焊接方法對輪式洗砂機葉片T形接頭焊腳尺寸的影響分析

張治國，張丹丹

隴南師范高等專科學校機電工程學院 甘肅隴南 742500

1 序言

輪式洗砂機作為一種砂料清洗設備，在礦山、建筑、化工等行業被廣泛應用。甘肅隴南礦產資源豐富，礦山企業數量眾多，洗砂設備應用頻繁。由于輪式洗砂機結構相對簡單，主要依靠焊接成形，因此焊接材料和焊接質量的好壞直接決定了洗砂設備的質量。洗砂機工作時，電動機提供能源，通過減速器帶動葉輪進行轉動，轉動過程中葉片將洗砂池的砂石帶動翻轉，再經過水進行清洗，依靠砂石之間的翻滾研磨和水的沖洗將砂石表面的雜質清洗掉，并將砂石表面包裹的水汽層打破，起到消除砂石水分的作用。

洗砂機葉輪是一個直徑達數米的輪式結構，在轉動過程中位于葉輪最頂端的葉片承載了最大彎矩，并承受了砂石和水的沖擊和沖刷作用，是整個洗砂機最容易損壞的零部件之一。葉片與葉輪立板采用T形接頭焊接，角焊縫的焊接順序、焊接參數、焊接結構都對T形接頭承載有很大影響[1]，角焊縫中存在一定的殘余應力，殘余應力的釋放受到不同的循環載荷的影響[2]。由于焊縫表面裂紋應力強度受到T形焊接接頭結構的影響[3]，故T形接頭的焊接質量控制顯得尤為重要。由于焊接工藝不當、受力復雜、腐蝕等因素，使葉片與葉輪立板焊縫很容易開裂。采用常用焊接方法和發展日益成熟的高效焊接方法[4]焊接輪式洗砂機葉片T形接頭，通過分析得出采用不同焊接方法焊接T形接頭角焊縫的熔合情況，從而為采用不同焊接方法進行角焊縫焊接時角焊縫尺寸的控制提供依據，實現對實際生產工藝的指導，對輪式洗砂機的設計、制造及維修具有重要意義。

2 試驗方法

本試驗以輪式洗砂機葉輪常用Q235鋼為試驗材料，選用厚8mm板材為輪式洗砂機葉輪立板，厚5mm板材為葉片用材。試驗過程中以厚8mm板材為底板，尺寸規格為30cm×10cm×0.8cm；厚5mm板材為立板，尺寸規格為30cm×10cm×0.5cm，利用角尺嚴格定位，如圖1所示。為了保證試驗結果的有效性，將底板鐵銹全部打磨干凈，立板施焊部位25mm以內鐵銹進行打磨清理。采用焊條電弧焊、CO2氣體保護焊焊接葉輪立板和葉片的T形接頭，并對焊縫切割后的熔合情況和接頭成形情況進行分析。為了獲得最大熔合深度，焊條電弧焊與CO2氣體保護焊施焊時，焊條和焊槍盡量正對接頭縫隙。焊條電弧焊參數見表1，CO2氣體保護焊參數見表2。

圖1 試件裝配

表1 焊條電弧焊參數

表2 CO2氣體保護焊參數

利用A-TIG焊對T形接頭進行焊接，焊接過程中不添加焊接材料，直接在T形接頭水平、垂直待焊表面約15mm范圍內均勻涂抹自制A-TIG焊活性劑[4]，涂覆效果如圖2所示。進行活性TIG焊時，由于立板尺寸相對較薄，熱量傳遞慢，所以為了避免將立板焊穿，焊槍應偏向厚度較大的底板，與底板呈50°～55°夾角。焊接電流選擇偏大的值，焊槍微擺時在底板側停留時間稍大，使底板和立板的縫隙盡量熔合，焊接參數見表3。由于A-TIG焊接時沒有添加焊材，焊接成形后焊縫會整體下陷，為了填充下陷焊縫，再進行一道手工蓋面焊接，焊接參數見表4。對接頭的熔合情況和成形情況進行分析，通過對比傳統焊接方法與新方法的焊接效果，提出選用不同焊接方法對焊腳尺寸的影響。

