495HR電鏟鏟桿的飛機頭與桿體重組焊接工藝

　　摘要：文中簡要敘述將兩件已經報廢的495HR電鏟鏟桿的飛機頭與桿體分離，可用部分按照尺寸加工、對接口加工坡口，主要論述鏟桿的飛機頭與桿體的對接校正的方法，圓形焊縫的焊接工藝及措施、應力消除措施等內容。

　　本文源自《科學與技術》2020年22期《科學與技術》雜志堅持以科學技術是第一生產力的思想為宗旨。以馬克思列寧主義、毛澤東思想、鄧小平理論和“三個代表”重要思想為指導，促進科學技術的繁榮和發展，促進科學技術的普及和推廣，促進科學技術人才的成長和提高，促進科學技術與經濟的結合，致力為讀者打造成一份學術性、知識性和動態性的雜志。

　　關鍵詞：碳弧氣刨、預熱、CO2氣體保護焊、超聲波探傷、Miller preheat-35中頻感應加熱機

　　引言

　　BUCYRUS 495HR電鏟是國家能源哈爾烏素露天煤礦巖石剝離及煤炭開采的主要采掘設備。該電鏟為美國Bucyrus公司生產的大型單斗采掘設備，鏟斗容量為60.4m³，鏟斗通過鏟桿飛機頭處耳子與電鏟鏟斗頂部耳子通過銷子實現剛性連接，鏟桿桿體通過輔柄連接在電鏟大臂上，鏟桿與輔柄可以做滑動動作，通過推壓滾筒帶動推壓大繩實現鏟斗的提拉和下壓動作，實現電鏟挖貨和裝車功能。

　　一、對報廢鏟桿的可用部分進行截取

　　現有報廢鏟桿兩件，一件為國產鏟桿，主要是飛機頭損壞，無法修復，但是桿體還能達到使用標準。另一件為原廠進口鏟桿，損壞原因是桿體折斷，但是飛機頭可用。本著降本增效，節約成本，決定將兩件報廢鏟桿拆分后重新組合一件完好鏟桿。

　　首先，根據《VRsteel WELD PROCEDURE SPECIFICATION》94m³鏟斗組裝資料的要求，將兩件鏟桿的可用部分定位并劃線，使用碳弧氣刨對鏟桿切割分離，切記不能使用氧乙炔氣割直接切割分離，因為氧乙炔切割熱輸入較高，會造成桿體金屬材質的過熱現象，從而使金屬組織發生改變，造成晶粒粗大等現象，達不到鏟桿使用力學性能。

　　將分離后的桿體和飛機頭對接端面進行尺寸校正，保證對接端面平齊，有尺寸偏差的利用碳弧氣刨找平，找平后再用碳弧氣刨將飛機頭對接端面制作加工坡口，并將飛機頭和桿體對接端面碳弧氣刨過的表面以及坡口兩側進行打磨出金屬光澤，主要清除碳弧氣刨后的增碳層和鐵銹油污。為了飛機頭與桿體方便對接，特制作圓形內襯套，襯套為20mm厚鋼板卷制而成，襯套外徑尺寸為桿體內徑減50道，長度為600mm，先將襯套裝入桿體300mm并固定，外露300mm長度，為飛機頭對接時插入所用。(見圖1)

　　圖1：桿體側打磨和加裝的內襯圈

　　二 鏟桿的飛機頭與桿體對接校正

　　由于桿體比較大，調整時比較難，因此，我們研究將比較長的桿體作為靜態狀態，利用體積較小的飛機頭做為動態調整對接桿體，即：

　　先制作兩個支撐件，支撐件下部是一塊20mm厚鐵板，在鐵板上垂直焊接切割出桿體半徑的立板，將桿體放置在半圓上，使圓柱形的桿體放置平穩，在桿體圓端面的中心點做水平和垂直線，利用水平線和垂直線來確定桿體的中心線。

　　飛機頭的上部依照左右對稱來確定中心線，水平中心線通過圓端面中心點水平線和飛機頭卡箍耳子做水平中心線，以此確定飛機頭垂直中心線和水平中心線。

　　使用30噸叉車從飛機頭前端將飛機頭叉起，利用叉車的上升下降、前傾后傾、左移右移功能將飛機頭調整到水平位置，將飛機頭的垂直中心線對齊桿體的垂直中心線，向前移叉車進行對接，利用叉車的怠速進行前移，使襯套插入飛機頭圓孔內，因為叉車駕駛室內視線受阻，無法看清對接情況，需要人員在對接處仔細觀察，對叉車司機進行指揮，通過不斷調整，將飛機頭插入到位。(見圖2)

　　圖2：鏟桿的飛機頭與桿體對接

　　飛機頭與桿體對接到位后，使用紅外線水平儀對鏟桿的角度進行校正，首先，先調整垂直中心線，利用紅外線一根直線的原理，通過叉車左移右移將飛機頭的垂直中心線與桿體的垂直中心線調整在一條直線上，即與紅外線重合。在利用叉車的上下功能來調整飛機頭與鏟桿的水平中心線，垂直中心線和水平中心線調整好后，即鏟桿尺寸找正。

　　尺寸找正后，使用丙烷加熱固定點焊接處，溫度150℃以上，使用CO2氣體保護焊進行固定焊，因為固定焊點在后期的正式焊接中不去除，所以固定焊必須按照正式焊接要求焊接，固定焊焊接完成后，還需將固定焊的兩端使用角磨機打磨出斜坡，以提高后期焊接接頭時的接頭質量，避免出現未焊透、夾渣等缺陷。固定焊為三點，分別為六點位置、十點位置、兩點位置，固定焊長度為200mm，采用多層多道焊接，焊接三層至四層，以保證固定剛性。在固定焊完成后，在使用紅外水平儀對鏟桿的垂直中心線和水平中心線在進行復檢，確保在固定焊時未發生尺寸變化。

