向，細(xì)化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷。

1）使用米勒焊縫Proheat-35磁感應(yīng)預(yù)熱機(jī)使焊縫區(qū)域溫度，在環(huán)境中的常溫起升，溫度以100～120℃/h的遞增速度進(jìn)行加熱，達(dá)到300℃后保溫10 min，再以50℃/h的遞增速度進(jìn)行加熱，達(dá)到550℃～570℃。保溫3 h之后以50℃/h的遞減速度降溫至300℃，然后取下所有保溫措施，在廠房?jī)?nèi)空冷至環(huán)境溫度。

2）采用超厚度鋼結(jié)構(gòu)件的堆焊焊接方法，每道焊縫保證一次成型并嚴(yán)格控制每道焊縫長(zhǎng)度約等于100 mm，每道焊縫寬度12～15 mm，形成每道焊縫后必采取風(fēng)動(dòng)風(fēng)動(dòng)錘擊除藥皮等雜物，同時(shí)釋放焊接應(yīng)力。

3）嚴(yán)格控制焊縫形成過(guò)程中的熱輸入線能量以及焊前、焊后預(yù)熱保溫溫度，熱輸入值Q為1.5～1.7 kJ/mm[8]。

3 控制應(yīng)力變形檢測(cè)措施

檢測(cè)軸座在焊接過(guò)程中是否產(chǎn)生應(yīng)力變形，主要采用了2種方式：①目測(cè)檢驗(yàn)3件倒“L”形物件是否發(fā)生金屬變形趨向，若未發(fā)現(xiàn)初步確認(rèn)未發(fā)生變形；②使用兩件百分表安置在不同位置的平面，在焊接過(guò)程中和取下3件倒“L”形物件的兩個(gè)時(shí)段觀察數(shù)據(jù)變化，若發(fā)生數(shù)據(jù)化表明已發(fā)生變化。本次悍修作業(yè)未發(fā)生變形情況。

4 結(jié) 語(yǔ)

WK-55電鏟提升滾筒檢修完畢后立即投入坑下巖土剝離生產(chǎn)運(yùn)行作業(yè)當(dāng)中，截止當(dāng)前已運(yùn)行5個(gè)月，跟蹤檢查未發(fā)現(xiàn)金屬缺陷和軸根變形狀況，未發(fā)生2個(gè)軸座不同心原因造成的其他總成件非正常損壞等情況。因此，WK-55提升滾筒軸座根部裂紋焊接作業(yè)，采用鐘點(diǎn)位置焊接固定方法和分區(qū)域焊接方法能夠有效的控制應(yīng)力變形，保證了軸座的同心度，達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的焊接質(zhì)量，為礦山現(xiàn)場(chǎng)檢修提供了可借鑒的實(shí)踐技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

［1］ WK-55挖掘機(jī)機(jī)械維修手冊(cè)［M］.太原：太原重工股份有限公司，2010.

［2］ 呂子嘯.495HR提升卷筒基于Simulation Xpress的應(yīng)力分析［J］.太原科技，2015（12）：96-97.

［3］ 趙海珍，師明霞.WK-55挖掘機(jī)提升卷筒的加工制造［J］.機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2012（5）：118-119.

［4］ 夏廣才，布特格勒其.機(jī)械矯正WK-35鏟斗提梁及焊接工藝［J］.焊接技術(shù)，2012，41（10）：61-62.

［5］ 布特格勒其.495HR電鏟提升滾筒右側(cè)軸根焊接工藝［J］.露天采礦技術(shù)，2013（3）：71-72.

［6］ 布特格勒其.焊接495HR電鏟鏟斗斗唇裂紋［J］.設(shè)備維修與管理，2011（4）：62-62.

［7］ 布特格勒其，雷明宇.校正WK-55電鏟鏟斗提梁及焊接工藝［J］.露天采礦技術(shù)，2013（2）：68-69.

［8］ 布特格勒其.94 m3吊斗鏟鏟斗組裝及其焊接工藝［J］.露天采礦技術(shù)，2013（1）：70-71.

【責(zé)任編輯：解連江】

Welding technology of WK-55 shovel lifting roller shaft seat

JIAO Ruijun,Butegeleqi
(Equipment Repair Center,Shenhua Group Zhungeer Energy Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)

The article analyzes the distribution and causes of WK-55 shovel lifting roller shaft seat root penetration cracks, discusses the hour fixed control stress deformation method,welding technology and weld stress relief heat treatment in the welding process of field maintenance shaft seat root.The hour fixed control stress deformation method is applied on the spot overhaul of the structural parts welding seam of large mining equipment,which accumulates valuable experience for the same industry.

lifting roller;shaft seat;welding;hour fixed control stress deformation method

TD422.2+1

B

1671－9816（2017）04－0064－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.04.019

焦瑞軍，布特格勒其.WK-55電鏟提升滾筒軸座的悍修工藝［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（4）：64-66.

2016-10-27

焦瑞軍（1975—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，2001年畢業(yè)于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化與機(jī)械化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任神華準(zhǔn)格爾能源有限公司設(shè)備維修中心機(jī)修車(chē)間副主任。