495HR电铲铲杆的飞机头与杆体重组焊接工艺
摘要：文中简要叙述将两件已经报废的495HR电铲铲杆的飞机头与杆体分离，可用部分按照尺寸加工、对接口加工坡口，主要论述铲杆的飞机头与杆体的对接校正的方法，圆形焊缝的焊接工艺及措施、应力消除措施等内容。
本文源自《科学与技术》2020年22期《科学与技术》杂志坚持以科学技术是第一生产力的思想为宗旨。以马克思列宁主义、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，促进科学技术的繁荣和发展，促进科学技术的普及和推广，促进科学技术人才的成长和提高，促进科学技术与经济的结合，致力为读者打造成一份学术性、知识性和动态性的杂志。
关键词：碳弧气刨、预热、CO2气体保护焊、超声波探伤、Miller preheat-35中频感应加热机
引言
BUCYRUS 495HR电铲是国家能源哈尔乌素露天煤矿岩石剥离及煤炭开采的主要采掘设备。该电铲为美国Bucyrus公司生产的大型单斗采掘设备，铲斗容量为60.4m³，铲斗通过铲杆飞机头处耳子与电铲铲斗顶部耳子通过销子实现刚性连接，铲杆杆体通过辅柄连接在电铲大臂上，铲杆与辅柄可以做滑动动作，通过推压滚筒带动推压大绳实现铲斗的提拉和下压动作，实现电铲挖货和装车功能。
一、对报废铲杆的可用部分进行截取
现有报废铲杆两件，一件为国产铲杆，主要是飞机头损坏，无法修复，但是杆体还能达到使用标准。另一件为原厂进口铲杆，损坏原因是杆体折断，但是飞机头可用。本着降本增效，节约成本，决定将两件报废铲杆拆分后重新组合一件完好铲杆。
首先，根据《VRsteel WELD PROCEDURE SPECIFICATION》94m³铲斗组装资料的要求，将两件铲杆的可用部分定位并划线，使用碳弧气刨对铲杆切割分离，切记不能使用氧乙炔气割直接切割分离，因为氧乙炔切割热输入较高，会造成杆体金属材质的过热现象，从而使金属组织发生改变，造成晶粒粗大等现象，达不到铲杆使用力学性能。
将分离后的杆体和飞机头对接端面进行尺寸校正，保证对接端面平齐，有尺寸偏差的利用碳弧气刨找平，找平后再用碳弧气刨将飞机头对接端面制作加工坡口，并将飞机头和杆体对接端面碳弧气刨过的表面以及坡口两侧进行打磨出金属光泽，主要清除碳弧气刨后的增碳层和铁锈油污。为了飞机头与杆体方便对接，特制作圆形内衬套，衬套为20mm厚钢板卷制而成，衬套外径尺寸为杆体内径减50道，长度为600mm，先将衬套装入杆体300mm并固定，外露300mm长度，为飞机头对接时插入所用。(见图1)
图1：杆体侧打磨和加装的内衬圈
二 铲杆的飞机头与杆体对接校正
由于杆体比较大，调整时比较难，因此，我们研究将比较长的杆体作为静态状态，利用体积较小的飞机头做为动态调整对接杆体，即：
先制作两个支撑件，支撑件下部是一块20mm厚铁板，在铁板上垂直焊接切割出杆体半径的立板，将杆体放置在半圆上，使圆柱形的杆体放置平稳，在杆体圆端面的中心点做水平和垂直线，利用水平线和垂直线来确定杆体的中心线。
飞机头的上部依照左右对称来确定中心线，水平中心线通过圆端面中心点水平线和飞机头卡箍耳子做水平中心线，以此确定飞机头垂直中心线和水平中心线。
使用30吨叉车从飞机头前端将飞机头叉起，利用叉车的上升下降、前倾后倾、左移右移功能将飞机头调整到水平位置，将飞机头的垂直中心线对齐杆体的垂直中心线，向前移叉车进行对接，利用叉车的怠速进行前移，使衬套插入飞机头圆孔内，因为叉车驾驶室内视线受阻，无法看清对接情况，需要人员在对接处仔细观察，对叉车司机进行指挥，通过不断调整，将飞机头插入到位。(见图2)
图2：铲杆的飞机头与杆体对接
飞机头与杆体对接到位后，使用红外线水平仪对铲杆的角度进行校正，首先，先调整垂直中心线，利用红外线一根直线的原理，通过叉车左移右移将飞机头的垂直中心线与杆体的垂直中心线调整在一条直线上，即与红外线重合。在利用叉车的上下功能来调整飞机头与铲杆的水平中心线，垂直中心线和水平中心线调整好后，即铲杆尺寸找正。
尺寸找正后，使用丙烷加热固定点焊接处，温度150℃以上，使用CO2气体保护焊进行固定焊，因为固定焊点在后期的正式焊接中不去除，所以固定焊必须按照正式焊接要求焊接，固定焊焊接完成后，还需将固定焊的两端使用角磨机打磨出斜坡，以提高后期焊接接头时的接头质量，避免出现未焊透、夹渣等缺陷。固定焊为三点，分别为六点位置、十点位置、两点位置，固定焊长度为200mm，采用多层多道焊接，焊接三层至四层，以保证固定刚性。在固定焊完成后，在使用红外水平仪对铲杆的垂直中心线和水平中心线在进行复检，确保在固定焊时未发生尺寸变化。
