胶带机滚筒环缝焊接裂纹产生的原因分析

摘 要：文章对带式输送机所用改向滚筒在近期生产过程中，滚筒筒皮与铸造接盘采用埋弧方法焊接时产生裂纹的原因进行判断分析。希望通过文章的分析，对相关工作能够起到参考的作用。

关键词：胶带机；滚筒；裂缝；原因；分析

前言

带式输送机用于输送物料，在冶金、港口码头、矿山运输等各个行业广泛应用。它由胶带、机头传动滚筒、机尾改向滚筒、托辊、机身支架、驱动装置、拉紧装置等部件组成。其中滚筒作为带式输送机中的重要组成部件，在工作中承担着传动、卸载、改向、托带等功能，滚筒质量的好坏直接关乎到带式输送机整机的质量，同时也影响设备的运行效率，尤其是作为传动滚筒使用时，更承担着重要的传递动力的工作任务，它的质量好坏，决定着胶带机的使用性能。

各种滚筒其主要结构一般分为筒皮、幅盘或轮毂、轴、轴承座等，其在生产加工过程中主要采用焊接方法制造，目前，我公司生产的滚筒，在焊接过程中最易出现的问题是筒皮与幅板或接盘焊接时在环缝处产生裂纹。其形式如图1。

图1 焊后裂纹图片

1 焊接裂纹判断

一直以来公司生产的各种类型小直径滚筒并没有发生焊接裂缝现象，随着产能不断提升，近期加工制作的φ700*1600滚筒多次出现环缝的焊接裂纹。此焊接裂纹不仅发生于焊接过程中，有的则产生于焊后的冷却过程中。焊接件出现裂纹，严重影响其使用的安全性，是一种非常危险的工艺缺陷，为此工作人员从滚筒的设计、材质、生产加工、工艺参数和季节、气候等方面进行了研究、分析和判断，查找产生裂纹的原因和解决办法。

裂纹属于焊接缺陷的一种，它也是评定焊件质量好坏的标准之一。根据其部位、尺寸、形成原因和机理的不同，可以有不同的分类方法。我公司加工生产的滚筒筒体采用Q235钢板卷制，接盘采用35#铸钢。经查找比对焊工技师手册等相关资料，焊接裂纹按形成的条件，可分为热裂纹和冷裂纹两大类。

1.1 冷裂纹

冷裂纹是指焊接接头冷却到较低温度时（对于钢来说在MS温度，即奥氏体开始转变为马氏体的温度以下）产生的焊接裂纹。根据引起的主要原因又可分为淬火裂纹、氢致延迟裂纹和低塑性脆化裂纹下述三种情况。（1）淬火裂纹是指在淬火过程中或在淬火后的室温放置过程中产生的裂纹，后者又叫时效裂纹。造成淬火开裂的原因很多，在分析淬火裂纹时，应根据裂纹特征加以区分。（2）低塑性脆化裂纹是指某些低塑性材料冷却到较低温度时，由于体积收缩所引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备量时所产生的裂纹。（3）延迟裂纹又叫氢化裂纹，即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹-因为氢是最活跃的诱发因素，而氢在金属中扩散、聚集和诱发裂纹需要一定的时间。产生原因是焊接接头含氢量、接头显微组织、接头拘束情况等因素相互作用的结果。在焊接厚度10mm以下的工件时，一般很少发现这种裂纹。工件较厚时，焊接接头冷却速度较大，对淬硬倾向大的母材金属，易在接头处产生硬脆的组织。另一方面，焊接时溶解于焊缝金属中的氢，由于冷却过程中溶解度下降，向热影响区扩散。当热影响区的某些区域氢浓度很高而温度继续下降时，一些氢原子开始聚集在焊接缺陷处形成氢分子，在金属内部造成很大的局部应力，在接头拘束应力作用下产生裂纹。

这种裂纹较多的发生在低合金钢、中合金钢和高碳钢的焊接热影响区中，可能在焊后立即出现，也可能在焊后几时、几天、甚至更长时间才出现。焊接某些超高强度钢时，这种裂纹也会出现在焊缝金属中。

上述三种情况：淬火裂纹——对于滚筒筒皮与接盘焊接来说不存在；低塑性脆化裂纹——在春秋季节时，焊接中会存在此问题；延迟裂纹（氢化裂纹）——根据产生原因判断存在此类裂纹。

1.2 热裂纹

热裂纹是指焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的裂纹。在深而窄的焊缝里的金属熔液因为空间窄小，熔液少，积蓄的热量少，温度下降快，结晶速度快，易产生偏析，一些有害物和杂质被挤到焊缝中间，导致收缩应力大，在应力作用下，易于出现热裂纹。通常多产生于焊缝金属内，但也可能形成在焊接熔合线附近的被焊金属（母材）内。按其形成过程的特点，又可分为结晶裂纹和液化裂纹下述两种情况：（1）结晶裂纹是指在钢材焊接时，焊缝中的S、P等杂质在结晶过程中形成低熔点共晶。产生于焊缝金属结晶过程末期的“脆性温度”区间，随着结晶过程的进行，它们逐渐被排挤在晶界，形成了“液态薄膜”。因而金属塑性极低，焊缝凝固过程中，由于冷却的不均匀收缩而产生的拉伸变形超过了允许值时，“液态薄膜”，不能承受拉應力而形成裂纹，即沿晶界液层开裂。（2）液化裂纹主要产生于焊缝熔合线附近的母材中，有时也产生于多层焊的先施焊的焊道内。形成原因是由于在焊接热的作用下，焊缝熔合线外侧金属内产生沿晶界的局部熔化，以及在随后冷却收缩时引起的沿晶界液化层开裂。造成这种裂纹的情况有二：一是材料晶粒边界有较多的低熔点物质；另一种是由于迅速加热，使某些金属化合物分解而又来不及扩散，致局部晶界出现一些合金元素的富集甚至达到共晶成分。

