山特维克LF3060D直线振动筛箱体大梁断裂的焊接修复

    摘 要：本文通过山特维克LF3060D直线振动筛大梁（无缝钢管钢20Mn）断裂的原因和力学性能进行分析后，找到合适的（无缝钢管15CrMo）代替大梁。并选择合适的方法和焊接材料以及制定合理的焊接工艺，成功地解决了大梁的焊接修复问题。

    关键词：山特维克LF3060D；直线振动筛；焊接修复

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.007

    0 前言

    由芬兰设计制造的SANDVIK山特维克LF3060D直线振动筛是攀钢矿业公司密地选矿厂破碎作业区筛分间的主要设备，应用于破碎前的预先筛分和破碎后的检查以及闭路筛分作业。振动筛由筛箱体、激振器大梁、筛箱体大梁以及激振器和电动机等组成。振动筛箱体大梁也就是指支撑筛箱体的上下层各七根横梁和平板作筋，纵与横呈矩形排列组成。横梁具有抗扭和防止断面畸变的能力[3]，它支撑着整个箱体结构，除来自于箱体自身的重力、激振器产生的激振力和运行中产生的惯性力之外，激振力又是集中力。所以说，它是一个受力相当复杂的典型梁柱焊接结构件。

    在实际生产过程中，由于机座处弹簧断裂造成偏摆振动；筛板等部件松动与大梁产生共振和设备超负荷运行大梁无法承受等多方面的原因箱体大梁断裂。经资料查找，大梁的材质为无缝钢管钢20Mn，采用埋弧焊焊接由高强度螺栓紧固在箱体上[3]。大梁断裂后，如何控制箱体进一步变形和提高箱体结构是焊接修复的关键。

    1 材料的焊接性分析

    15CrMo与Q345是异种钢的焊接，15CrMo与Q345它们的化学成分、金相组织、物理性能及力学性能存在着的差异性；同时大梁在整个设备运行状态下，需要传递激振力、扭矩力和集中力等复杂的受力状态，最容易出现冷裂纹，是焊接修复的难点。

    （1）大梁的材质外径为219mm的无缝钢管钢20Mn，它属于优质碳素结构钢。（GB9948-2006标准）。在大梁断裂后，整个梁柱结构失效，所以考虑使用同一类型的合金钢15CrMo无缝钢管作为替代材料，先采用翼板（材质Q345）与无缝钢管焊接，再在翼板与无缝钢管的水平方向增加倒角后的筋板焊接，然后将翼板与箱体两侧使用高强度螺栓连接。

    （2）更换的大梁材质是15CrMo，它属于球光体耐热钢。球光体耐热钢本身合元素比较多，焊缝和热影响区具有一定的淬硬倾向，易出现淬硬组织。在这种梁柱的箱体结构中，焊接接头的刚性大，应力集中明显，在焊接时容易出现冷裂纹，焊接后在热处理过程中容易出现再热裂纹[5]。

    从表1中15CrMo查找的化学成分，计算出它的碳当量：

    （WES标准）Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

    ×%=0.567，由此可见，它是中碳调质钢，在焊接后容易出现冷裂纹。

    （3）翼板和筋板的材质Q345（16Mn），它属于热轧正火钢。具有良好的塑性、韧性，淬硬倾向稍微大于低碳钢[5]。

    Q345（16Mn）的碳当量：

    （WES标准）Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

    ×%=0.49

    由此可见，它也属于中碳调质钢，在焊接后容易出现冷裂纹。

    （4）15CrMo和Q345同属于球光钢，但分别属于Ⅱ类和Ⅴ类的异种钢。它们的焊接接头和同种钢焊接接头在本质上具有很大的差异性，在熔敷金属与两侧焊接热影响区和母材存在着不均匀性，主要的问题有：

    1）化学成分不均匀。由于在焊接过程中，两侧母材的熔化量，熔敷金属和母材熔化区的合金元素被“稀释”而发生变化。接头区的化学成分的不均匀程度在不仅取决于母材本身的化学成分和焊接材料的化学成分，同时元素也受焊接工艺的影响，所以应采用小电流、浅熔深。

    2）组织的不均匀性。在焊接热循环的作用下，随着熔合比的变化，使焊接接头内的各区域组织的化学成分不均。

    3）性能的不均匀性。由于焊缝组织的化学成分不均，造成焊接接头性能上的差异，特别是焊缝两侧的热影响区冲击值和高温性能（持久强度、蠕变强度）都变化也很大。

    4）应力场分布不均匀。因为整个焊接接头的组织、成分的不同，它的热膨胀系数和导热系数也不同，导致焊接结构的失效。

    所以在此次焊接过程中，我们既应综合考虑该焊接结构属于典型的衍架结构和箱型结构的组合体。它在设备运行状态下，处于复杂的受力状态；同时，也应考虑它的焊缝与母材的化学成分、金相组织、物理性能及力学性能存在着的差异性。必须采取一定的特殊工艺措施才能获得满意的焊接接头[3]。

