破碎刀齒耐磨堆焊技術研究及應用

董曼淑 DONG Man-shu；彭春濤 PENG Chun-tao；陳兵 CHEN Bing；趙一鳴 ZHAO Yi-ming

（寧夏天地奔牛實業集團有限公司，石嘴山 753001）

1 研究意義

煤礦綜采工作面的“三機”是指采煤機、刮板輸送機及液壓支架。三機配套是整套綜采設備的核心，采煤機和刮板輸送機的生產能力應滿足工作面產量要求，采煤機和液壓支架調高范圍要適應煤層厚度及變化范圍，液壓支架移架速度要跟得上采煤機的牽引速度。采煤機要依靠刮板輸送機導向并在其上移動，刮板輸送機依靠液壓支架推移，液壓支架又靠刮板輸送機支承而移動。因此，為了實現綜采工作面最大生產力和安全生產，采煤機，刮板輸送機和液壓支架之間在性能、結構、采面空間要求以及“三機”相互聯接形式，強度和尺寸等方面，必須相互適應和匹配。

破碎機是刮板輸送機裝備的關鍵部件（刮板輸送機即輸送機、轉載機和破碎機），由于刮板輸送機在運行過程中受力復雜、條件惡劣容易造成設備損壞或斷裂，因此刮板輸送機性能的可靠性是進行高效作業的根本保證。

我公司生產的破碎機屬于錘式破碎機，適用于破碎煤、煤矸石等物料，具有結構緊湊、布局合理、安裝方便、可維修性好，操作簡便，并具有對物料破碎的“大破比”等特點。破碎刀齒主要用于破碎礦物原料，是破碎機的核心部件，破碎刀齒在破碎機內高速旋轉運行，與礦物原料之間反復碰撞沖擊摩擦過程中，使破碎刀齒頭部被逐步磨損變小而失效報廢，由于破碎刀齒的使用壽命長短直接影響物料的破碎質量和生產效率及成本[1]。破碎刀齒要求同時具有耐磨性和抗沖擊剝落性能，還要考慮性價比問題。通常硬度高的材料都比較脆，在大的沖擊下容易破碎[2-3]。公司當前選用的特制含Cr合金堆焊焊絲，雖然焊接表面無龜裂，硬度能達到HRC58～62，但礦方使用后反饋仍然存在不耐磨壽命短的問題。因此目前迫切需要研制高耐磨高韌性的破碎刀齒，提高破碎刀齒使用壽命，滿足用戶需求。

2 國內外技術發展趨勢與現狀

堆焊是在工件的表面或邊緣進行熔敷一層耐磨、耐蝕、耐熱等性能金屬層的焊接工藝。堆焊對提高零件的使用壽命，合理使用材料，提高產品性能，降低成本有顯著的經濟效益。不同的工件采用不同的堆焊工藝，才能獲得滿意的堆焊效果。對于堆焊焊材目前國外除了高Cr焊絲適合刀齒焊接的焊絲大致分為兩類，一種是價格非常高的無Cr型焊絲，硬度在HRC65以上，耐磨性非常高，抗沖擊也好。另外就是Cr-Mo型焊絲，這種焊絲關鍵是合金含量的配比，硬度在HRC57以上，耐磨性不如第一種焊絲。國內目前也有生產無Cr型焊絲、Cr-Mo型兩類同等合金堆焊焊絲，相對價格較低，在不同行業也有局部應用。

3 破碎刀齒結構性能及方案設計

破碎刀齒整體鍛造后加工而成，是易損件也是破碎煤炭時承受大沖擊力的零件，和刀齒座用特制的緊固螺栓和螺母緊定，刀齒螺栓與螺母用防松墊片卡住。當刀齒磨損到極限狀況或已出現裂紋是，必須及時更換，否則將使刀齒座上安裝刀體的部分受損，以至再也無法將刀體緊固在刀齒座上。缺少刀體的破碎軸將失去平衡，由此而產生的強烈振動會急劇地縮短破碎軸的壽命。為了提高其耐磨性延長其使用壽命，在刀齒端頭鍛造時留有一定深度的凹槽，研究通過采用無Cr耐磨焊絲進行耐磨層的焊接。