三 焊接工艺
焊接过程中涉及到焊接位置、均匀分布焊接应力、控制预热温度和焊缝层间温度、高质量焊接、高焊接效率等问题。铲杆属于大直径大厚度的钢管焊接，(厚度为80mm直径900mm)，根据BUCYRUS公司提供的焊接工艺并结合焊接495HR电铲行走支架裂纹焊接经验制定出详细的焊接工艺。
焊接方法：CO2气体保护焊焊接，全位置焊接，采用多层多道焊接方法。
焊材：美国赫伯特TM-771药芯焊丝
焊接设备及焊接参数：使用Miller Dimension.TM.812焊机及配套移动送丝机，用纯度高于99.95%的CO2气体为焊接保护，相关技术参数见表1。
表1焊接参数如下
焊接厚度(mm)焊丝直径(mm)电弧电压(V)送丝速度(m/min)气体流量(L/min)电流
(A)
801.620~26160~19020160~190
焊前预热与焊后热处理：合理选择焊前预热、焊后热处理是大型结构件焊接时的重要工艺步骤。此次为厚壁圆形焊道，焊道为全位置焊接，非常适合使用Miller preheat-35中频感应加热设备，Miller preheat-35中频感应加热设备是无热源加热，被加热工件温度提升均匀，设定好加热温度后可以在焊接全程保持恒温，焊接过程中无需停机，不影响焊接作业，因为无热源加热，所以对人员不会产生热影响，Miller preheat-35中频感应加热设备加热设备结构简单，使用轻便，只需在焊缝两侧150-200mm范围内，将Miller preheat-35中频感应加热设备加热导管均匀的缠腰在焊缝两侧，只需缠绕三圈以上即可。(见图3)焊接前将Miller preheat-35中频感应加热设备设定为焊前预热模式，预热温度为230℃，升温时间为2小时，预热温度达到预设温度后保持恒温，并保持整个焊接作业过程，焊接层间温度控制在300℃以内，待焊接完成后，将Miller preheat-35加热设备设定为焊后热处理模式，加热温度设定为290℃并保持两小时随后降温处理，降温时间为6小时，以达到缓冷的目的。
图3：焊前预热和焊后热处理
焊接：
使用一台焊机进行打底层焊接，打底层焊接完毕后立即使用风动扁铲敲击焊缝，一方面是有效清除药皮等焊缝处飞溅等杂物，另一方面是能有效的将焊缝的焊接应力得到良好的释放。如果发现焊缝发生裂纹等缺陷，使用角磨机或直磨机对缺陷进行磨削清除，在进行修补焊接。
打底层焊接完毕后，开始使用两台焊机分别在全位置焊的两侧进行同时焊接，在焊接起头时，两侧焊接起头都应超过最低点六点钟位置100mm处起头，这样能有效的将焊缝接头错开，每焊接完一层后，都将对焊缝出现的缺陷进行处理，比如起头有高点、有焊溜、气孔、夹渣等缺陷，都将用角磨机将缺陷清除，两侧焊接完每一层后都得用风动扁铲对焊缝进行敲击。
全部焊接完毕后，使用Miller preheat-35中频感应加热设备对焊缝进行焊后热处理，等待处理结束后，温度降至正常空气温度后，利用角向磨光机对焊缝余高进行打磨处理，消除焊趾避免应力集中现象发生，使焊缝焊接应力分布均匀，细化焊缝晶粒，减少焊接应力。
焊接应力释放：
释放焊缝部位形成的焊接应力是提高焊接质量以及延长日后铲杆使用寿命的关键步骤，此次采取了一下几种消除焊缝焊接应力。
焊接前对焊接部位进行预热，预热温度保持到焊接结束，焊接结束后对焊缝进行焊后热处理，目的在于消除残余应力，细化晶粒，调整组织。
严格控制焊缝成形过程中的热输入线能量，热输入值Q=1.5KJ/mm-1.7KJ/mm。
焊接过程中，每焊接一道焊缝后必须采用针束风动扁铲对焊缝进行敲击，使焊缝表面出现麻点，以消除部分的焊缝焊接应力。
探伤：在焊接完毕焊缝打磨平整后，使用超声波探伤对焊缝进行超声探伤，确保焊缝内缺陷在要求范围内，无破坏性缺陷，确认焊接成功。
总结
本次利用报废铲杆重新修复一件铲杆的工作中，克服了很多困难，在尺寸校正、焊接、焊前预热、焊后热处理等方面取得了进步，不仅提高了维修人员的技能水平，还积累了类似问题的维修经验，在以后此类维修工作中具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]《VRsteel WELD PROCEDURE SPECIFICATION》94m³铲斗组装资料。
[2]《495HR Operator Manual CHN FINAL-1》495HR电铲相关资料。