刮板输送机中部槽高效双丝焊接工艺技术研究

董曼淑，王凤领，彭春涛

（宁夏天地奔牛实业集团有限公司，宁夏 石嘴山 753001）

0 引 言

刮板输送机是井下煤炭运输的重要设备。中部槽是刮板输送机的机身主体，是大批量、关键部件。中部槽由两个铸造槽帮、中底板及齿轨座附件组焊而成。铸造槽帮和中、底板组件（在此抛开齿轨座附件不谈）由左、右对称的共6 条直焊缝组成，中部槽中板为对接焊缝，底板为角焊缝。中部槽中板焊缝采用50°X 形对接焊缝和传统的单丝MAG 焊焊接工艺，随着板厚的增加，导致中部槽焊接生产效率大幅降低。

随着我国煤碳产业的整合、发展，煤机装备重型化发展步伐加快，煤机产品需求逐年增加，生产周期日趋缩短，因此，研究中部槽的高效焊接工艺不仅可以提高中部槽的焊接效率，还可以提高其焊接质量，提升企业的经济效益和市场竞争力。

目前，高效焊接主要通过减少焊接熔敷量和高速焊接工艺两种形式［1］来实现。其中减少焊接熔敷量可采用减小焊缝横截面积的方法，如窄间隙焊接等；高速焊接工艺是在提高焊接速度的同时提高焊接电流，以维持焊接热输入大体上保持不变，如双丝、多丝弧焊技术、复合及多热源焊接技术等。

中部槽中板焊缝为50°X 形对接焊缝，随着板厚的增加，焊接熔敷量增大，采用传统的单丝MAG 焊焊接效率低。针对中部槽结构简单、焊缝规则的特点，考虑从减少焊接熔敷量和高速焊接工艺两方面着手研究提高中部槽的焊接生产效率。

1 减少焊接熔敷量的高效焊接工艺研究

焊接坡口形式影响焊接熔敷量和焊接接头的质量与焊接效率。焊接坡口小，焊接熔敷量少，焊接生产效率高，容易造成接头根部未熔合、未焊透、气体保护不良等焊接缺陷；焊接坡口大，焊接熔敷量多，焊接生产效率低，不仅浪费焊材，而且焊缝金属容易造成组织粗大等缺陷［2-3］，所以合理的焊接坡口形式，不仅能提高焊接生产效率，而且还能有效地提高焊接接头的质量。中部槽中板焊缝为50°X 形对接焊缝，随着中板的增厚（30~60 mm），其焊接工作量增大，焊接效率降低，且随之而来的还有焊接变形的增大等问题。因此，需要通过焊接熔透性试验优化中板焊缝坡口形式来提高焊接质量和效率。

1.1 不同坡口形式的焊接熔透性试验研究

焊接坡口的形式由坡口形状、角度、钝边及焊接间隙4 方面因素构成［4］，见图1。

每个因素的变化均会带来焊接坡口截面积的变化，进而影响焊接质量和效率。因此，采用不同的坡口形状、角度、钝边和焊接间隙的试样分别进行焊接熔透试验。试件尺寸匹配见表1。

图1 中部槽坡口形式

表1 焊接熔透性试验试件尺寸匹配

1.1.1 试验设备、材料、方法及参数（试验模拟中部槽焊接）

1）试验设备：YD-500A 形水冷焊机、自动焊接小车。2）试验材料：母材ZG30SiMnA、NM400；焊丝ER69-G φ1.2 mm。3）试验方法：采用单丝熔化极富氩混合气体保护焊（即单丝MAG 焊）。焊接参数见表2。

表2 不同坡口形式焊接熔透性试验焊接参数

表3 不同坡口形式的焊接熔透性试验检测结果（部分）

1.1.2 焊后检验

1）焊缝外观检测：检测工具使用焊口检测尺、钢板直尺［5］，检测结果见表3（部分试样）。2）焊缝内部检测：取样：沿焊道长度方向任意位置取6 处切断，试样经加工、抛光后用4%的硝酸酒精溶液腐蚀后观察焊道截面熔合情况。

检测工具使用5 倍放大镜、钢板直尺［5］，焊接熔透性检测结果，见表3（部分试样）。焊缝内部检测结果为：焊道表面均无裂纹、咬边、夹渣等缺陷，焊缝接头熔合情况良好，焊缝无未焊透、气孔、夹杂等肉眼可见的缺陷。

