矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿的自动化焊接修复技术.pdf

世界有色金属2023年7月上52机械加工与制造Machining and manufacturing矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿的自动化焊接修复技术孙亮，王亮（兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 7 3 0 2 0 7）摘 要：为提高断裂轮齿焊缝强度，降低焊接修复后焊件不合格率，开展矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿的自动化焊接修复方法的设计研究。为了达到最大的延迟冷却速度，并降低冷开裂现象的发生概率，在对断裂轮齿焊接和修复前，按照规范对断裂轮齿中的焊缝进行预热、清洁等处理；使用自动化焊接专机，设计断裂轮齿的栽丝镶齿与齿轮补焊；采取慢速降温或后加热的方法，设计焊接修复后的断裂轮齿冷却处理，防止焊件出现裂纹，完成自动化焊接修复技术的设计。以某地区大型矿山机械设备生产制造单位为例，设计实例应用实验，实验结果证明：该方法可以在提高断裂轮齿焊缝强度的同时，将自动焊接修复加工的不合格率控制在一个相对较低的水平。关键词：矿山；修复技术；自动化焊接；断裂轮齿；传动设备；机械齿轮中图分类号：T G 4 5 7.2 5 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 3-0 0 5 2-3Automatic Welding Repair Technology for Broken Gear Teeth of Mining Machinery Gear Transmission EquipmentSUNLiang,WANGLiang(L a n z h o u P e t r o c h e mi c a l Un i v e r s i t y o f V o c a t i o n a l T e c h n o l o g y,L a n z h o u 7 3 0 2 0 7,C h i n a)Abstract:I n o r d e r t o i mp r o v e t h e w e l d s t r e n g t h o f f r a c t u r e d g e a r t e e t h a n d r e d u c e t h e u n q u a l i f i e d r a t e o f w e l d e d p a r t s a f t e r w e l d i n g r e p a i r,t h e d e s i g n a n d r e s e a r c h o f a u t o ma t i c w e l d i n g r e p a i r me t h o d s f o r f r a c t u r e d g e a r t e e t h i n mi n i n g ma c h i n e r y g e a r t r a n s mi s s i o n e q u i p me n t a r e c a r r i e d o u t.I n o r d e r t o a c h i e v e t h e ma x i mu m d e l a y e d c o o l i n g r a t e a n d r e d u c e t h e p r o b a b i l i t y o f c o l d c r a c k i n g,p r e h e a t i n g a n d c l e a n i n g o f t h e w e l d s i n t h e f r a c t u r e d g e a r t e e t h s h o u l d b e c a r r i e d o u t a c c o r d i n g t o s p e c i f i c a t i o n s b e f o r e w e l d i n g a n d r e p a i r i n g t h e m;Us i n g a n a u t o ma t e d w e l d i n g ma c h i n e,d e s i g n w i r e e mb e d d i n g a n d g e a r r e p a i r w e l d i n g f o r b r o k e n g e a r t e e t h;A d o p t i n g s l o w c o o l i n g o r p o s t h e a t i n g me t h o d s,d e s i g n i n g c o o l i n g t r e a t me n t f o r f r a c t u r e d g e a r t e e t h a f t e r w e l d i n g r e p a i r t o p r e v