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浅谈水平刮板机减速机底座的破损修复

庞文龙

摘 要：介绍了焊接修复炼铁厂水平刮板机底座裂纹的全过程。针对破损的实际情况选择处理方案，采用合理、有效的工艺措施，得到了较理想的结果，为焊补修复灰口铸铁件提供了实践经验。

关 键 词：摆线针轮减速机；修复；焊接

炼铁厂水平刮板机采用摆线针轮减速机，其速比为1:43，电机为22KW,由于刮板机内部链条故障，导致减速机底座四个地脚螺丝孔处两个断裂,底板发生裂纹。由于重新订货至少需时三个月,且生产形势较为紧张,要求水平刮板机早日投用,因此决定对该减速机底座进行焊接修复。

1 缺陷情况及失效分析

1．1 水平刮板机底座的断裂情况

水平刮板机底座四个地脚螺丝孔处两个断裂，底板裂纹有两处,断块尺寸270mm×250mm×70mm，裂纹分布范围550mm×800mm，裂纹最长达760mm，深度达5mm，底座轻微变形，裂缝两侧错位0．5mm。水平刮板机减速机材料为灰口铸铁HT200(HT15－33)，从恢复减速机精度考虑，采用了镍基焊条电弧冷焊工艺。

1．2 失效分析

水平刮板机底座在使用中本身受到的拘束度较大。因刮板机机运行速率不定，减速机运行过程中承受交变载荷作用。工件本身存在制造缺陷,在加强筋边缘与底板连接之处存在应力集中。运行中,由于大拘束度及交变载荷作用,预应力集中处发生破坏,形成裂纹,逐步扩展至筋板处,发生断裂。

2 修复方案选择

根据炼铁厂技术手段的现状及现场作业环境，选用手工电弧焊方法进行修复。
2．1 材料的技术性能参数

1) HT15233的化学成分：C2．7-3．5，Si1-2．7，Mn0．5-1．2，P小于0．3，S小于0．15。

2) HT15233r的性能参数:抗拉强度147N/mm²，抗弯强度323．4N/mm²，硬度163—229HB，延伸率小于0．5％，抗冲击值小于0．8J/mm²

2．2 灰口铸铁的可焊性分析

灰口铸铁是铸铁中的一种，灰口铸铁的碳以片状石墨的形式分布于铸铁基体中，断面呈暗灰色，故称灰口铸铁。由于片状的石墨割裂了铸铁的基体组织，因此，灰口铸铁的抗拉强度低，缺乏塑性。

由于铸铁的固有性质及冶金特性,给电弧焊带来了极大的困难,具体如下:

1) 在焊补灰口铸铁时，经常会在熔合区生成一层白口组织。产生白口组织的原因是：由于母材近缝区在焊接时受到高温加热，当受热温度860℃以上时，原来灰口铸铁中的游离状态的石墨开始部分也熔于铁中，温度越高，熔于铁中的石墨也越多。当冷却时，一般认为在30—100℃/s的急速冷却条件下，熔于铁中的碳来不及以石墨形式析出，而呈渗碳体出现，即所谓白口。另外。在焊接熔池中的石墨化元素碳，硅等不足也是产生白口的主要原因。一般在窄小的高温度熔合区内，焊后很容易产生白口组织。白口组织硬而脆，使得焊缝在焊后难以机械加工，甚至会导致开裂。防止白口产生主要措施是适当调整填充金属的化学成分和冷却速度。改善焊缝技术的化学成分，增加石墨化元素的含量，可以在一定条件下防止焊缝金属产生白口。例如气焊用铸铁焊丝的碳，硅含量要比母材高(C3．0％—3．8％，Si3．6%—4．8%)特别是冷焊灰口铸铁时，焊丝中的含硅量可高达4．5％焊后缓冷和延长熔合区处于红热状态的时间，使石墨充分析出，这是避免熔合区产生白口的主要工艺途径。采取的具体措施是焊前预热和焊后保温。由于气焊时冷却速度较慢。因此。对于防止白口极为有力。

2) 铸铁组成成分中，碳的含量高,在焊接过程中碳易被气化，容易产生气孔。

3) 铸铁强度高，塑性差，焊接时残余应力大，易产生焊接热裂纹。

4) 铸铁中C、S、P等元素含量高，并在焊接过程中熔化到焊缝中，会增加金属的硬度,降低塑性和韧性，易产生裂纹，并降低可加工性。

5) 铸铁在冶炼过程中，易出现石墨粗大化，石墨与基体产生间隙，使铸件在使用过程中油、水渗入形成氧化物，严重阻碍焊接时的熔合,同时,增加产生焊接裂纹和气孔的可能性。

