带式输送机滚筒环缝焊接工艺的改进

葛 花

（国能神东煤炭皮带机公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209）

滚筒是皮带机的核心组成部分，它的制造质量直接决定了皮带机的可靠性。其中，改向滚筒的功能是通过调节输送带的方向，或者通过调节输送带的夹角，来提高皮带机的效率和稳定性。根据统计，皮带机中某些部件的改向滚筒在运行过程中出现断裂的情况非常普遍，这不仅会对用户和生产商造成巨大的经济损失，还会影响产品在市场上的竞争力。因此，研究并解决这类问题显得尤为重要。

1 断裂的基本情况

1.1 冷裂纹是由于煤矿带式输送机的滚筒焊缝出现裂纹造成的

如果把钢材放在冰箱里，它的表面就会变得很脆，导致钢材在加工过程中容易损坏。根据损坏的原因，钢材的表面裂痕通常被划分为三种：淬火、低塑性、氢致延迟。（1）经历了一系列的热处理，从而产生的裂缝，既被称作淬火裂缝，也被称作时效裂缝。由于多种多样的原因，导致了这种情况的发生，因此，要想准确地识别并鉴别出各种类型的淬火裂缝，就必须根据它们的特点来做准确的判断。（2）当某些具有极小的塑性的物质被降温到极限的情况下，由于其内部的压强超过了它们本身的抗压强度，就会导致裂纹的形成，也就是所谓的塑性裂纹。（3）氢元素的存在也会导致裂纹的形成，而且，由于裂纹的形成，它们通常都是在熔融之前，并且还需要相对更久的时间来形成。由于多种影响因子的交叉影响，如焊头的氢气浓度、结构细节和受力情况，导致了氢致延迟裂纹的产生。然而，当焊缝厚度小于10mm 时，这种裂纹几乎没有被观察到。如果工件的厚度超出了规范的范围，那么它的冷却速率就可能变得很高。此外，如果钢的淬硬性很强，那么它的接合处可能出现许多硬化的结构。此外，由于冷却的作用，许多氢气都可能被吸附到钢的焊缝上，导致它们的浓度迅速减少，最终传播到受到高温的部分。随着热量的传递，一些地方的氢气含量急剧增加，而同时，由于温度的迅猛下跌，从而导致了金属焊缝周围的氢原子发生反应，形成了一系列的氢分子，从而产生了较大的局部应力，而由此产生的应力又被固定到了接合面，最终导致了焊缝的破坏。这些特殊的焊缝裂纹通常发生于不同的材料，包括低合金、中合金以及高合金。它们的发生往往不一定马上就发生，也许需要几天甚至更久的等待。然而，对于一些具有更高强度的材料，这些裂纹往往也会发生。综合考虑各种原因，我们发现三种常见的冷裂缝类型有：（1）通常发生在改变方向的滚动部件或连接部位。（2）常见于春秋时期。（3）根据其原因，我们能够识别这些裂缝[1]。

1.2 热裂纹出现在煤矿带式输送机的滚筒焊缝上，造成了严重的损坏

当电弧加工时，如果电弧的加工能力下降，就会产生电弧电流。电弧的电流通常是通过电弧的加工能力来传递的，当受到外界压力时，就容易产生热裂纹。通常，它们发生在金属的焊缝里，但也有很高的概率发生在靠近焊接熔池的原料表面。根据它们的表面状态，可以把它们划分为两种：凝固性的、溶解性的。（1）通常情况下，S、P 这些有害的元素会导致钢铁的焊接变得更加困难。这些元素可能会导致熔化，形成一个更难形成的共晶。随着这个过程的继续，这些元素可能会逐渐从焊缝的边缘脱离，形成液体。在焊接后，由于温度分布的不平衡，会造成材料的变形，超出了规定的最高限度，这会对材料的抗压能力造成严重的影响，从而引发结构的破坏，这些破坏通常被称为结构裂纹。（2）当某种物体表面受到焊接时，就会发生变形，这种变形被称为液化裂纹。这种变形通常发生在距离焊缝熔合线较远的物体表面，也发生在已经进行了多次焊接的物体表面。它的形成主要原理是由于焊接时产生的高温，导致物体表面的某些区域发生了溶解，从而形成了不均匀的分布。一是由于高温环境中的熔融物含量太高，而且无法迅速扩散，从而引发了一些裂缝的产生；二是由于高温环境中的一些化学反应，可能会造成一些原本被控制的组件被激活，从而引发一些新的组织，如共晶组织。通过准确识别各种裂缝的特征，我们能够更好地了解它们的形态，并从中提取出有用的信息，从而更快地采取预防性的、针对性的、有效的防止裂缝发展的措施[2]。