e n t c r a c k s i n t h e w e l d e d p a r t s,a n d c o mp l e t i n g t h e d e s i g n o f a u t o ma t e d w e l d i n g r e p a i r t e c h n o l o g y.T a k i n g a l a r g e-s c a l e mi n i n g ma c h i n e r y a n d e q u i p me n t p r o d u c t i o n a n d ma n u f a c t u r i n g u n i t i n a c e r t a i n r e g i o n a s a n e x a mp l e,a n a p p l i c a t i o n e x p e r i me n t w a s d e s i g n e d.T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t t h i s me t h o d c a n i mp r o v e t h e s t r e n g t h o f t h e f r a c t u r e d g e a r t o o t h w e l d s e a m w h i l e c o n t r o l l i n g t h e u n q u a l i f i e d r a t e o f a u t o ma t i c w e l d i n g r e p a i r p r o c e s s i n g a t a r e l a t i v e l y l o w l e v e l.Keywords:mi n i n g;Re p a i r t e c h n o l o g y;A u t o ma t e d w e l d i n g;B r o k e n g e a r t e e t h;T r a n s mi s s i o n e q u i p me n t;Me c h a n i c a l g e a r收稿日期：2 0 2 3-0 4课题批准号：2 0 2 2 B-3 1 9。基金项目：2 0 2 2 年度甘肃省高等学校创新基金项目 “绿色制造”背景下矿用零部件的再制造修复技术与工艺研究 的阶段性研究成果（项目编号：2 0 2 2 B-3 1 9）作者简介：孙亮，男，生于1 9 8 2 年，汉族，甘肃平川人，本科，高校讲师，研究方向：焊接技术与自动化。焊接修复技术是指通过加压或增加焊接件温度的方式，建立焊接件中原子之间的紧密结合关系，使原子在空间中呈现更加紧密的连接状态。现阶段，焊接修复技术主要被应用在金属件或非金属件的连接施工中。在深入此方面内容的研究中发现，工业产业是带动市场经济发展中的重要环节，无论是基于国家战略性发展角度，还是从产业建设角度，加快机械自动化与产业智能化行业的发展，都是未来市场建设的必然趋势。为提高焊接修复工作的效率与综合水平，有关单位提出了针对构件的自动化焊接修复技术，此项技术是指利用自动化系统与智能化通信技术，将焊接件与焊接作业工具建立直接联系，通过此种方式，包括结构中的装夹定位装置、转动装置等，通过此种方式，实现工业的批量化、大规模、自动化生产1。相比早期的焊接技术，自动化焊接修复技术可以在提高工业作业效率的同时，减少人工作业强度与任务量。同时，此项技术在使用中集成了自动化设备，可以辅助机械实现24小时不间断作业。截至目前，我国前端机械制造领域已经尝试将此项技术投入生产使用，并在阶段性的工作中取得了一定的成果2。为满足对此项工作的大规模推广，本文将在此次研究中，以矿山机械齿轮传动设备为例，设计针对断裂轮齿的主动化焊接修复方法，旨在通过此次设计，提高企业工业车间的生产力与综合作业水平。1 断裂轮齿焊接前的预处理为实现对矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿的规范化处理，提高断裂轮齿修复后的综合性能，应在焊接作业前，采取一定的措施，预处理断裂轮齿焊件，通过此种方式，确保焊接后的轮齿可以在实际应用后达到预期的强度效果。为了达到最大的延迟冷却速度，并降低冷开裂现象的发生概率，在对断裂轮齿进行焊接和修复前，必须先对齿轮中的齿轮加热处理。根据焊接温度需求，将其加热到200 250，注意在完成加热后应保证焊件温度缓步下降，不可出现温度急剧下降，否则会严重影响齿形晶体结构，从而出现细微裂纹3。在焊接工艺前进行预热，可以有效地减小工件表面受到温度影响而剧烈变化，降低齿轮损伤，优化焊接应用效果。通常情况下，当矿山机械齿轮传动设备轮齿发生断裂2023年7月上 世界有色金属53机械加工与制造Machining and manufacturing后，断裂位置直接暴露在大气环境中，并受到机械日常使用的影响，断裂位置往往会存在大量的污垢与杂物，为降低污垢与杂物对矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿焊接造成的影响，需要在焊接修复处理前，对轮齿中的齿轮进行表面清洁处理，通过此种方式，去除焊接位置与断裂位置中的杂物与附着物，使其表面达到光亮整洁的效果4。