1.1.3 试验结果分析

本批共采用了不同坡口形状、角度、钝边和焊接间隙的20 余件试样分别进行了焊接熔透试验。对焊道截面切片进行观察可以得出：1）X 形坡口角度为36°、钝边6～8 mm、间隙大于1.8 mm 的条件下，可保证焊缝根部熔透，但在实际生产中，很难控制装配间隙，为保证焊缝可靠熔透，钝边可控制在4～6 mm 之间；2）K 形坡口角度为32°、钝边4 mm、间隙大于1 mm 时，焊缝根部熔合良好，但在焊接过程中，该坡口对焊丝的指向位置和角度控制要求较高；3）单边U 形坡口形式有利于根部熔合，在根部不留间隙的情况下也能够完全熔透，钝边4 mm、坡口斜面角度可在23°～30°之间选择，但该坡口需采用机械加工获得，影响产品总的生产效率。

综上所述，采用钝边4 mm、坡口角度36°的X 形坡口，坡口易于气割加工，焊接过程易于操作，焊接接头熔合良好，可以确定为优化的中板坡口形式。

1.2 优化的36°X 形坡口焊接接头金相分析

采用金相显微镜放大500 倍观察36°X 形坡口焊接接头，见图2

图2 焊缝及热影响区金相组织

焊缝金属金相组织为铁素体+珠光体；热影响区金相组织为“索氏体+少量铁素体”，并且金相组织细小良好，无过热、过烧等不良组织［6］，满足中部槽焊接接头金相组织要求。

1.3 优化的36°X 形坡口焊接效率分析

以板厚为45 mm 的中板为例，36°X 形坡口与原50°X形坡口横截面尺寸，见图3。

图3 36°X 形坡口与50°X形坡口横截面对比

对比得知：36°X 形坡口横截面为354 mm2,50°X 形坡口横截面为473 mm2,36°X 形坡口的截面积缩小（1-354/473）×100%=25.2%，即：减少25.2%的焊接熔敷量，同样提高焊接生产效率25.2%。

2 中部槽高速高效焊接工艺研究

目前，单丝MAG 焊接工艺，以其操作简单、焊接质量稳定等优点［7］，广泛应用于中部槽产品的焊接，但是，单丝MAG 焊熔敷速度慢，随着板厚的增加，焊接填充量增大，导致生产用时增加，影响中部槽的焊接生产效率。针对中部槽结构简单、焊缝规则的特点和中部槽异种钢母材的低合金高强度的材料特性，适宜采用高效双丝熔化极富氩混合气体保护焊焊接工艺［7-8］。

双丝MAG 焊，是由两套相互独立的焊接电源、控制和送丝系统组成。两根焊丝从被安装在一个焊枪喷嘴内的相互之间绝缘的两个导电嘴中送出，形成一个熔池，两套焊接系统既独立运行，完成各自的焊接过程程序控制，同时又需要相互协同工作，以利于电弧和焊接过程的稳定。双丝MAG 焊焊接速度（12～15 mm/s）快，焊接热输入量相对较高［7］。由于焊接线能量和层间温度的变化将影响焊接热循环过程和焊接接头的力学性能，因此，有必要对双丝MAG 焊的熔敷金属力学性能和焊接接头力学性能进行焊接工艺研究，为制定合理的焊接工艺提供依据。

2.1 焊接熔敷金属试验研究

根据焊材与母材强度低匹配原则［9］（抗拉强度≥较低母材的75%），选择70 kg 级焊丝，进行双丝MAG 焊的熔敷金属试验。试验根据熔敷金属的塑、韧性能确定合理的焊接线能量，进而确定双丝MAG 焊的焊接工艺参数。

焊接线能量是考量焊接电流、电压和焊接速度对焊接热循环的影响情况，焊接线能量越大焊缝中合金元素越容易烧损，塑韧性越差。双丝MAG 焊线能量计算公式［10］：

Q=2ηIU/υ×1 000。

式中：Q 为线能量，kJ/mm；I 为焊接电流，A；U 为电弧电压，V；υ 为焊接速度，mm/s，η 为热效率，电弧焊η=0.7～0.8。2.1.1 焊接熔敷金属试验条件

1）焊材：ER69-G，φ1.2 mm；2）试验方法：双丝熔化极富氩混合气体保护焊（即双丝MAG 焊）；3）试验按照GB8110 标准执行［11］。

2.1.2 焊接熔敷金属试验结果见表4。

表4 中，通过不同的预热温度、焊接电流、电压及焊接速度，所得到的熔敷金属抗拉强度平均值为744.8 MPa，满足抗拉强度≥690 MPa 即：与母材强度低匹配要求。