2 煤矿带式输送机改向滚筒焊缝出现问题的原因

2.1 温度原因

当温度变化时，煤矿带式输送机的滚筒焊缝会发生裂缝。这种问题通常有两种类型：（1）春秋时期焊缝的材料含量高，导致焊缝变得脆弱。这时，需要采取适当的措施以避免这种问题的发生。（2）根据焊接变形的原则，我们发现，影响焊接变形的重要因素包括：一是焊缝的宽度和厚度越宽，变形越明显；二是在保持一定厚度的前提下，随着温差的增加，变形越明显；三是分段焊的变形比单一的焊条更少；四是由于焊条的不平整，变形的幅值越高，其厚度也越明显；五是结构的强度越高，变形的幅值也越明显。当采用单次焊接或者焊缝的累计长度超标，由于熔化的热量太多，在焊接结束之前，如果冷却的速率太快，就容易导致应力的聚焦，从而导致煤矿带式输送机的转子滚筒的焊缝发生破损，从而引发严重的安全事件。

2.2 材质原因

在某些滚筒结构中，为了满足使用及日常要求，通常会采用35 号优质碳素结构钢制作轮毂和内置轴承底座，而A3 钢卷纸则被用于卷制和焊接各种钢材，但是，由于碳含量较高，而且存在大量的S、P 等无用杂质，再加上焊接质量不佳，很可能会导致煤矿带式输送机改向滚筒焊缝出现裂纹[3]。

2.3 坡口原因

在滚筒与铸钢接盘的焊接过程中，必须按照规定的技术标准，特别注意两个部分的连接处，以确保安全可靠的连接。在这个过程中，接头的设计尤为关键，因此必须特别注意，以确保质量。焊缝的成型系数是指单道焊缝的横截面上的焊缝宽度与焊缝厚度的比例，它对焊缝的质量影响很大。因此，当采用自动化的焊缝技术，焊缝的成型系数必须大于或等于一个单位。当系数太低时，将会造成焊接部位的狭窄和加工难度，同时也可能引发有害的杂物在焊接部位的边缘堆积，从而降低了材料的耐高温性和耐久性。

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，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。

采用永久性垫片的连接件会导致应力过大，使得连接件的抗拉能力大大减弱。此类连接件的抗拉能力通常来自连接件的拼装部位，而非连接件的接触面，因此，它们的抗拉能力通常都能达到同样的水平。

经过重新设计，皮带机的铸焊结构的转向滚筒采取了新的形状，即无需带垫板的Ⅴ形和U 形坡口，它们的表面形状是完全一致的，钝边宽度在1±1mm 之内，间距在3±1mm 之内。采取这样的形状，既提高了焊缝的有效厚度，又使超声波探伤技术变得更精细、可靠，进一步提高了接头的质量[4]。

3.2 焊接工艺

1.焊接方法。通过实际应用，我们发现，采用MAG焊技术，通过精确控制焊接工艺参数，以及恰当的施焊位置，可以达到良好的单面或双面成型，从而达到优良的焊缝质量，同时还能提升生产效率。为了达到最佳的效果，我们采取了MAG 焊（80%Ar+20%C02）的方式来完成第二层的打底，而剩下的层则采取了埋弧焊的方式。

