吊斗铲VRC铲斗焊接修复工艺的研究与应用

靳艳东

摘 要：吊斗铲VRC铲斗所用结构件材料均采用强度较高的钢板，在运行过程中，经常产生不同程度的裂纹。普通的焊接工艺达不到铲斗特性需求，导致裂纹频繁开焊，重复焊接修复，无法满足设备正常运行要求。所以通过实践总结出一套具有针对性的焊接修复工艺，不仅可以降低工人的劳动强度，也可以有效提高吊斗铲VRC铲斗的使用寿命，提高设备生产效率。

关键词：VRC铲斗;金属疲劳;CO2气体保护焊;焊接修复

0  引  言

8750-65型迈步式吊斗铲是准能公司露天煤矿抛掷爆破倒堆工艺的主采设备，主要对煤层上部岩石进行剥离。吊斗铲配套使用的VRC铲斗，全部为钢结构，自重80吨，容量90立方米。铲斗主体框架由厚度为50mm-100mm的焊达400型钢板制作而成，框架内部采用厚度30mm的威达700型钢板填充。铲斗在满负荷使用过程中，经常产生不同程度的裂纹，填充钢板裂纹可现场临时焊接，不影响设备运行;若主体框架裂纹，普通的焊接工艺达不到铲斗特性需求，导致裂纹频繁开焊，不得不重复焊接修复，无法满足设备正常运行要求。所以一种针对性的焊接修复工艺不仅可以降低工人的劳动强度，也可以有效提高设备经济性。

1   吊斗铲VRC铲斗裂纹分析

吊斗铲VRC铲斗连带索具自重达100吨以上，作业过程中频繁与岩石撞击，其外力作用引起铲斗本体开裂。如果是大能量的单次冲击，会产生突发性裂纹，一般属于脆性断裂裂纹，以极快的速度扩展，由于速度很快，产生的塑性变形来不及抗衡裂纹的扩展，所以导致脆性断裂。脆性断裂裂纹具有不能被及时发现、不能预先控制等弊端。

如果铲斗在作业中被小能量多次冲击，即会产生疲劳裂纹。疲劳是指小能量多次冲击而产生裂纹并扩展断裂。铲斗某个部位承受不同的交变应力集中作用，长时间重复工作，局部区域产生微小裂纹，继续承载运行后，裂纹逐渐扩大发展到表面，有时候甚至断裂。此疲劳裂纹早期不易发现，生产过程中需对铲斗应力集中区域加强检查力度，发现裂纹后及时进行维修，避免故障扩大。

2   铲斗焊接修复

吊斗铲实际运行中，铲斗始终处于交变载荷作用下，因此，其发生金属结构的疲劳裂纹或断裂非常普遍。焊接修复是针对铲斗裂纹最有效、最经济的维修手段。更换总成或用新材料替换裂纹区域成本都比较大，而且焊接质量不严谨，也会造成焊道重复开裂，增加维修成本。焊接修复分为现场焊接和大修焊接，一般为了不影响设备正常运行计划，出现裂纹后采取现场焊接的方式，使设备短时间内恢复使用要求，但是现场维修存在加热温度无法保证、焊接环境不可控、保温效果差等缺点。最合理经济的维修计划，是在铲斗正常保养周期内下机维修，铲斗进行全方位的探伤检查，对所有裂纹按照工艺进行焊接修复。由于铲斗金属与结构的特殊性，对焊接工艺的要求较高。

3   焊接工艺的制定与应用

3.1焊接方法

吊斗铲VRC铲斗体积庞大，裂纹位置会随工况随机出现。所以，每道裂纹都必须根据其宽度、长度、厚度、方向等条件不同，选用一种或多种焊接方法进行修复。可采用的焊接方法有平焊、横焊、立焊、仰焊等。对焊缝的选择控制也非常重要，在金属焊接过程中，焊缝过宽、焊脚尺寸过大，不但焊接接头受热严重，引起焊缝晶粒粗大，塑性、韧性下降，而且焊接热影响区较大，易产生焊接应力及变形;再者浪费材料增加成本。反之，焊缝过窄、焊脚尺寸过小，母材与焊缝可能熔合不良，引起应力集中，同时还使焊缝易产生咬边、裂纹等焊接缺陷，影响接头强度。因此正确确定焊缝尺寸是保证焊接质量的关键。吊斗铲铲斗裂纹一般都比较大，例如铲斗本体提梁根部裂纹，宽度150mmm、深度200mm、长度400mm，宜采用多层焊或多层多道焊，焊道打底时，需要使用直线型的焊接方法，对其上部填充层可选用斜锯齿形、斜环形焊接方法。

