皮带机铸焊结构改向滚筒环焊缝的坡口设计及工艺改进

张乃祥

摘 要：通过了解铸焊结构改向滚筒断裂的基本情况并分析原因，改变其传统环焊缝的坡口形式，采用混和气体保护焊单面焊双面成形打底焊焊接工艺，保证了焊缝质量，有效地提高了焊接接头的疲劳强度。经改进后，显著提高了滚筒的使用寿命。

关键词：滚筒；断裂；疲劳强度；坡口；焊接工艺

中图分类号：U653.922 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）03-0051-02

Abstract： Through analyzing the basic situation and the reason for the fracture of cast welding structure， the traditional groove form of girth weld is changed， and the mixed gas shielded welding single side welding and double side forming bottom welding technology are adopted. Thus， the weld quality is guaranteed and the fatigue strength of welded joint is improved effectively. After the improvement， the service life of the drum is obviously increased.

Keywords： drum； fracture； fatigue strength； groove； welding process

滚筒是皮带机的关键部件，对设备整体运行起重要作用，其制造质量直接影响输送机运行的可靠性。其中改向滚筒的主要作用是改变输送带的运行方向或压紧输送带使其增大与传动滚筒的包角。据笔者统计，皮带机中特定位置的改向滚筒在运行中筒体出现断裂的质量问题较突出，不仅给业主和制造厂造成经济损失，而且也影响产品在市场中的地位，所以分析及解决其改向滚筒的断裂就成了重要课题。

1 铸焊结构改向滚筒的标准结构形式

DTⅡ（A）型带式输送机是通用型系列产品，在DTⅡ（A）的标准图中，铸焊滚筒的环焊缝的坡口形式通常为带永久垫板的半U半V形，结构如图1。

2 断裂的基本情况及原因分析

2.1 断裂的基本情况

据統计，铸焊结构改向滚筒的断裂都在焊缝处。于是选取了某项目中出现质量问题的滚筒做宏观金相分析，此滚筒是在运行了一段时间后出现断裂，断裂位置在焊缝， 无明显的塑性变形，焊缝根部有未焊透缺陷，且在图1中Ⅰ、Ⅱ处位置有明显的顶死现象，见图2。

2.2 原因分析

疲劳破坏总是由应力应变最高和位向最不利的薄弱晶粒或夹杂等缺陷处起始，并沿着一定的结晶面扩展。一般分为疲劳裂纹的萌生、疲劳裂纹的扩展和失稳断裂三个阶断，疲劳裂纹的萌生都是由塑性应变集中引起而产生的，这种细微裂纹随着应力循环次数的增多而逐渐扩展，当疲劳损伤累积达到损伤临界值，由于超载引起瞬间突然断裂。

由于在焊接接头处具有应力集中、焊接缺陷及拉伸残余应力，使其疲劳强度比母材金属低，因此其疲劳失效多在焊接接头处产生。

影响焊接接头疲劳强度的主要因素有：应力集中、表面加工、焊接残余应力、焊接缺陷、加载方式、尺寸因素等。其中焊接缺陷能造成严重的应力集中，因而大大降低其疲劳强度[1]。在对接焊缝中，未焊透深度越深，则焊接接头的疲劳极限越低。

因此，从断面的基本情况、制造工艺及在现场运行的情况分析，其滚筒断裂的主要原因为：焊缝根部存在焊接缺陷，有严重的应力集中，并在冲击载荷的运行工况下，造成疲劳断裂。因此要提高焊接接头的疲劳极限，就必须从影响疲劳强度的主要因素来采取措施解决。

3 坡口形式的设计改进及焊接工艺

3.1 坡口形式的设计改进

虽然标准结构形式的对接接头在生产组对时比较容易操作，但是由于间隙不易控制，常因搭接部位的圆弧半径、内外倒角的尺寸误差（见图1的Ⅰ、Ⅱ处），在组对时出现顶死现象，从而在焊接时产生较大的拘束应力；并且在根部间隙过小时极易造成局部未焊透或夹渣等缺陷，由于超声波探伤对带垫板的对接焊缝的检测具有局限性，所以根部的焊接缺陷也不容易被准确地检测出来。

另外，具有永久型垫板的对接接头由于垫板处形成严重的应力集中，降低了接头的疲劳强度。这种接头的疲劳裂纹均从焊缝和垫板的接合处产生，而并不是在焊趾处产生，其疲劳强度一般与不带垫板的最不佳外形的对接接头的疲劳强度相等。