2.焊接材料的选用。选择Q235B 作为筒体，ZG2 30-450 作为接盘，根据等强度匹配的要求，MAG 焊选择ER50-6 焊丝，埋弧焊选择H08MnA 焊丝，HJ431 焊剂，在焊前200℃～250℃进行预热处理，持续2 个小时。

3.在焊接之前，请确保焊接坡口两侧的表面清洁，并且保证其厚度不低于20mm。在进行焊接前，若发现焊缝表面存在任何形式的铸造缺陷，例如砂粒、气泡和裂缝，都必须彻底清理并进行必要的维护，以确保焊缝质量。

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。尽管Ceq 低于0.45%的铸铁零部件通常无须进行预处理，但由于它们具有较高的强度和较厚的结构，在进行焊接之前，必须将其温度调节到80℃～150℃，并确保其两端的温差不低于焊接部位的温差。板厚必须达到75mm 以上，而且其中的每一个板之间的温差必须大于最低的预热温度。

6.焊接工艺参数。MAG 焊是一种高效、精确的焊接方法，其特点是：焊丝的直径为1.2mm，焊接电流为100A～130A，电压为18V～21V，气体的流速为15L/min～18L/min 升/分钟。最适合进行mag 焊的位置是1点半至2 点钟的夹角，采取下坡焊，并且要求接头部分要经过砂轮机的打磨，使其形成一个平整的斜坡，从而确保mag 焊的焊缝质量。

第2 层：MAG 焊，使用1.2mm 的焊丝，控制220A～280A 的焊缝电压，24V～32V 的电压，以及18L/min～22L/min 的气体流动，以达到最佳的焊接效果。

其余层：埋弧焊，焊丝直径中4.8mm，焊接电流550A～650A，电压32V～38V，焊接速度350mm/min～450 mm/min。

7.焊缝质量要求。Yamaguchi 在一项关于焊接接头的实际应用中，发现余高的改变会显著提升其疲劳强度。在这项实验中，尽管焊缝的宽度会发生改变，但是它们之间的比例仍然相同，这就意味着它们之间的夹角仍然相同，而这一发现最终证实了它的可靠性。若将焊缝的宽度维持在一定范围内，而改变其高度，将会导致接头的疲劳强度显著下降[5]。因此，在完成焊接之前，必须先仔细检查其背部的余量，其范围在0mm～1.5mm 之间，且需要完美的平整，若是余量较大，需要采取措施将其打磨到满足规范的标准。根据JB/T5000.3《重型机械通用技术条件第3 部分：焊接件》，对于焊接接头的质量，应当达到Ⅲ级或更高的标准。

8.焊后热处理。采用铸焊结构改向滚筒时，必须进行应力退火，以确保操作过程中的质量，并严格遵守焊后热处理工艺规范。

通过对MAG 焊的改进，我们发现它的操作方法变得更加简单和高效。这种新的坡口形式和焊接工艺使得滚筒的生产效率得到了提升。此外，MAG 焊的背面成型也非常优秀，焊接质量也达到了要求。超声波检测也非常精确和可靠，并且在使用了更长的时间后，没有出现任何质量问题。为了确保焊接接头的质量，提升环焊缝接头的疲劳强度，我们应该对铸焊结构进行改进，并调整滚筒的坡口设计和焊接工艺。

4 结语

滚筒在煤矿带式输送机中起到至关重要的作用，它由皮革、轮毂、轴和支撑架组成，具备了传递物料、卸货、调节方位和拉动物料等诸多功能。它们的品质决定了煤矿带式输送机的性能，也会对其整体使用寿命产生重大影响。焊缝在制作滚筒时起着重要作用，但由于其特殊性，如环形焊缝、纵向焊缝等，这些问题往往会导致严重的损坏。为了解决这一问题，深入探讨煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂的成因，并提供相应的维护与保养措施，显得尤为重要。通过改善工作环境，我们能够大幅度增强公司的安全性和长期稳定性。