6) 铸铁在焊接熔化时，液态金属流动性很差，严重妨碍焊接时的熔合，熔池中熔渣和有害气体难以逸出，会在焊缝中产生严重缺陷。

针对以上不利因素，必须从焊接工艺、操作方法、焊接程序、焊接材料几方面加以解决。

2．3 焊接方法的选择

2．3．1 冷焊法

电弧焊冷焊法就是焊件在焊前不预热，焊接过程中也不辅助加热，因此可以加速焊补生产率，降低成本，改善劳动条件，减少焊件因预热时受热不均匀而产生的变形和焊件已加工面的氧化，目前冷焊法正在推广，并迅速发展．但是冷焊法在焊接后因焊缝及热影响区的冷却速度很大，极易形成白口组织。此外因焊件受热不均匀，常形成极大的内应力，会造成裂纹,在冷焊时应注意以下几点:

①焊前应彻底清理油污，裂纹两端要打上裂孔，加工的坡口形状要保证便于焊补及减少焊件的熔化量。

②采用钢芯或铸铁芯的以外的焊条，小直径焊条应尽量用小的焊接电流，以减少内应力和热影响区的宽度。

③采用短焊道焊接法，一般每次焊10-40mm，待其充分冷却后再焊。

④采用分段倒退焊，这样可以降低拉应力，对防裂有好处。

⑤每项焊一短焊道后，用圆头锤沿焊逢向外锤击。

2．3．2 热焊法

热焊法是在焊接前将焊件全部或局部加热到600-700℃，并在焊接过程中保持一定温度，焊后在炉中缓冷的焊接方法。用热焊法时，焊件冷却缓慢，温度分布均匀，有利于消除白口组织，减少应力，防止产生裂纹。但热焊法成本高，工艺复杂，生产周期长，焊接时劳动条件差，因此应尽量少用。

考虑到炼铁厂没有合适的加热装备,故采用手工电弧冷焊法修复。冷焊法是指用不预热、严格控制层间温度、小线能量的焊接方法进行焊接。

2．4 焊接材料的选择

2．4．1 焊条的种类与牌号很多，选用的是否恰当将直接影响焊接质量、生产率和产品成本。选用考虑到以下因素：

(1)根据焊件的金属材料种类选用相应的焊条种类。例如，焊接碳钢或普通低合金钢，应选用结构钢焊条；焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材，应选用相应的专用焊条，以保证焊缝金属的主要化学成分和性能与母材相同。

(2)焊缝金属要与母材等强度，可根据钢材强度等级来选用相应强度等级的焊条。对异种钢焊接，应选用与强度等级低的钢材相适应的焊条。

(3)同一强度等级的酸性焊条或碱性焊条的选用，主要考虑焊件的结构形状、钢材厚度、载荷性能、钢材抗裂性等因素。例如，对于结构形状复杂、厚度大的焊件，因其刚性大，焊接过程中有较大的内应力，容易产生裂纹，应选用抗裂性好的低氢型焊条；在母材中碳、硫、磷等元素含量较高时，也应选用低氢型焊条；承受动载荷或冲击载荷的焊件应选择强度足够、塑性和韧性较高的低氢焊条。如焊件受力不复杂，母材质量较好、含碳量低，应尽量选用较经济的酸性焊条。

2．4．2 综合考虑以上因素，具体决定选用两个型号的焊条配合使用，选用原则及方案如下：

HT15233的可焊性较差且底座的下表面为加工表面,为保证焊接质量及下表面的可加工性宜采用纯镍基焊条Z308进行焊接。Z308是纯镍焊芯、强还原性石墨型药皮的铸铁焊条，具有良好的抗裂性能和加工性能。J507是低氢钠型焊条，它是一种碱性焊条，其抗拉强度相对于HT15233等普通焊条大得多。

但Z308焊条价格昂贵，为节约费用，可采用以Z308焊条焊隔离层、J507焊条与Z308焊条相互填充、Z308焊条盖面的方法进行修复，这样既可降低成本又可保证焊接质量及下表面的可加工性能。

Z308焊条的机械性能：焊缝金属的抗拉强度，不小于245N/mm²；对接强度范围，147Nmm²—196Nmm²；焊缝硬度，130—170HV；热影响区硬度/HB，不大于250/HB

2．5 焊接坡口形式的选择

焊接前把两焊件间的待焊处加工成所需的几何形状的沟槽称为坡口。坡口的作用是为了保证电弧能深入焊缝根部，使根部能焊透，便于清除熔渣，以获得较好的焊缝成形和保证焊缝质量。坡口加工称为开坡口，常用的坡口加工方法有刨削、车削和乙炔火焰切割等。

坡口型式应根据被焊件的结构、厚度、焊接方法、焊接位置和焊接工艺等进行选择；同时还应考虑能否保证焊缝焊透、是否容易加工、节省焊条、焊后减少变形以及提高劳动生产率等问题。