焊接时，若有其他材料混在焊缝中，也会对零件的可靠性产生一定影响，从而影响到轮齿修后工作效果。因此，在清洁处理中，应注意其他物质的掺入控制，不可出现清洁后其他物质掺入焊缝的现象。完成上述处理后，设计焊接作业矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿焊条的选择。焊接修复时，通常会使用电弧焊或直流反焊接处理工艺进行焊条的处理5。为满足焊接修复工作的需求，选用D227型号的焊条作为此次焊接使用的主要材料，焊接前，对焊条提前进行烘干处理，确保焊条表面无水分后，将其投入使用。通过上述措施，完成断裂轮齿焊接前的预处理，防止焊条本身存在水分对断裂轮齿自动化焊接修复工作造成影响。2 基于自动化焊接专机的栽丝镶齿与齿轮补焊为满足矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿的自动化焊接修复需求，焊接修复中，使用自动化焊接专机，设计断裂轮齿的栽丝镶齿与齿轮补焊。在此过程中，应明确自动化焊接专机主要由三个部分构成，分别为自动焊接机构、电气控制机构与机械自动化控制机构6。焊接中，需要人工操作或机械手操作工件的上下移动，驱动机械控制机构，使用夹具，设计焊接工件的断裂位置定位程序与固定处理程序7。焊接时，驱动电气控制机构，启动终端电源的电弧，进行轮齿的自动送丝、自动移取与退回。完成焊接后，启动机械手取下机械中的焊件。对上述提出的三个机构主要构成进行描述，相关内容如下表1所示。表1自动化焊接专机主要机构序号主要机构构成（1）自动焊接机构焊枪、焊接电源（2）电气控制机构支撑机构、床身机构、焊接微调机构、焊接位移机构等（3）机械自动化控制机构机械手、传送装置、自动化夹具等焊接过程中，自动化焊接专机主要使用双丝进行矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿的焊接修复处理，在进行断裂轮齿栽丝镶齿处理中，可将此种焊接处理作为大面积焊补，对于此种需焊补面，辅助自动化焊接专机，引进栽丝法作业，可以使焊接修补中的应力转移到螺钉承担，以避免焊缝出现剥离的现象8。焊接中，将断裂轮齿油污清理后，使用机械工具，对断齿中参差不齐的边缘与尖锐处进行打磨，确保表面平整且焊缝漏出原件光泽后，使用棉纱，沾取酒精或汽油，对断齿位置进行擦拭，通过此种方式，保证焊缝位置保持干燥。在此基础上，沿着断裂轮齿宽向方向，进行轮齿的划线与钻孔，设计钻孔之间的距离在20mm24mm范围内，在钻入的孔洞中，使用机械自动化控制机构，在其中打入M10螺孔，注意螺栓的埋深应在20mm以下9。在此基础上，使用轮齿样板进行断裂轮齿的定位，驱动电气控制机构与自动焊接结构，采用点焊的方式，将焊件连接，在此基础上，使用机械手操作焊条，将焊条塞孔处理，并按照规范对其进行施焊。完成栽丝镶齿的自动化焊接设计后，对矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿进行补焊设计。在补焊过程中，为减少补焊材料的熔合比，需要将焊接断裂轮齿采用倾斜的方式放置在自动化作业面中，应确保断裂轮齿的焊缝位于倾斜面的上坡。为降低在补焊中焊缝与焊件的温差，在补焊前，对焊缝与坡口位置进行预热处理，设计预热温度在230 260（250左右即可）。根据补焊中的实际情况，选用直径为3.2mm或2.5mm的焊条，将焊条在200的环境下烘焙处理，处理时间控制在1.5h2.5h范围内，处理后，将焊条放置在保温箱中，随用随取10。在进行第1、2层焊道的补焊时，设计电弧焊的电流在80A90A范围内，使用直流反接的方式进行补焊。在进行第3层焊道的补焊时，使用与第1、2层焊道相反的电弧焊电流，设计电流在90A100A范围内，按照上述方式，逐步增加自动化焊接修复的电流与方向，通过此种方式，减少焊接应力，避免焊接中焊缝发生热变形。3 焊接修复后的断裂轮齿冷却处理在上述设计内容的基础上，应注意对焊接修复完成焊接的冷却处理。在焊接后的冷却中，应该采取慢速降温的方法，或采取后加热的方法，以防止焊件出现裂纹，避免造成修复后的齿面损坏。在焊接结束后，将焊件加热至特定温度，经过一段时间的保温，以减缓其冷却速度，并提高焊缝特性，消除残余应力对焊件的不利影响。一般情况下，焊接后的热处理包括加热、保温、冷却三个工序，操作过程中，应注意三个工序应保持连续、不中断。按照上述方式，实现焊接修复后的断裂轮齿冷却处理，完成矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿的自动化焊接修复方法的设计。4 实例应用分析上文从三个方面，完成了矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿的自动化焊接修复方法的设计，为实现对该方法在实际应用中效果的校验，掌握设计焊接方法在断裂齿轮焊接修复中的作用，下述将以某地区大型矿山机械设备生产制造单位为例，采用设计实例应用实验的方式，对该方法展开如下文所示的测试。焊接前，选用埃姆顿型号的批次矿山机械齿轮传动设备作为此次实验的测试对象，在对此批次设备进行技术勘查时发现，设备在经过一段时间的投入使用后，出现了轮齿断裂的现象，轮齿断裂不仅会对机械的安全、稳定运行造成一定程度的影响，还会降低矿山工程作业的效率。