3.2焊丝选择

焊丝选用药芯焊丝，药芯焊丝是在焊丝内部装有焊剂或金属粉末混合物（称芯料），焊接時，在电弧热的作用下溶化状态的芯料、焊丝金属、母材金属和保护气体相互之间发生冶金反应。同时形成一层较薄的液态熔渣包覆熔滴并覆盖熔池，对熔化金属构成又一层保护。所以实质上这是一种气渣联合保护的焊接方法。选用直径为1.6毫米的TM-771Ni和LW-81Ni1两种药芯焊丝，由于VRC铲斗本体母材抗拉强度略高于TM-771Ni焊丝，低于LW-81Ni1焊丝，所以裂纹0-90毫米选用TM-771Ni焊丝进行焊接修复，厚度90-180毫米选用LW-81Ni1焊丝进行焊接修复，这样厚度0-90毫米的热影响区和厚度90-180毫米的热影响区的抗拉强度非常接近母材的抗拉强度，从而得到完美的过渡，保证焊缝质量。

3.3焊前准备工作

由于吊斗铲框架本体采用厚度为50毫米的焊达400钢板，填充采用厚度为30毫米的威达700钢板，所用结构件材料均采用强度较高的钢板。裂纹刨削、焊丝、焊接速度、焊接电压、焊接方式等，对焊接强度、焊接韧性、焊接成型、电弧稳定等焊接质量至关重要。

采用碳弧气刨方法将裂纹刨削出带钝边的V型坡口，刨削前加热VRC铲斗裂纹达到200℃以上。清理焊接部位周围的油漆、杂质等，使用角磨机对裂纹进行打磨，使其无夹碳无氧化皮。在裂纹背面铺贴背板，正反面铺贴加热板，直到裂纹周围1平方米的板材均达到200℃并持续加热。这些准备工作未完成之前不允许焊接。

3.4 焊接工艺及参数

选用CO2气体保护焊，由于CO？气体保护焊的焊丝直径小，电流密度大，电弧穿透力强，熔深大而且焊丝的熔化效率高，所以熔敷速度快，其生产效率为焊条电弧焊的2～4倍。焊接变形小，由于CO？气体保护焊的热量集中，产生的焊接变形小。能耗少，厚度为25mm的钢板对接焊缝，每米焊缝消耗的电能，CO？焊是焊条电弧焊的40%左右。CO？焊接厚板可以采用多层多道焊，厚度不受限制。抗锈能力强，CO？气体保护焊焊出的焊缝中含氢量低，抗裂性好，是一种低氢焊接方法。机动灵活，操作简便，CO？气体保护焊具有自动送丝系统和焊条电弧焊的机动性，又是明弧，便于监视和控制熔池及电弧有利于实现焊接过程的机械化和自动化。焊接综合成本低，CO？气体是酿造厂和化工厂的副产品，来源广泛，价格低。 焊接电流200A，电弧电压30V，焊接速度控制在15-18m/min范围内，CO2气流量约为20L/min，焊丝伸出长度约为10mm。电源极性采用直流反接，回路电感0.30-0.70MH，焊枪角度倾角小于10°。采用多层多道堆焊焊接方法， 焊时注意温度监测，每一层焊道都必须用打渣器清理熔渣，同时减小残余应力。做好防风措施，如不慎出现气孔或夹渣，要停止施焊，利用气刨将气孔和夹渣清理干净再继续施焊。焊后保温6小时以上，然后撤除加热板缓慢冷却，直到与环境温度一致，然后将焊缝打磨光滑。焊修后若有条件需对焊缝按照工艺要求进行PT、MT、UT等无损检测。

3.5焊接注意事项

为了保证焊道无夹渣、气孔、等焊接缺陷，焊接前必须对焊接表面进行彻底清理，并对焊接区域进行加热保温;焊接过程中严格按照焊接工艺，发现有缺陷时及时清除补焊;露天焊接必须设置半封闭的操作间，以防止不稳定的空气流动对CO2气保焊造成的焊接缺陷;焊接后严格按照要求进行保温，以使焊接材料与母体材料的力学性能一致。

焊接防火是此项工作的重点防护内容，需严格按照焊机铭牌上标的数据使用焊机，不得超载使用;使用焊机前，应检查焊机接线是否正确，电流范围是否符合要求，外壳接地是否可靠，焊机内有无异物;定期检查焊机电路的状况以及焊机各处的绝缘性能，如有问题应及时排除;作业时需设专人监护，确保作业人员及周围环境安全。焊接或气刨的时候一定要清楚周围杂物，确保火星飞溅区域无易燃易爆设备或物资。对焊接切割作业下方应进行隔离，作业完毕后应做认真细致的检查，确认无火灾隐患后方可离开现场;加强检测，注意监护，要有严格的安全组织措施。

4   结束语

铲斗作为吊斗铲挖掘的关键机构，它的性能好坏直接影响吊斗铲的工作效率。所以对吊斗铲铲斗需加强日常维护保养，发现裂纹及时进行焊接修复，而且焊接修复必须根据设备性质、工作环境、材料应用等制定针对性的工艺，尽可能恢复设备的初始性能，减少类似故障的发生。此焊接修复工艺不仅可以降低工人的劳动强度，也可以有效提高吊斗铲铲斗使用寿命，提高设备生产效率。

参考文献：

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[2]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第二卷）[M].北京：机械工业出版社.2007.

[3]张发，吊斗铲CQMS铲斗结构件框架设计改进[J].理论前沿，2019.

[4]张永强，吊斗铲导向轮导缆支架完全断裂组对焊接工艺[J].露天采矿技术，2012年第5期：60.