煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂原因及维修措施研究

赵志琴

（神华宁夏煤业集团有限责任公司矿山机械制造维修分公司 宁夏回族自治区银川市 750001）

引言

作为固定性强的上运式煤矿带式输送机，假如将滚筒后部改向滚筒（又称二滚筒）卸载后，会使改向滚筒的受力加大，致使筒皮和副板（或接盘）出现环形焊缝开裂故障、筒皮出现纵向焊缝开裂故障，最终只有将改向滚筒作报废处理。此外，如不能及时发现改向滚筒出现焊缝开裂的故障，有极大的可能会造成煤矿带式输送机运行中皮带撕裂恶性安全事故，这是安全生产的定时炸弹。基于此，对煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂原因以及维修措施进行研究是非常有意义的。

1 简析煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂的裂纹类型

1.1 煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂的冷裂纹

当将焊头直接冷却至较低的温度时，会致使煤矿带式输送机改向滚筒并有焊缝开裂的故障出现。依据成因的不同又可将改向滚筒焊缝开裂的冷裂纹分为淬火、低塑性和氢致延迟这三种不同类型的焊接冷裂纹。①在淬火中或者是在淬火工序完毕之后放置进室温的过程中出现的裂纹，这可称为淬火裂纹或可称为时效裂纹。多种不同的原因致使该类型裂纹的出现，因此在分析和辨认该裂纹的不同类型时，应该依据不同裂纹所具有的特征加以区分和辨认。②当将一些低塑性的材料冷却至最低的温度时，因为材料体积的迅速收缩，产生的应力远远大于塑性材料自身的承受能力时会致使裂纹的出现，这可称为塑性裂纹。③由于氢元素需要有一定的时间在金属中扩散、集聚和诱发裂纹的出现，表面看到的是该裂纹是在焊接后经过一段较长的时间才出现的。经过焊头大量的含氢量、组织显微以及拘束状况等不同类型因素的互相作用下，致使氢致延迟裂纹的出现。在焊接厚度低于10mm的工件中很少发现此种裂纹。当工件的厚度超过一定的限度时，会使焊头的冷却速度过快。当母材金属的淬硬倾向比较大时，在接头位置或有较多脆硬组织的产生。另外，在焊接工件时，有较多的氢会溶解在金属焊缝中，因为冷却过程会致使溶解度的快速下降并扩散至热影响区。当热影响区中一些区域中的氢浓度不断升高，温度却在极速下降时，会使开始集聚在金属焊缝处的氢原子转变为氢分子，这会致使金属内部出现较大的局部应力，当接头自身所具有的拘束应力作用于其上时，会致使焊缝裂纹的出现。此种类型的焊缝裂纹大多出现在低、中和金钢或者高碳钢的焊接热影响区中，有时会立即出现在焊接后，有时可能会几天后或是历经较长的时间才会出现。当焊接一些强度较高的钢板时，在焊缝金属中会有此种裂纹的出现[1]。总的来说，以上三种由于不同成因致使的冷裂纹的特点分别为：①裂纹不会存在于改向滚筒的筒皮和接盘处的焊接中；②较多出现在春秋两季进行的焊接中；③可依据不同的成因来对该裂纹进行判别工作。

