大型矿用挖掘机铲斗缺陷修复工艺研究_马小龙.pdf

大型矿用挖掘机铲斗缺陷修复工艺研究马小龙（国家能源集团陕西神延煤炭有限责任公司，陕西榆林719000）摘要：铲斗为矿用挖掘机中主要受力部件，工况条件非常恶劣且受力极为复杂，针对此，对电铲铲斗在剥离采掘过程中产生的各类裂纹及铲斗斗唇裂纹提出对应的修复工艺，并主要针对 WK-35 铲斗及斗唇等焊接结构件及高锰钢 ZGM13Mo 等铸件的焊接修复工艺进行分析，详细阐述其焊接修复通用规则及焊接修复工艺过程，为此类焊接结构件的修复提供一定的检修经验。关键词：焊接修复；铲斗；斗唇；裂纹；焊接中图分类号：TG441.7文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0251-030引言WK-35 矿用挖掘机是我国自主研发的大型矿用机械正铲式挖掘机，其性能优越，可靠性强，它可与载重量为 172263 t 的矿用自卸汽车相配套，适用于年产量 1 500 万 t 以上的大型露天矿山的岩石剥离和物料采装作业，为主要采掘设备之一。由于铲斗是整个电铲的主要受力部件且直接接触物料，使用过程中长期承受反复大载荷冲击，使得铲斗经常会出现各类裂纹，其中铲斗斗体及斗唇的裂纹缺陷就极为常见，而铲斗及斗唇在使用过程中一旦出现裂纹，其修复就会极为困难，在没有库存的情况下，若购买更换新的斗体或斗唇，采购周期在 3 个月以上，且其部件为电铲采掘重要部件，拆卸、装配工艺繁琐，由此给公司造成的经济损失极大1-3。为了降低生产成本，国家能源集团陕西神延煤炭有限责任公司针对此类缺陷焊接修复进行了立项研究。1铲斗斗体焊接修复通用规则1.1焊接工艺选择制定修复工艺时，要根据材料类型、焊接位置、坡口及接头形式、环境条件等因素加以权衡，确定合理的焊接工艺。对大多数维修工作而言，高的焊接效率并不是最重要的考虑因素，同时还需考虑其他因素。1.2焊接工艺影响因素1.2.1基体金属类型根据不同基体材料的焊接特点来选择不同的焊接修复工艺，各种焊接工艺方法的应用范围如表 1所示。对于某些类型的材料，最大热量输入必须加以限制，如淬火回火处理、时效硬化、渗碳或其他特殊热处理过的材料以及高锰钢4。若应用这些材料进行焊接时，具有高效率、高热输入优势的工艺则可能会被限制采用。1.2.2坡口设计及厚度随着截面厚度的增加，焊接效率越来越重要。较高效率的焊接工艺的合理选用也是十分重要的，但由于焊接位置、环境等因素的影响，焊缝坡口形式会受到限制，工艺要求需保证焊缝质量，避免根部产生未焊透、未熔合以及气孔等焊接缺陷等，因此焊接工艺的选择和坡口形式的设计尤为重要5。工艺选择时还必须考虑焊接长度和面积，而对于短焊接，效率较高的工艺不一定具有优势。1.2.3焊接位置在选择焊接工艺时，焊口位置是重要的考虑因素，因为很多工艺仅限于在几个位置的应用。焊接位置应尽可能选择平焊位置，因为在此位置完成焊接时，可实现最高的焊接效率和焊接质量。但由于受工地条件的限制，大多数维修工作是在不能重新定位的大型焊件上完成的，且对焊口的接触受限，因此，高效率的焊接工艺和焊补材料的使用也会受到一定的限制。1.2.4环境条件风、雨和雪是影响焊接的三种典型环境因素。极小的风力会影响气体保护，这对高质量气体保护焊接至为关键。任何焊接工艺皆不能在直接受雨条件下实施6。适当的防雨布、防水障碍或其他临时封闭设施可消除此条件限制。1.3焊接工艺总结下页表 2 是常见工艺及其额定值的指南，可协助收稿日期：2022-11-01作者简介：马小龙（1976），男，陕西黄陵人，毕业于西安科技大学电气工程及自动化专业，本科,工程师，现为国家能源集团陕西神延煤炭有限责任公司生产技术部副经理，主要从事露天煤矿机电、信息化工作。