根据对这些裂纹的分析，可以得出我单位滚筒焊接裂纹基本可以归类为低塑性脆化裂纹、氢化裂纹和结晶裂纹三种， 前者只限于深秋及初春特定时间，中间只限于焊缝金属，后者则可能发生在焊缝金属或热影响区。找出裂纹类型后，根据裂纹实际情况再进行具体产生原因分析，寻找避免裂纹产生和解决出现裂纹的办法及方案。

2 原因分析

2.1 温度因素

我公司加工生产的同种型号滚筒在其它三个季节，环缝在焊后的超声波检测中质量良好，符合加工要求。多次出现环缝焊接裂纹的滚筒，焊接时正值深秋和初春季节，由于我公司地处鄂尔多斯市，它属北温带半干旱大陆性气候区，多年平均气温6.2℃，日最高气温14℃，日最低气温-8℃，昼夜温差及气温变化大，露天存放的结构件受低温影响，脆性增大，而焊接时从外部环境取出，没有经过预热等处理措施就直接进行对接，然后焊接，温度变化大，也是导致滚筒环焊缝开裂的原因。

2.2 材质因素

在我单位现有滚筒结构中，许多轮毂（或内置轴承座）常用35#钢铸造制作毛坯，而筒皮材质一般为Q235钢板卷制而成，两种不同的钢材焊接，尤其是在含C量较高或存在S、P等杂质的情况下，再加上焊接工艺不到位，就可能导致焊缝出现裂纹。

2.3 坡口形式

滚筒与铸钢接盘焊接，按照工艺要求需加工对接的焊接坡口，且两者之间预留拼接间隙。焊接接头的设计在焊接工程中是较薄弱的环节。而坡口形式对控制焊缝内部质量和焊接结构质量有着很重要的作用，GB/T3375-1994中焊缝成形系数的定义是熔焊时，在单道焊缝横截面上焊缝宽度（B）与焊缝计算厚度（H）的比值（φ=B/H），自动埋弧焊时焊缝的成形系数要大于1.3，即焊缝的宽度至少为焊缝计算厚度的1.3倍。焊缝成形系数小时，会形成窄而深的焊缝，在焊缝中心由于区域偏析会聚集较多的杂质，抗热裂纹性能差，所以形成系数值不能太小，我公司滚筒接盘坡口角度为45°，焊缝宽度及深度都是30mm，如图2所示，所以最初几道焊缝的成形系数是1，小于要求的1.3，故在焊接时容易产生偏析，导致焊缝产生裂纹。

2.4 焊接质量

同样因为现有滚筒坡口设计尺寸过大，焊接接头形式、坡口形式、焊缝截面形状、焊接参数等原因造成可能使焊缝未能够完全熔透，形成单面焊双面成型，甚至其底部与筒体可能仍有缝隙，使得滚筒环焊缝处于较大的应力集中区域，而应力集中是降低焊接接头和結构疲劳强度的主要原因，应力集中的存在有可能导致滚筒在焊接制造中产生裂纹或在使用中裂纹扩散。现有焊接参数表（如表1）

埋弧焊的单面焊双面成型参数标准中，直径4.0毫米焊丝电流范围在575～625A之间，电压在28～30之间，速度在46.02m/h左右。对比之后，现有参数中电压和电流部分不符合要求，数值过小，焊接速度远低于要求速度。这些参数的改变也会造成焊接质量的改变。

2.5 温度因素

从焊接变形理论可知，影响焊接变形大小的主要因素是：焊缝尺寸越大，熔敷金属越多，变形越大；焊缝尺寸相等时，焊缝热输入越大，造成的变形也越大；焊接大长焊缝时，分段比直通焊变形要小；焊缝布置不对称或虽布置对称但不对称焊接，焊缝部位偏离越严重，变形越大；构件刚性越小，变形越大。这些滚筒尺寸和坡口尺寸较大，且焊接是在一次性焊接中完成，焊缝累计长度可达26.4～35.2米，时长约2.5小时，焊接时产生大量的热，焊后在车间的低温环境中快速降温产生应力集中也是导致滚筒环焊缝开裂的原因之一。

3 解决办法及方案

通过查找原因，针对以上5种焊接中发现的问题，实行了坡口重新设计、焊接件预热、焊接电流电压调整、间断焊接、焊后保温等改进方法，通过这些改进提高了焊接质量，避免了再次出现焊接裂缝，在实际生产中取得了良好的效果。

参考文献

[1]GB/T3375-1994.焊接术语[Z].

[2]刘云龙.焊工技师手册[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3]韩国明.焊接工艺理论与技术第二版（焊接工程师系列教程）[M].北京：机械工业出版社，2007.

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

[5]陈裕川.焊接工艺设计与实例分析[M].北京：机械工业出版社，2010.

[6]李亚江.焊接缺陷分析与对策[M].北京：化学工业出版社，2011.

作者简介：邹学锋（1985-），男，江苏省邳州市人；2009年毕业于中国矿业大学徐海学院机械设计与自动化专业，助理工程师，现任皮带机公司滚筒车间主管技术员。