1.2 煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂的热裂纹

当焊接中将热影响区以及焊缝处的金属冷却至存在于固相线近处的高温区所出现的裂纹，可称为热裂纹。处于熔融状态的液体存在于深且窄的煤矿带式输送机改向滚筒的焊缝中，由于空间太过窄小、金属熔液量过少、蓄积的热量过小、温度降速过快、结晶速度过快，较易出现偏折，将某些有害物质和无用的杂质一同挤压至细小的焊缝中，这会致使收缩应力快速增大，在此应力的作用下，会致使热裂纹的出现。该裂纹一般多出现在金属焊缝之内，但也有极大的可能出现在处于焊接熔合线近处的被焊接的母材金属上。依据热裂纹在形成过程中所出现的不同特点，可将其分为结晶和液化这两种不同类型的热裂纹。①在进行钢材的焊接中，存在于焊缝处的S、P等无用的杂质会在结晶途中产生熔点较低的共晶。当结晶过程处于不断的持续中时，产生于金属焊缝该过程末期的脆性温度区间，其将被缓慢挤出晶界，致使液态薄膜的出现。当处于焊缝凝固或是金属塑性过低的状态下的时候，因为不均匀的冷却导致强烈的收缩而致使变形拉伸远大于允许的数值时，该种薄膜难以承受极强的应力和拉力，致使其沿着晶界开始出现裂纹，该裂纹可称作结晶裂纹。②出现在处于焊缝熔合线近处的母材金属上或是出现在多层先施焊的焊道之内的裂纹，可称作液化裂纹。其成因是因为焊接热的作用，处于焊缝熔合线一侧（通常是外侧）的金属之内会有沿着晶界局部性质的熔化现象出现，接着在冷却后剧烈的收缩会致使处于晶界的液化层出现齐整的开裂现象[2]。以下两种情况会致使该种裂纹的出现：①母材金属的晶界有很多熔点较低物质的存在；②因为升温过于快速，这会导致一些母材金属化合物分解但又不能及时的扩散，使晶界局部出现合金元素过于富集的现象，在某种情况下，这些过于富集的合金元素会形成共晶的成分。总之，对裂纹不同类型进行判别，有助于依据裂纹的实际状况，对其成因进行分析，进而可有助于早日找到解决避免产生裂纹和应对裂纹出现的有效措施。

2 煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂的主要原因分析

2.1 温度原因所致

由温度原因所致的煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂故障的出现，主要可分为下述两种情况：①由前文可知低塑性等裂纹较多出现在春秋两季进行的焊接中，因此应根据温度的不同来进行合理的焊接。②依据焊接变形的理论知识可以知晓，焊接变形的影响因素主要有下述五种：a.变形的大小与焊缝的尺寸以及熔敷金属量之间呈正相关关系；b.在焊缝尺寸相同的情况下，变形的大小与焊缝的热输入之间呈正相关关系；c.当进行大且长焊缝的焊接时，分段焊变形小于直通焊；d.因焊缝的不对称布置或者是焊接的不对称，变形的大小与焊缝偏离的程度之间呈正相关关系；e.变形的大小与构件的刚性之间呈负相关关系[3]。此外，有时一次性的焊接且焊缝的累积长度过长时，由于焊接中产热量过大，焊接完毕后降温过于快速可能会使应力过于集中，这也是致使煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂故障出现的重要原因。

2.2 材质原因所致

在某些滚筒的结构当中，轮毂或是内置轴承底座普遍使用35号优质碳素结构钢来进行毛坯的制作，此外，一般采用A3钢卷纸进行滚筒的筒皮卷制焊接不同种类的钢材，特别是当含碳量比较高，且后者是S、P等无用杂质大量存在的时候，加之焊接的不给力，这极有可能致使煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂故障的出现。

2.3 坡口原因所致

依照严格的工艺要求对滚筒和铸钢接盘进行焊接时，应着重加工两个部件之间起对接作用的坡口并且应有拼接间隙的预留。对于整个焊接工程来说，接头的设计是其中较为薄弱的一环。由于坡口形式关系到焊缝内部和焊接结构的质量控制，相关规定中有关焊缝成形系数的概念为在熔焊的时候，单道焊缝的横截面中焊缝宽度和厚度之间的比值在进行自动性的埋弧焊时，其焊缝的成形系数不应小于一点三[4]。如果该系数过小时，会使焊缝既窄且深，并且会由于区域的偏折导致无用的杂质向焊缝中心集聚，致使抗热裂纹产生的能力变差，因此，焊缝的成形系数不应过小。

2.4 焊接质量原因所致

致使焊缝未能彻底熔透的成因有很多种，或是改向滚筒设坡口设计的尺寸太大，或是由于坡口形式、焊缝的截面等原因，最终是指出现焊单面成型双面，更糟糕的是筒体和其底部之间仍然存有缝隙现象的出现，将改向滚筒的环焊缝处置于比较大的集中应力区内，焊接接头的降低与结构的疲劳程度增强都与应力的过于集中有关，应力过于集中现象的存在是致使在滚筒的焊接或是使用中有焊缝开裂现象的主要原因。