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.096表 1焊接工艺定义焊接工艺应用保护式金属弧焊（SMAW）存储罐、船只和建筑结构、桥梁、机器、管道、碳钢和低合金钢压力容器、高强钢或耐热合金熔剂焊丝弧焊（FCAW）埋弧焊（SAW）碳、低合金或不锈钢厚截面气体保护金属弧焊（GMAW）大多数金属与合金，用于薄截面以及要求高焊接质量的应用等离子弧焊（PAW）经验交流山西冶金E-mail:第 46 卷表 2工艺比较图表进行焊接工艺选择。尽管某些额定值是主观的，但其提供了很多实际应用指标的一般对比情况。从表 2 中可看出，在为给定焊接任务选择最佳焊接工艺时，必须考虑多个变量。在实践中，需要借助经验来确认和准确衡量所有涉及的变量。某些因素如焊工对新工艺的态度和意识等可能比其他因素更难分析。1.4焊材选择选择焊接材料的首要考虑因素是基体金属的兼容性和焊接工艺，挖掘设备焊料分类和属性如表 3 所示。1.5焊材搬运和存储焊材通常应存储在室内，最好存放在温度、湿度可控的室内。温度、湿度波动过大会影响焊材的低氢特性，即使包装在密封容器中也会受到影响。裸焊丝存放时间过长会导致焊丝表面生锈腐蚀7。具体规则为：1）弃用任何发潮焊条。2）弃用置于炉外以及打开包装时间超过表 4 中所示累积时间的任何焊条。3）应将焊条容置炉温度设定在 120150。4）未使用的新焊条应立即置于炉中。5）所有焊条和焊丝应保持清洁干燥。应对剩余在打开的送丝器上的焊丝加以保护，免受灰尘和湿气影响。6）若焊条要求重新烘烤，根据相应焊条说明书要求的温度及保温时间对焊条进行烘干。1.6焊接修复准备1.6.1焊接缺陷类型最常见的缺陷类型：焊接裂纹、夹渣、气孔、咬边、未焊透、未熔合、焊瘤、烧穿、塌陷、凹坑、弧坑填充不足、弧坑裂缝、成型不良以及焊接飞溅等。1.6.2焊接修复准备步骤良好的焊接修复准备是焊接成功的基础。焊接前，必须正确准备好有裂缝的焊件或结构。进行任何焊接修补前，首先要做的是彻底清洁所有污染物区域。如果不能完全清洁，可能会导致补焊失败8。这些污染物是产生氢致裂纹、孔隙以及潜在重新开裂的主要源头。必须清除所有锈迹、油脂、油漆、水或其他杂质。若可能，将整个部件进行清洁；若不可能，应清洁从受损区域至各个方向至少 450 mm 的区域。条件允许的情况下，执行非破坏性测试（NDT），以确认所有裂缝。执行磁粉或着色渗透试验可定位和确定任何目视未发现的裂缝，还可确定裂缝总长度。1）定位需补焊的裂缝的起始点和终止点。开始刨除裂缝时，从超出裂缝端的某个点开始（例如：从超出裂缝起点 2550 mm）的位置点开始补焊，该位置取决于材料厚度及位置。2）在进行碳弧气刨前，预热补焊区域。温度取决于基体材料和其厚度。3）最好每道可刨除约 3.24.8 mm 深度的材料。此技术优点：可完全吹离熔态金属；有利于焊工探测和分析裂缝原因；防止基体金属过热（如：锰或淬火回火材料）；提供整齐、相对一致的接头准备，易于清洁、检查和再焊接。4）对受影响区域进行研磨或气体保护碳弧处理。使用气体保护碳弧工艺时需预热材料。从超出裂缝后端约 50 mm 的位置开始向裂缝进行碳弧气刨，以防止在消除裂缝时因热量作用进一步拉伸裂尖。碳弧气刨移除材料的每道深度应限于至多 3.24.8 mm。焊接工艺SMAWGTAWGMAWFCAWSAW质量良优优良优沉积速度良差良良优现场作业优差良优差设备维护低低中中中烟/烟气高低中高极低热输入控制优差良良符合要求弧明以及燃料配置良优符合要求 符合要求差各种可焊金属符合要求优良良尚可表 3WK 挖掘设备焊料分类和属性填充材料类型焊接方法抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%冲击吸收功/JE70T-1E71T-5ER70S-6E7018EL12EM12KER70S-2ER50-6FCAWFCAWGMAWSMAWSAWSAW496.44496.44496.44496.44496.44413.7413.7413.7413.7413.72222222227（17 ）27（17 ）27（17 ）27（17 ）27（17 ）E90T1-K2E91T1-K2E9018FCAWFCA620.55758.45620.55620.55537.81530.92537.8117171727（17 ）27（17 ）E100T1-K3E10018ER110S-GFCAWSMAW689.5827.4689.5758.45758.45827.4606.76599.87161627（17 ）27（51 ）（T4130）（E4130）（ER4130）E4303（E4340）FCAWSMAWGTAWSMAWSMAWE308E309LE309TL-3SMAWSMAWFCAW551.6517.13517.13353030（4IP）LincolnJT-D507SMAWFCAWSMAW表 4容许暴露-包覆焊条材料类型累计时间/hE70184E80182E90181E100181/2E110181/2不锈钢42522023 年第 5 期5）在消除和修补好长裂缝后，短焊段如 150300 mm 的焊段可一次消除，并在继续下一焊段前焊回。有时需要使用此技术以防止在修补区域或其他区域发生额外开裂，使变形最小化。6）焊补接头面的角度变化不定，其取决于裂缝深度、构件厚度以及修补采用的焊接工艺。一般情况而言，接头面应处于 1522.5的角度（可提供3045的包含角）。7）在碳弧气刨过程中，采用 U 形修补坑槽，而非V 型修补坑槽。采用 U 型坑槽有助于将应力集中最小化，可更好地接触焊接根部焊道或第一焊道。8）清洁表面，并用砂轮将弧槽表面打磨光滑，研磨深度为 0.8 mm，移除碳弧气刨工序留下的所有碳沉积。若在特殊情况下不可能达到清除条件，则应在接头表面使用锋利的气动凿清洁。9）执行非破坏性试验（NDT）验证所有裂缝和其他不连续部分被移除，通过磁粉或着色渗透试验来完成。2铲斗焊接修复实例分析2.1铲斗本体焊接修复2.1.1缺陷产生原因分析WK-35 电铲铲斗采用低温冲击韧性高的低合金高强度钢板，母材基体材质为 A514，外部焊接同等高强度材质的方钢，内部贴合高耐磨性的复合耐磨板HRC55-58，可有效减小铲斗在挖掘物料时对铲斗母材的磨损。铲斗是电铲的重要工作部件，其直接铲取物料，铲斗内部尤其斗前底部长时间承受较大反复的冲击载荷，经常会出现耐磨板脱落、斗前母材磨漏等现象，现就以此类缺陷为例，结合上述焊接修复通用规则，制定修复工艺。2.1.2修复工艺此类缺陷可按照以下三种方案进行修复：将磨漏部分基板适当切掉一块进行更换，再加耐磨板；直接在原基础上加盖一块基板，再加耐磨板；直接在原基础上加盖耐磨板。1）焊前准备：将铲斗磨漏部分及周围泥土、油污、铁绣等杂物清除干净；根据选用的方案进行修复；焊接前需在 100 左右的温度下预热焊件（注意：焊前必须清除焊件表面的油、铁锈和水分等杂质）。2）焊接修复过程：用直径 4 mm 的 J507（E5017）焊条施焊（用 3.2 mm 的焊条打底），焊接工艺规范如表 5 所示，焊条使用前须经 300350 烘焙 1 h，或采用 E71T-1 药芯焊丝进行焊接，如果采用方案 B，要在对接坡口背面加工艺垫板，保证焊缝焊透，并将焊缝表面磨平；焊接过程中，要确保焊缝质量，不得有气孔、夹渣、咬边等焊接缺陷，每焊 12 道后，及时对焊缝进行锤击，以消除焊接应力，焊缝要求达到超声波探伤级合格；最后在耐磨板焊缝表面采用 D557焊条堆焊 3 mm（厚度）。2.2铲斗斗唇焊接修复工艺2.2.1缺陷产生原因分析电铲运行过程中，通过斗杆推压铲斗，铲斗铲取物料完成后，通过起重臂将铲斗提升至一定高度，打开开斗机构斗底将物料倒入翻斗车，整个作业过程中铲斗斗唇直接接触物料，始终在大且复杂的承载负荷下工作，其表面承受巨大的动态载荷，由于受力情况非常复杂，斗唇经常会出现掉块或开裂现象，且更换斗唇所耗费的时间长、经济成本高。为了降低生产成本，提高工作效率，结合焊接修复通用规则，制定斗唇焊接修复工艺。2.2.2修复工艺焊前准备：在焊接区域周围采用围板、搭帆布棚等措施减小刮风对焊接质量的影响；焊前将待焊部位及周围的油漆、油污、碎煤、铁锈等杂质清理干净