因此，在与矿山工作企业进行交涉后，决定使用本文设计自动化焊接修复世界有色金属2023年7月上54机械加工与制造Machining and manufacturing方法，对批次断裂轮齿进行修复。修复作业前，对埃姆顿型号矿山机械齿轮传动设备的技术参数进行描述，相关内容如下表2所示。表2矿山机械齿轮传动设备的技术参数序号项目参数（1）轮齿宽度2cm（2）使用范围与常规机械设备相同（3）载荷状态均匀载荷（4）减速比31.03（5）布局形式同轴式（6）输出转速范围47.6rpm（7）级数单级（8）额定功率360kW（9）安装形式立式掌握上述相关内容后，使用本文设计的方法，对断裂轮齿进行自动化焊接修复。焊接修复前，根据矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿的实际情况，对其表面采取措施进行清洁等预处理。在此基础上，辅助自动化焊接专机，设计断裂轮齿的栽丝镶齿与齿轮补焊，完成上述步骤后，对焊接修复的断裂轮齿进行冷却处理，通过此种方式，确保自动化焊接修复处理等相关工作的实施可以达到预期效果。完成实验准备与自动焊接修复处理后，对完成焊接的矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿进行硬度测试。现已知断裂前批次矿山机械齿轮传动设备轮齿的硬度为674HV，对完成焊接的批次轮齿，使用THSV-800硬度计，对轮齿焊缝位置表层硬度进行测量与测试，统计实验结果，如下表3所示。表3焊接后批次轮齿焊缝表面硬度测试结果轮齿编号表 面 硬 度 测 试结果（HV）轮齿编号表 面 硬 度 测 试结果（HV）LC-01688LC-07690LC-02687LC-08689LC-03689LC-09685LC-04687LC-010686LC-05688LC-011687LC-06689LC-012690根据上述表3所示的齿焊缝表面硬度测试结果可知，此次测试的12个轮齿，在完成焊接后其表面硬度均685HV，与59HRC等效性较高。同时，对焊接前与焊接后轮齿焊缝表面硬度进行分析发现，焊接后轮齿焊缝表面硬度焊接前轮齿焊缝表面硬度，说明本次设计的自动焊接方法在实际应用中的效果良好，该方法可以在实现断裂轮齿自动焊接的同时，提高轮齿焊缝的硬度，降低矿山机械齿轮传动设备轮齿发生二次断裂事故的次数。完成上述测试后，统计断裂轮齿自动焊接修复加工的不合格率，将此项指标作为评估自动化焊接修复技术的关键指标，统计其结果，相关内容如下图1所示。从图1所示的实验结果可以看出，每天自动焊接修复加工的断裂轮齿中，只有不足2%的轮齿存在不合格问题，即自动焊接修复后，超过98%的轮齿符合技术规范，即通过焊接后的质量验收。因此，在完成上述实验后，综合图1与表21孙红梅,李国娜,马海强,等.某型航空发动机高导内机匣安装边密集裂纹原因分析与焊接修复J.焊接技术,2022,51(09):131-134.2黄俊平.自动化焊接在热轧变截面U肋工艺上的应用以厦门翔安大桥为例J.福建交通科技,2022,(08):68-71.3郑三毛,刘东甲.手持激光填丝焊接技术修复超高压输电线路金具的工艺研究J.材料研究与应用,2022,16(04):620-625.4张兆弟,袁亚亮,张金宝,等.全自动MAG焊接专机在锅炉受热面安装中的设计和应用J.安装,2022,(05):81-82.5张祥,渠源,张虎.窄间隙焊接技术在机车转向架空心轴自动化焊接上的应用研究J.中国设备工程,2022,(01):110-111.6蔡文龙,张永康,孙泽永,等.海上风电结构钢电弧与激光锻造复合焊接修复工艺研究J.电加工与模具,2021,(06):58-61.7纳日苏,马福林.某电厂主蒸汽管道压力测点角焊缝裂纹原因分析及焊接修复J.焊接技术,2021,50(08):92-94.8胡亚芳.刮板运输机溜槽中板双丝机器人自动焊接修复技术研究与应用J.同煤科技,2021,(04):27-29.9胥少东.25000kN气瓶热冲孔水压机整体框架机体主压力缸连接部位开裂焊接修复J.现代制造工程,2021,(01):108-113.10 邓跃兵,徐世雄,熊卫国,等.乙烯裂解炉镍基炉管焊接修复开裂原因分析及对策J.金属加工(热加工),2020,(10):74-77.所示的结果，得到如下结论：本文此次设计的矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿的自动化焊接修复方法实际应用效果良好，该方法可以在提高断裂轮齿焊缝强度的同时，将自动焊接修复加工的不合格率控制在一个相对较低的水平。图1断裂轮齿自动焊接修复加工的不合格率统计结果5 结语本文通过断裂轮齿焊接前的预处理、基于自动化焊接专机的栽丝镶齿与齿轮补焊、焊接修复后的断裂轮齿冷却处理，完成了矿山机械齿轮传动设备断裂轮齿的自动化焊接修复方法的设计。设计的方法通过检验后证明了可以在提高断裂轮齿焊缝强度的同时，降低断裂轮齿自动焊接修复加工的不合格率，通过此种方式，提高矿山企业自动化焊接修复技术能力与作业效率。因此，可以在后续工作中，根据具体需求，对设计方法在矿山工作领域内进行推广，通过此种方式，提高矿山机械作业综合水平。