3 煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂的维修措施研究

3.1 提升改向滚筒的强度与刚度

由于交变应作用力对改向滚筒影响的施加，其会进行拉伸和压缩的反复运动，因为反复而无止境的塑性变形运动，在冷作性的硬化与集中性应力的情形下，最后会有焊口断裂的情况发生。因此，可通过提升改向滚筒的强度与刚度，来防止焊口塑性变形不良状况的出现。可从两个方面来提升改向滚筒的强度与刚度：①进行改向滚筒筒皮的加厚工作。②尽量缩小支撑的距离。改向滚筒筒体厚度的增加，不但使材料杂费上涨，还会加大改向滚筒的总体造价和重量。是对改向滚筒的内壁普遍采用焊接径向加强筋的方法。在完成有限元的分析工作和加强筋的焊接工作后，可以看出改向滚筒的变形有了显而易见的变小状况出现。与此同时，在进行改向滚筒的筒皮卷制工作时，应注意对筒体的校圆，以增加改向滚筒筒壁的均匀程度[5]。进行力学理论的分析工作可以得知，载荷不变时，梁的弯矩大小变化和梁的跨度长短与否有着莫大的关系，通过支点距离的减小，可最大限度的将梁的弯矩降到最低。在进行实际操作时，可通过轮毂或是副板的支撑位置进行适当距离的移动，尽量向中间位置靠拢。

3.2 加强加工工艺技术执行力度

改向滚筒的筒体焊缝的焊接工艺、高温回火工艺和焊缝的检查探伤工艺等是滚筒加工的工艺技术中最为关键的工艺技术。应用埋弧性的自动焊工艺技术进行焊接前的预热工作和多个层次的多道焊接工作。对进行焊接的电弧区有比较严密的保护措施，气孔难以形成，焊接的整体工作质量较高而且具有稳定性，此外，焊接的整个表面没有飞溅影响，整体外观较为平整。在具体的焊接完毕后，需对焊缝进行高温回火的程序，可有效改善金相的整体组织结构，有效的对热应力进行消除，进而达到机械整体性能优化的目标[6]。

3.3 调整改向滚筒整体安装高度

保持除改向滚筒整体安装高度因素之外的其他因素不变，通过调整降低改向滚筒整体的安装高度，来变大改向滚筒进出两种力的夹角。根据平行四边形的力的法则可得，进出两种力之间的夹角变大后，总体的合理将会变小[7]。所以，应在条件满足的情形之下，通过适当调整来有效降低改向滚筒底座的整体高度，也可使改向滚筒的受力减小，进而有效降低故障发生的概率。

3.4 有意提升改向滚筒的整体规格

由于改向滚筒的受力情况十分复杂，因此，为了使煤矿带式输送机可以有效而正常的运转，可通过着力提升改向滚筒整体规格，适当的提升改向滚筒筒体厚度、改向滚筒轴承、改向滚筒总轴的参数，进而有效的提升改向滚筒总体的承载力。

3.5 注意改向滚筒实际的操作状况

在实际的操作中，为了增强筋与存在于接盘处的焊接径向加强筋之间的结合力度，应用给改向滚筒底部进行环形的焊接工艺，与此同时，对改向滚筒筒皮进行加厚工作[8]。可使用25mm厚的钢板进行筒皮的卷制，保证加工后的改向滚筒筒皮厚度约为23mm左右。

4 结束语

总的来说，滚筒是煤矿带式输送机中最为关键的构成部件。筒皮、幅盘（或轮毂）、轴以及轴承底座是构成各种不同类型滚筒的主要部件，滚筒有着传送功能、卸载功能、改向功能以及拖带功能等众多功能，滚筒质量的高低与否，不仅直接关系着煤矿带式输送机的输送质量，还影响着煤矿带式输送机的整体运行效率。焊接方法是制造滚筒的主要方法，筒皮和副板（或接盘）出现环形焊缝开裂、筒皮出现纵向焊缝开裂是经常发生的焊接故障。因此，对煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂原因以及维修措施进行研究是非常有意义的。本篇文章首先对煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂的裂纹类型和主要原因作了简要的分析和陈述，然后提出了五点对煤矿带式输送机改向滚筒焊缝开裂进行维修的有效措施，以期提升企业的安全生产系数，促进企业的可持续发展。