    2 焊接方法与焊接材料的选择

    在异种钢焊接中应用最多的是熔焊，常用熔焊方法有手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等。为控制焊接变形和焊接接头的熔合比，优先选用等离子弧焊、电子束焊、激光焊，这些热源能量密度较高的焊接方法，但是生产作业现场根本不具备这些条件。所以我们选择便于操作的手工电弧焊进行此次的焊接修复作业。

    15CrMo和Q345（16Mn）的碳当量就能看出：必须焊前预热200℃-300℃和焊后保温2-3小时才能保证焊接质量，但不利于控制焊接结构的变形。从优化焊接工艺的角度考虑，采用Cr+Ni的焊接材料，如作业区现有的A307（大西洋）打底，再采用J607Ni（大西洋CHE6077Ni）填充与盖面是最佳选择。大于低碳钢[5]。

    3 焊接前的准备

    （1） 此次断裂的3根大梁进行焊接修复，第一步，按图1 2960mm×Φ219mm的3根无缝钢管做大梁，并按图2的要求加工45o坡口留2mm的钝边；按图1要求400mm×270mm×20mm×6块大梁和翼板，按图2要求加工45o坡口留2mm的钝边，按图3的尺寸要求每块翼板加工4個Φ16mm的螺栓孔；按图4要求加工24块三角筋板。第二步按图2（图2是图3的局部装配图）和图4的尺寸要求，先组对大梁和翼板，核实符合要求之后，再将图5的筋板按图2要求全部组装完成，再次核实装配尺寸要求。第三步：釆用双面对称焊接方法，首先焊接大梁与翼板的环形焊缝；其次焊接筋板与翼板的立焊缝，再焊筋板与大梁的横焊缝。

    （2）使用2吨手拉葫芦修复箱体尺寸3000mm后，采用20mm的角钢连接已断裂的大梁。在焊接修复过程中，由里到外逐一进行修复，便于控制大梁断裂之后，整个箱体结构的变形。

    （3）清除断裂大梁的其中一根，对箱体进行打磨，使箱体与翼板完全贴紧后，每块翼板与箱体使用4颗Φ16mm的螺栓进行连接但是不能紧固，待焊接结束后再加弹簧垫进行紧固；翼板与大梁进行点固与装配，装配间隙为2.5mm-3.00mm，保证焊缝单面双面焊成形。

    4 焊接工艺及措施

    （1）焊接电流应根据焊接电流的经验估计公式进行计算，焊接电流L（A）=（25～35）×d（焊条直径）。

    （2）采用不锈钢焊条焊接中碳钢不预热的特点，在CHE307焊條打底时不进行预热，其目的是减少焊接变形，同时可以增强焊缝在复杂的作用力具有良好的抗裂性能。

    （3）焊接顺序按照图4标注的号顺序进行焊接； 焊缝温度控制在200℃～300℃之间，层间温度控制在250℃～350℃；在焊接过程中，每层焊道焊渣必须清理干净和打磨焊道。

    （4）箱体两侧两个焊工同时在同一焊接位置焊接，防止焊接结构的变形。

    5 焊缝检验及表面处理

    （1）焊接后表面无裂纹、气孔 、夹渣等焊接缺陷，每层焊道进行磁粉探伤。发现缺陷及时修复，但是返修次数不得超过3次。

    （2）对焊缝表面进行打磨处理，翼板与大梁之间焊角尺寸对称，形成完美的凹弧形减少应力集中。

    6 结束语

    修复后的4台SANDVIK山特维克LF3060D直线振动筛大梁，已在我厂24小时作业生产中正常使用近一年，未发生二次大梁断裂的现象。使用CHE307焊条打底，再采用CHE607Ni焊条填充与盖面，加之合理的焊接工艺措施，成功地解决了重载荷状态下，衍架结构与箱型结构组合的振动筛大梁断裂的问题，焊接接头完全能满足设备的使用性能。

    参考文献：

    [1]大西洋焊接材料[S].2009.

    [2]徐峰，黄芸.新编《金属材料手册》[M].安徽科技出版社，2017.

    [3]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册[M].1995.

    [4]刘云龙.电焊工技师手册[M].中国机械工业出版社，2005.

    [5]龚荣伟.焊工手册[M].湖北科学技术出版社，2006.

    作者简介：唐文（1978-），男，四川遂宁人，本科，机械工程师，检修作业区副作业长，主要研究方向：矿山机械设备的机械设计与自动化。