表4 焊條電弧焊蓋面焊接參數

圖2 試件活性劑涂覆

表3 A-TIG焊參數

3 試驗結果與討論

3.1 焊條電弧焊T形接頭焊縫效果與分析

利用焊條電弧焊進行T形接頭角焊縫焊接過程中，在工藝參數上，為了保證底板和立板直角處的最大熔合效果，焊條上下夾角45°，左右夾角75°～85°，盡量使焊條垂直于底板與立板縫隙，盡量壓低電弧，使電弧熱量能夠盡可能地傳遞到縫隙處，焊接電流比正常偏大。焊條電弧焊T形接頭焊縫截面形貌如圖3所示。由圖3可以看出，直角處焊縫的熔合深度很小，每側不到1mm，立板側由于重力和大電流的影響，焊縫上側有輕微的咬邊。從焊縫實際的熔合情況可以看出，底板與立板縫隙熔合度很小，焊條電弧焊T形接頭的連接強度主要依靠相對較大的焊腳尺寸來保證，在洗砂機葉片實際焊接生產和維修中，要保證足夠的焊腳高度。對于板厚≤8mm角焊縫一般是單道成形，單道焊接就需要較大的電流。由于在大電流作用下，立板上側的咬邊現象不好控制，因此在實際焊接操作時，為了保證足夠的焊腳高度和減小咬邊，對于板厚≤8mm的T形接頭角焊縫也需要多層多道焊，以保證角焊縫具有足夠的強度。

圖3 焊條電弧焊T形接頭焊縫截面形貌

3.2 CO2氣體保護焊T形接頭焊縫效果與分析

CO2氣體保護焊是一種半自動化焊接方法，生產效率較焊條電弧焊高。在洗砂機葉片焊接中，CO2氣體保護焊作為首選的焊接方法。在試驗施焊過程中，同樣在焊接參數和焊接操作上，盡量保證底板和立板的最大熔合深度。焊槍盡量正對接頭縫隙，匹配相對較大的焊接電流和電弧電壓。利用CO2氣體保護焊焊接的T形接頭焊縫截面形貌如圖4所示。由圖4可以看出，底板和立板熔合深度非常小，角焊縫在底板和立板上的熔深也比較小，T形接頭焊縫強度完全依賴于較大的焊腳高度。與焊條電弧焊相比，CO2氣體保護焊角焊縫的熔合深度更小，因此在利用CO2氣體保護焊焊接洗砂機葉片T形接頭時，需要相對更大的焊腳高度。由于焊槍的擺動幅度越大越不利于底板和立板縫隙的熔合，所以在焊接時應減小焊條的擺動，利用多層多道焊接滿足尺寸要求的角焊縫。利用常用焊接方法焊接洗砂機葉片T形接頭時，如果不能保證足夠的焊腳高度，就需要在葉片兩側開坡口。但采用開坡口方法會降低生產效率，因此在使用常規焊接方法時，為了盡量避免T形接頭的失效，要根據選用的焊接方法，控制好角焊縫焊腳尺寸。

圖4 CO2氣體保護焊T形接頭焊縫截面形貌

3.3 A-TIG焊T形接頭焊縫效果與分析

常用的焊接方法在優化焊接參數的情況下，也無法大幅增加T形接頭的熔合深度。為了增加對比分析，采用A-TIG焊進行了T形接頭的焊接，焊縫形貌如圖5所示。由圖5可看出，焊縫表面存在少量氧化渣在焊縫表面呈現非連續分布，多以小塊狀無規律地分布于焊縫表面。由于焊接過程中沒有填充材料，所以角焊縫整體下陷，通過焊條電弧焊進行一層蓋面焊接，焊前用鋼絲刷清理焊縫表面的氧化渣，焊后成形如圖6所示，焊縫成形良好，咬邊程度非常小。焊縫截面形貌如圖7所示，由圖7可以看出，底板與立板縫隙基本熔透，焊腳高度很小，甚至沒有達到標準要求。但是，在T形接頭熔透或者熔合情況較理想的情況下，小尺寸的焊腳高度可以保證較高的連接強度，在一定意義上減小了角焊縫焊腳高度。

圖5 A-TIG焊T形接頭焊縫外觀形貌

圖6 手工蓋面焊焊縫外觀形貌

圖7 A-TIG焊T形接頭焊縫截面形貌

高效焊接方法的應用可以在不降低焊接強度的情況下，減小洗砂機葉片T形接頭的焊腳高度，從而減少焊材的消耗，降低洗砂機葉輪的重量。通過與高效焊接方法的對比，發現采用不同的焊接方法進行T形接頭焊接時，焊縫焊腳高度的控制是不同的，為了保證T形接頭的連接強度，減少設備的故障率，在制定焊接工藝和進行焊接操作時必須要考慮焊接方法對連接強度造成的影響。

4 結束語

利用焊條電弧焊焊接洗砂機葉片T形接頭時，為了保障焊接可靠性，角焊縫的焊腳高度要達到標準要求的中間值以上；利用CO2氣體保護焊焊接洗砂機葉片T形接頭時，角焊縫的焊腳高度要達到標準要求的較大值。CO2氣體保護焊角焊縫的焊腳高度應大于焊條電弧焊的焊腳高度；利用大熔深的高效焊接方法，在保障焊縫強度的的前提下，可以減少角焊縫焊腳高度，減少焊材的填充量；在利用不同焊接方法焊接T形接頭時，角焊縫尺寸的控制必須要考慮焊接方法的影響。