表4 双丝MAG焊熔敷金属试验及对应的力学性能

由表4 可得：熔敷金属抗拉强度均大于713 MPa，伸长率在16.8%～23.8%范围，冲击吸收功在118.25～169.54 J，实验结果均满足中部槽焊接熔敷金属力学性能要求。

从表4 看出，双丝焊的线能量在1.04～1.50 J/mm 范围时，可获得塑/韧综合性能最佳的熔敷金属，对应的焊接参数为：焊接电流280～300 A，焊接电压28～32V，焊接速度为10～15 mm/s。

2.2 双丝MAG 焊焊接接头力学性能试验研究

双丝MAG 焊的接头力学性能试验采用试验得出的36°X 形坡口形式、熔敷金属试验确定的焊接参数和125 ℃、155 ℃两种预热温度，并与传统的单丝MAG 焊焊接接头力学性能进行对比试验，其余试验条件见表5。

表5 焊接接头力学性能试验条件

试验按照GB2651 和GB2650 标准执行［11］，试验结果见表6。

表6 双/单丝MAG焊的接头力学性能对比试验结果

双丝MAG 焊焊接接头力学性能试验数据分析：

1）在125 ℃、155 ℃两种预热温度条件下，双丝MAG焊的焊接接头强度均高于单丝焊接70～80 MPa；

2）单/双丝MAG 焊的伸长率均在8%～12%，表明预热温度和焊接方法的差异对焊接接头的塑性没有明显影响；

3）对焊接接头冲击试验试验数据分析，不同焊接参数的双丝MAG 焊焊接接头冲击韧性平均值均高于单丝MAG 焊。

综上所述：采用36°X 形坡口，预热155 ℃，焊接电流280～300 A，电压28～32V，焊接速度为10～15 mm/s 时，双丝MAG 焊焊接接头的力学性能高于单丝MAG 焊，并且满足中部槽的焊接接头力学性能要求。

2.3 双丝MAG 焊焊接效率分析

采用相同的坡口形式进行单/双丝MAG 焊焊接速度对比分析。

由于焊接试件焊缝的熔敷金属量相同，所以，以焊接试验的实际焊接用时（实际焊接用时是指试板从开始焊接到焊接完成的全过程，包含了焊接辅助时间）做焊接速度的定性比对。单/双丝MAG 焊焊接速度的对比结果，见表7。

表7 双、单丝MAG 焊的焊接速度的对比

通过表7 单/双丝MAG 焊焊接速度和焊接过程中实际焊接用时数据分析得出：双丝MAG 焊平均焊接速度是单丝MAG 焊的2.34 倍，即双丝MAG 焊焊接生产效率比单丝MAG 焊焊接生产效率提高了234%。

3 结 论

1）采用36°X 形坡口形式，预热155 ℃，焊接电流280～300 A，焊接电压28～32 V，焊接速度为10～15 mm/s 时，双丝MAG 焊接头的力学性能高于单丝MAG 焊，并且满足中部槽的焊接力学性能要求。

2）通过对中部槽减少焊缝熔敷量和高速焊接工艺的研究，确定了36°X 形坡口形式和高效的双丝MAG 焊焊接工艺，在保证中部槽焊接质量的前提下，提高中部槽的焊接生产效率（25.2%+234%=259.2%）2.59 倍。

研究成果已应用于我公司SGZ1 200/2 000 刮板输送机中部槽焊接。新成果的应用，提高中部槽焊接生产效率2 倍以上，缩短了产品的生产周期，保证了焊接质量。中部槽在井下使用未出现任何焊接失效的情况。

［1］ 李荣雪.金属材料焊接工艺［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］ 殷树言.气体保护焊工艺基础［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］ 李亚江.焊接缺陷分析与对策［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［4］ 王爱珍.金属成型工艺设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

［5］ 王洪光.焊接检验［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［6］ 王建安.金属学与热处理［M］.北京：机械工业出版社，1980.

［7］ 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册：第1卷：焊接方法及设备［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［8］ 李亚江.焊接冶金学-材料焊接性［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［9］ 张子荣.焊接材料简明选用手册［M］.北京：机械工业出版社，1997.

［10］ 陈祝年.焊接工程师手册［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［11］ 王一力.金属焊接国家标准汇编［M］.北京：中国标准出版社，1999.