　　三 焊接工藝

　　焊接過程中涉及到焊接位置、均勻分布焊接應力、控制預熱溫度和焊縫層間溫度、高質量焊接、高焊接效率等問題。鏟桿屬于大直徑大厚度的鋼管焊接，(厚度為80mm直徑900mm)，根據BUCYRUS公司提供的焊接工藝并結合焊接495HR電鏟行走支架裂紋焊接經驗制定出詳細的焊接工藝。

　　焊接方法：CO2氣體保護焊焊接，全位置焊接，采用多層多道焊接方法。

　　焊材：美國赫伯特TM-771藥芯焊絲

　　焊接設備及焊接參數：使用Miller Dimension.TM.812焊機及配套移動送絲機，用純度高于99.95%的CO2氣體為焊接保護，相關技術參數見表1。

　　表1焊接參數如下

　　焊接厚度(mm)焊絲直徑(mm)電弧電壓(V)送絲速度(m/min)氣體流量(L/min)電流

　　(A)

　　801.620~26160~19020160~190

　　焊前預熱與焊后熱處理：合理選擇焊前預熱、焊后熱處理是大型結構件焊接時的重要工藝步驟。此次為厚壁圓形焊道，焊道為全位置焊接，非常適合使用Miller preheat-35中頻感應加熱設備，Miller preheat-35中頻感應加熱設備是無熱源加熱，被加熱工件溫度提升均勻，設定好加熱溫度后可以在焊接全程保持恒溫，焊接過程中無需停機，不影響焊接作業，因為無熱源加熱，所以對人員不會產生熱影響，Miller preheat-35中頻感應加熱設備加熱設備結構簡單，使用輕便，只需在焊縫兩側150-200mm范圍內，將Miller preheat-35中頻感應加熱設備加熱導管均勻的纏腰在焊縫兩側，只需纏繞三圈以上即可。(見圖3)焊接前將Miller preheat-35中頻感應加熱設備設定為焊前預熱模式，預熱溫度為230℃，升溫時間為2小時，預熱溫度達到預設溫度后保持恒溫，并保持整個焊接作業過程，焊接層間溫度控制在300℃以內，待焊接完成后，將Miller preheat-35加熱設備設定為焊后熱處理模式，加熱溫度設定為290℃并保持兩小時隨后降溫處理，降溫時間為6小時，以達到緩冷的目的。

　　圖3：焊前預熱和焊后熱處理

　　焊接：

　　使用一臺焊機進行打底層焊接，打底層焊接完畢后立即使用風動扁鏟敲擊焊縫，一方面是有效清除藥皮等焊縫處飛濺等雜物，另一方面是能有效的將焊縫的焊接應力得到良好的釋放。如果發現焊縫發生裂紋等缺陷，使用角磨機或直磨機對缺陷進行磨削清除，在進行修補焊接。

　　打底層焊接完畢后，開始使用兩臺焊機分別在全位置焊的兩側進行同時焊接，在焊接起頭時，兩側焊接起頭都應超過最低點六點鐘位置100mm處起頭，這樣能有效的將焊縫接頭錯開，每焊接完一層后，都將對焊縫出現的缺陷進行處理，比如起頭有高點、有焊溜、氣孔、夾渣等缺陷，都將用角磨機將缺陷清除，兩側焊接完每一層后都得用風動扁鏟對焊縫進行敲擊。

　　全部焊接完畢后，使用Miller preheat-35中頻感應加熱設備對焊縫進行焊后熱處理，等待處理結束后，溫度降至正常空氣溫度后，利用角向磨光機對焊縫余高進行打磨處理，消除焊趾避免應力集中現象發生，使焊縫焊接應力分布均勻，細化焊縫晶粒，減少焊接應力。

　　焊接應力釋放：

　　釋放焊縫部位形成的焊接應力是提高焊接質量以及延長日后鏟桿使用壽命的關鍵步驟，此次采取了一下幾種消除焊縫焊接應力。

　　焊接前對焊接部位進行預熱，預熱溫度保持到焊接結束，焊接結束后對焊縫進行焊后熱處理，目的在于消除殘余應力，細化晶粒，調整組織。

　　嚴格控制焊縫成形過程中的熱輸入線能量，熱輸入值Q=1.5KJ/mm-1.7KJ/mm。

　　焊接過程中，每焊接一道焊縫后必須采用針束風動扁鏟對焊縫進行敲擊，使焊縫表面出現麻點，以消除部分的焊縫焊接應力。

　　探傷：在焊接完畢焊縫打磨平整后，使用超聲波探傷對焊縫進行超聲探傷，確保焊縫內缺陷在要求范圍內，無破壞性缺陷，確認焊接成功。

　　總結

　　本次利用報廢鏟桿重新修復一件鏟桿的工作中，克服了很多困難，在尺寸校正、焊接、焊前預熱、焊后熱處理等方面取得了進步，不僅提高了維修人員的技能水平，還積累了類似問題的維修經驗，在以后此類維修工作中具有一定的參考價值。

　　參考文獻：

　　[1]《VRsteel WELD PROCEDURE SPECIFICATION》94m³鏟斗組裝資料。

　　[2]《495HR Operator Manual CHN FINAL-1》495HR電鏟相關資料。