4 試驗過程

4.1 試驗件準備

鍛造成型的破碎刀齒6件。

4.2 試驗設備及焊材

①試驗設備：松下500型氣體保護焊機。

②焊材選型：無Cr型HF-680焊絲（Φ1.2）。

③保護氣體：富氬混合氣體82%Ar+18%CO2。

4.3 焊接參數要求

①溫度控制：

預熱溫度：（200±10）℃；

層間溫度：（100～300）℃。

②焊接參數：

焊接電流：（170～270）A；

焊接電壓（22-28）V；

焊絲干延長度（18-20）mm；

氣體流量（20-25）L/min。

4.4 焊接過程

4.4.1 不同焊接參數組別的焊接成型試驗

鍛造的破碎刀齒加工后，先進行焊前整體預熱，預熱爐爐溫設置240℃加熱2小時，出爐后測溫，達到要求的（200±10）℃溫度后按不同組別進行焊接，焊后及時放入爐內進行后熱，爐溫設置200℃保溫2小時，然后取出待溫度降到室溫，在表面打硬度并觀察裂紋和飛濺情況。

具體實施過程如下：

①采用第一組焊接參數（焊接電流260A±10A、電壓28V）進行焊接。焊接后發現焊層表面有明顯裂紋如圖1，裂紋較多且飛濺較大如圖2所示。

圖1 表面裂紋

圖2 周邊飛濺

②采用第二組焊接參數（焊接電流220A±10A，電壓24V）進行焊接，焊接過程穩定，表面外觀質量如圖3，表面有少量裂紋，但打磨后發現多處裂紋，見圖4。

圖3 表面微量裂紋

圖4 打磨后多處裂紋

③采用第三組焊接參數（焊接電流180A±10A，電壓23V）進行焊接，表面質量如圖5、圖6所示，可視仍然較多微裂紋且飛濺顆粒較大。

圖5 表面裂紋

圖6 周邊飛濺

④試驗結果：見表1。

表1 試驗參數及裂紋情況

4.4.2 不同焊接方法組別的焊接硬度試驗

采用2#焊接參數進行連續焊、控溫焊接，表面硬度測試結果見表2。

表2 試驗參數及裂紋情況

4.4.3 磨損試驗

①試驗件準備：

試樣材料：控制溫度焊接的耐磨塊；

試樣尺寸：75mm×25.5mm×11mm。

②試驗設備：MLS--225型濕砂橡膠輪式磨損試驗機。

③試驗條件：

試驗力：70N；

砂漿比例：水:砂=1:1.5；

橡膠輪轉速：180r/min；

橡膠輪直徑：178mm；

電子天平：高精密電子天平（萬分之一天平），精度0.0001g。

④試驗過程。

將進行線切割取樣的控制溫度焊接的耐磨塊作為定試樣與橡膠材料動試樣相接觸，并承受70N的試驗力，經180r/min低轉速后，對3組6個試樣分別進行2h、3h、4h的對磨，最后用稱重法測定定試樣的質量磨損，以評定材料的耐磨性。（圖7、表3）

表3 定試樣的質量磨損數據

圖7 磨損后的定試樣

4.5 試驗結果

①通過不同焊接參數組別的焊接成型試驗，得出2#參數焊接成型較好。②通過不同焊接方法組別的焊接硬度試驗，得出控制溫度焊接后表面硬度較高。③通過磨損試驗，得出控制溫度焊接后耐磨性較好。

5 現場驗證

依據以上試驗參數及試驗結果，選取典型的破碎刀齒進行了試生產，并選擇了礦井含矸石較高的用戶，進行了工業性試驗，最終解決了刀齒不耐磨問題，延長了設備的使用壽命。（見圖8、圖9）

圖8 試生產的破碎錘頭

圖9 工業性試驗現場

6 結語

①通過不同焊接參數組別的焊接成型試驗，說明預熱溫度一定時，焊接參數在220A時，焊接成型較好，飛濺較小。②通過不同焊接方法組別的焊接硬度試驗，說明連續焊接導致后一道的焊縫溫度較高有降低表面硬度的可能性，焊道越多對表面硬度影響越大；而每道焊縫焊接完成后進行自然冷卻溫度達到一定范圍后，再進行后一道焊縫，可有效保證或提高表面硬度。③通過磨損試驗，得出控制溫度焊接后的耐磨塊，開始磨損時磨損量較大，但隨著時間的增加磨損量會逐漸減緩磨損量，說明耐磨塊的耐磨性較好。