因此，对皮带机中特定位置的铸焊结构改向滚筒，为避免出现以上问题，将其坡口形式改为了不带垫板的单面对接焊V形或U形坡口，坡口面角对称，钝边为1±1mm，间隙3±1mm；这种形式的接头还增加了焊缝的有效厚度，并且用超声波探伤能更准确、可靠地检测焊缝质量，从而有效地保证接头质量。

3.2 焊接工艺

（1）焊接方法

经实践表明，使用熔化极混和气体保护焊（以下简称MAG焊），选择合适的焊接工艺参数，并在合适的施焊位置进行单面焊双面成形打底焊，其焊缝质量完全满足要求，且效率高。因此打底焊使用MAG焊（80%Ar+20%CO2）单面焊双面成形，第二层仍用MAG焊，其余层用埋弧焊。

（2）焊接材料的选用

筒体材质为Q235B，接盘材质为ZG230-450。按照等强匹配的原则，MAG焊选用焊丝型号为ER50-6；埋弧焊选用焊丝牌号为H08MnA，焊剂为HJ431、焊前200～250℃保温2小时烘干。

（3）焊前准备endprint

将焊接坡口每侧不小于20mm范围表面的油、锈、漆、水等杂质清理干净。

接盘坡口面如果有夹砂、气孔、裂纹等铸造缺陷时，应完全除掉或适当修补，使之成为良好的坡口。

（4）装配及坡口尺寸

在机加工筒皮端面坡口时，应光圆距端面10mm的内口并以不超过1：2.5的坡度值平缓过渡，允许留黑皮，接盘内径按筒皮内径配车。装配时，应保证错边量及组对间隙，在外侧对称组点一定数量的筋板，并保证强度，坡口内不允许定位焊。

（5）焊前预热

虽然碳当量Ceq小于0.45%的铸钢件一般不需要预热，但由于刚性大，且多是厚壁件，因此焊前都要求预热至80～150℃，预热宽度为焊缝每侧距焊缝中心不小于2δ（δ为板厚），且不小于75mm。道间温度不低于最低预热温度。

（6）焊接工艺参数

打底焊：MAG焊，焊丝直径Φ1.2mm，焊接电流100～130A，电压18～21V，气体流量15～18L/min；打底焊的最佳施焊位置在1点半到2点钟的夹角处，下坡焊，接头处必须在始接处用砂轮机打磨出缓坡，以利于保证打底焊的焊缝质量。

第二层：MAG焊，焊丝直径Φ1.2mm，焊接电流220～280A，电压24～32V，气体流量18～22 L/min。

其余层：埋弧焊，焊丝直径Φ4.8mm，焊接电流550～650A，电压32～38V，焊接速度350～450mm/min。

（7）焊缝质量要求

Yamaguchi通过实验研究了对接接头焊缝增强高度（余高）对焊接接头疲劳强度的影响。实验中焊缝宽度和高度变化，但两者比值保持不变，即意味着夹角保持不变，试验结果表明，疲劳强度也保持不变。但如果焊缝宽度保持不变，变化增强高度，则接头疲劳强度降低[2]。因此，焊后应对打底焊背面焊缝进行外观检验，要求背面焊缝余高为0～1.5mm，并圆滑过渡，对于余高超高的焊缝应使用砂轮机打磨至符合要求。焊接接头缺陷要求符合JB/T5000.3《重型机械通用技术条件第3部分：焊接件》评级为Ⅲ级及以上的要求。

（8）焊后热处理

铸焊结构改向滚筒通常要求消除应力退火，操作时应严格按照焊后热处理工艺规程。

4 结束语

由于MAG焊单面焊双面成形操作方法比较容易掌握、效率高，在采用改进后的坡口形式及焊接工艺后，其滚筒的生产效率没有明显降低。MAG焊打底焊背面成形优良、焊縫质量满足要求，超声波探伤准确、可靠，经现场使用比原来更长的周期后，没有出现质量问题。因此，通过改变铸焊结构改向滚筒的坡口设计及焊接工艺来保证焊接接头的质量，提高环焊缝接头的疲劳强度是有效的。

参考文献：

[1]赵少汴，蓝伙金.抗疲劳设计[M].北京：机械工业出版社，1997：225-238.

[2]管德清.焊接结构疲劳断裂与寿命预测[M].长沙：湖南大学出版社，1996：74.

[3]徐伍义，杨 .旱船式耙矸机皮带机自移新工艺[J].科技创新与应用，2012（04）：29.endprint