坡口包括斜边和钝边，为了便于施焊和防止焊穿，坡口的下部都要留有2mm的直边，称为钝边。

焊件厚度小于6mm时，在接缝处留出0～2mm的间隙即可。工件较厚时，要采用多层焊才能焊满坡口，如果坡口较宽，同一层中还可采用多道焊。多层焊时，要保证焊缝根部焊透。第一层焊道应采用直径为3～4mm的焊条，以后各层可根据焊件厚度，选用较大直径的焊条。每焊完一道后，必须仔细检查、清理，才能施焊下一道，以防止产生夹渣、未焊透等缺陷。焊接层数应以每层厚度小于4～5mm的原则确定。当每层厚度为焊条直径的0．8～1．2倍时，生产率较高。

2．6 焊条直径的选择

手弧焊工艺参数的选择一般是先根据工件厚度选择焊条直径，然后根据焊条直径选择焊接电流。

焊条直径应根据钢板厚度、接头型式、焊接位置等来加以选择。在立焊、横焊和仰焊时，焊条直径不得超过4mm，以免熔池过大，使熔化金属和熔渣下流。

2．7 焊接速度的选择

焊接速度是指单位时间所完成的焊缝长度。它对焊缝质量影响也很大。焊接速度由焊工凭经验掌握，在保证焊透和焊缝质量前提下，应尽量快速施焊。工件越薄，焊速应越高。

2．8 焊接次序：

1) 裂纹处按非加工面再加工面的次序施焊。

2) 断块处先焊筋板侧,保证焊透,再从另一侧清根、施焊。后焊筋板。

3 焊前准备

焊接前要对所有焊接部位进行彻底清理，清除所有结疤、油污等缺陷因素，然后再开始焊接准备。

3．1 裂纹处焊接准备：

表面清理干净后,用角向抛光机修磨裂纹处至磨出所要求的双U型坡口。修磨时要求消除所有裂纹倾向，坡口边缘平滑过渡，钝边、间隙以单边能焊透为准。

3．2 断块处焊接准备

两断块断裂口处形状基本规则，表面清理后用角向抛光机将断口按坡口所要求形状、尺寸修磨成双U型坡口,钝边、间隙以单边能焊透、另一侧以清根为准，然后按尺寸在划线平台上将断块与水平刮板机减速机底座本体组对、点固。

4 焊接

水平刮板机底座焊接熔敷量较大，为减小焊接应力及焊接变形，保证焊接质量，采用两班工作制，固定高水平焊工施焊。焊接时环境温度保证在20℃以上，夜班如果温度过低则停止焊接。为防止穿堂风，在施焊时搭设围篷以防风保温。焊接时先焊裂纹，然后再焊断裂块。焊裂纹时先焊两螺丝孔中间的裂纹,焊完后再焊外侧裂纹。

4．1 焊前预热和焊后缓冷的措施

焊前将焊件整体或局部预热和焊后缓冷不但能减少焊缝的白口倾向，并能减小焊接应力和防止焊件开裂。

4．2采用电弧冷焊减小焊接应力的措施

选用塑性较好的焊接材料，如用镍，铜，镍铜，高钒钢等作为填充金属，使焊缝金属可通过塑性变形松弛应力，防止裂纹；用细直准焊条，小电流，断续焊，分散焊的方法可减小焊缝处和基本金属的温度差而减小焊接应力；通过锤击焊缝可以消除应力，防止裂纹。

使焊缝冷却时能补受阻碍底自由收缩，从而避免用力过大而导致裂纹。

4．3 采用热焊法并控制好温度

当温度高于600℃时，由于产生于一定的塑性变形。而使部分内应力得到消除,一般在600℃以上焊接时就不会产生热应力裂纹。

4．4 具体操作步骤

1)焊接前，Z308焊条要150℃烘干1h，J507要250℃烘干2h，烘干后放入保温桶中保温，随用随取。

2)每次焊接时都将焊道放置在水平位置，以利于操作。

3)焊接时采用短道、快速、不摆条、断续、分散焊法,每段长度不超过30mm，收弧时要填满弧坑。

4)焊完一道马上用钝头小锤锤击整个焊道以释放焊接应力，锤击速度要快，力量由重渐轻。

5)严格控制层间温度,每焊完一道必须冷却到50℃以下方可继续施焊。

6)打底时采用小熔合比进行焊接，填充焊和盖面焊时可适当放大熔合比。

5 焊后处理

1)焊后24h后用角磨机将装配面焊缝余高磨去，使焊缝金属不高于地面。

2)及时锤击焊缝以消除应力

6 结语

本文用上述工艺成功地对水平刮板机减速机底座进行修复，在运行两年内，未再次发现裂纹等缺陷，为炼铁厂节约了成本。实践证明此次焊补处理是成功的，作为一种应急处理措施是可取的。

参考文献

[1]   金属工艺学．杨泽北京:高等教育出版社，2002

[2]   钢结构焊接工艺．王瑞祥．化学工业出版社，2003

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