電弧增材堆焊修復輸送機刮板的研究*

王文山 龐旭剛 趙波波 田 芳 方 京 李 倩 張 策

(1.包頭職業技術學院 材料工程系,內蒙古 包頭 014035; 2.北方重工業集團有限公司 防務事業部,內蒙古 包頭 041030; 3.河北燕興機械有限公司 質量管理部,河北 張家口 075000; 4.內蒙古一機集團包頭北方創業有限責任公司,內蒙古 包頭 041030)

在現代煤炭開采領域,刮板輸送機作為主要的煤炭運輸設備,具有高強度、高可靠性和大運載量的特點。刮板輸送機的部件包括電動機、減速器、聯軸器、鏈輪、刮板、中部槽和行走系統。[1]其中刮板在井下作業時,持續與中部槽、煤礦等發生劇烈的摩擦,同時刮板還受到煤矸石產生的法向沖擊和滑動摩擦,對刮板表面進行切削產生磨損,導致刮板失效。因此,尋找高效且優質的修復刮板的方案,對于節約資源,提高修復經濟性具有重要意義。

目前,刮板修復的方法主要集中在手工堆焊修復上,這種修復方式效率較低,修復質量不易保證。電弧增材制造技術(Wire and arc additive manufacture WAAM)是利用電弧作為熱源,添加焊絲作為填充材料,在程序控制的基礎上打印出金屬零件的技術。[2]與選區激光熔焊(SLM)和選擇性激光燒結(SLS)、激光熔覆(LC)等AM(Additive manufacture)技術相比,具有更低的設備成本,運營成本和原料利用率的優點,采用該技術修復受損刮板,比傳統手工堆焊修復技術的生產效率更高,修復質量也更易于控制,[3]更適合于修復輸送機刮板磨損所造成的缺陷。因此,本文采取掃描逆向工藝對刮板磨損部位進行數據處理,并使用機器人電弧增材技術修復輸送機刮板,為此類設備出現的磨損問題提供了可借鑒的修復方案。

1 刮板的三維重構

基于三維掃描逆向對受損刮板進行表面輪廓尺寸數據采集,數據處理、逆向重構和增材分形。多視角掃描待修復的刮板的外輪廓,通過去除噪點、修復孔洞,調整數據等過程進行數據處理,利用NURBS曲線曲面構造法對數據進行建模,擬合,配合布爾求差運算求出受損刮板模型,標準刮板結構及磨損刮板三維重構模型如圖1所示。

圖1 標準刮板結構及磨損刮板三維重構模型

2 電弧增材路徑規劃

將三維逆向重構的受損刮板模型導入離線編程軟件SprutCam中進行機器人堆焊路徑規劃。仿真流程如圖2所示。堆焊過程中由于焊縫層數增加,各層焊縫收弧位置會存在弧坑,需要在機器人指令中增加收弧停留時間,延長氣體送氣時間,起到填充弧坑的目的。機器人焊接角焊縫擺動模式包括鋸齒形擺動、三角形擺動和梯形擺動等,[4]不同的擺動方式下,其輸入到焊件上的熱量也不同,本次試驗選擇的是鋸齒形擺動,更易于控制熔化金屬的流動和堆焊所需的焊縫寬度,保證良好的焊縫成形。

堆焊路徑的設置要保證各層引弧位置和熄弧位置相互錯開,補償,防止出現余高過高或過低的情況,盡量保持焊縫成形對稱,表面高低一致,同時每層焊接時,后一焊道需要壓住前一焊道的1/2,保證焊接層間的熔合性,防止出現夾溝。調整仿真軟件中弧焊機器人軸向控制為翻轉腕關節,第六軸控制點位指向固定點,且固定點位為機械手臂肘部點位,進行路徑設置,利用軟件將焊槍從起點到終點運行過程中規劃出一條最佳的路徑,該路徑不能有干涉或碰撞現象。[5]考慮到傾角對焊縫質量的影響,[6,7]調整焊槍前傾角為75°～85°,同時使用機器人及附加軸運動優化器優化出最佳焊槍姿態。

圖2 焊接仿真流程

3 堆焊修復實驗

3.1 焊接材料的選擇

根據堆焊合金性能的需要,在滿足服役環境、工況的前提下選用價廉的堆焊材料。本次修復考慮到刮板的服役環節和壽命要求,針對刮板母材的金相組織和硬度情況,通過等強度匹配選擇抗沖擊高耐磨的堆焊焊絲進行修復,焊絲直徑為φ1.2mm,堆焊使用的氣體為98%Ar+2%CO2。堆焊焊絲的化學成分如表1所示。

表1 焊絲的化學成分

3.2 焊前準備

堆焊之前徹底清理刮板各表面煤泥、油污 ,修復部位除銹,打磨所有修復部位至露出金屬光澤。環境溫度低于10℃時,將工件加熱至 200℃并控溫,溫差±20℃。在焊接部位周邊噴涂防飛濺液。

3.3 焊接工藝參數

焊接工藝參數在電弧增材制造中對焊縫外觀、成形尺寸、稀釋率和焊縫內部組織性能有關鍵作用。對于堆焊修復工藝,主要的焊接參數為焊接電流、焊接速度、送絲速度和層間溫度。由于刮板堆焊修復共3層,堆焊層經受的熱循環比一般焊縫復雜的多,修復過程中,后一層焊縫的熱量反復作用到前一層焊縫,導致焊縫處所受的熱輸入量較高,隨著堆焊層數的增加,整個焊件的溫度會不斷提高,成形過程中的熱積累效應明顯,從而易引起堆焊弧坑坍塌現象。另外,堆焊操作時產生的應力沿焊接方向逐漸增大,應力疊加會增加堆焊層開裂的傾向。[8,9]為了防止出現以上堆焊缺陷,需要在堆焊過程中嚴格控制焊接工藝,如表2所示,每道焊接要保證層間搭接良好,控制各焊層的層間溫度不低于100～150℃,無焊接缺陷。當環境溫度低于10℃時,焊接完畢后,用石棉覆蓋工件,使其緩慢冷卻至室溫。

通過試驗得到堆焊修復后的焊縫外觀如圖3所示,堆焊焊縫共3層5道,單道焊縫寬度約為5～6mm,堆焊層高度為8～9mm,焊縫外觀成形良好,平整,符合技術要求。

表2 機器人堆焊修復焊接工藝參數

圖3 堆焊修復后的焊縫外觀

4 結論

針對輸送機受損刮板進行電弧增材修復,提出了三維模型重構—焊接路徑仿真—電弧增材制造的堆焊修復方案。通過提取三維重構刮板的表面有效特征點并計算磨損量,對受損刮板進行插值三維表面模型重構。配合仿真軟件設計堆焊路徑,增加填充弧坑指令和焊縫重疊路徑,避免收弧處弧坑及引弧處的余高過高問題。結合電弧增材修復技術,優化焊接工藝參數獲得了準確的焊接外觀尺寸和良好的焊接質量,對于解決類似的修復問題具有借鑒意義。