一种焊接滑轮的制造工艺

摘要：文中提出的焊接滑轮结构及其制造工艺，是基于实践经验，持续优化后得到的一种较为合理的方案，并已通过后期力学指标测试。该方案在很大程度上消除了制造过程中潜在的、导致后期出现常见缺陷的不良因素。文中对此种焊接滑轮制造过程中的各道工序进行了系统、简要的解析，通过对各道工序质控点的把握，可最终提高焊接滑轮的性能、延长其使用寿命。

关键词：焊接滑轮；失效模式；制造工艺；过程控制

中图分类号：TH21文献标识码：A文章编号：1001-0785（2020）19-0096-06

0引言

传统的起重机滑轮为实心滑轮，常采用铸造工艺，但因其工艺自身原因，难以避免的存在缺陷，如铸造质量差、产品报废率高，环境污染等问题[1]。在大型港口机械中，滑轮使用分布广、数量大，且位于高空不易替换，故此类滑轮研究的重点就集中在减轻滑轮质量，降低制造成本的问题上，也因此催生了不少关于焊接滑轮的新思路。焊接滑轮凭借其自重轻、产品报废率低的相对优越性，正在逐步取代传统实心滑轮。近年来，市场上出现一些新型焊接滑轮，它们以自身经济性方面的相对优势，迅速得到广泛的应用。虽然焊接滑轮的经济性优于铸造滑轮，但因滑轮中存在焊接应力引起的变形，甚至在一些焊接滑轮结构中存在轮槽区域的焊道分布设计，将使关键工作区域局部硬化，并最终极易使与之配合的钢丝绳受到磨损[2]，使用寿命即相应缩短。本文介绍一种较为合理的焊接滑轮结构，结合实践经验，对此种焊接滑轮的设计思路进行分析，并对其制造工序进行分析及合理化建议，借此在一定程度上提高焊接滑轮的综合性能。

1焊接滑轮结构组成

图1所示焊接滑轮，其结构简单，轻载工况下力学表现较好，中强载荷下则往往显现出力学性能上的设计缺陷，如变形、结构失稳或钢丝绳磨损速度快等[3]。图2所示焊接滑轮结构基于图1的结构进行优化，相比之下较容易发现二者的差异，本文即对图2所示结构进行浅析，同时对其相关制造工艺进行简要剖析。

1.1绳槽板

绳槽板如图3所示，作为结构系统中的核心部件，其设计及制造细节上的差异，往往会对后续的使用寿命产生重大影响，甚至关乎设备安全性，故在滑轮设计及制造过程中必须对其加以极高的重视。


1.钢丝绳2.幅板3.轮毂

图1常见的焊接滑轮结构


1.钢丝绳2.绳槽板3.幅板4.轮毂

图2优化的滑轮焊接结构


图3槽板折弯成品

为使滑轮满足使用寿命要求，原则上需尽可能提高滑轮的表面硬度，同时，基于轮槽板加工可行性的考量，一味追求板材的高硬度同样不可，当然，钢丝绳及滑轮是否能够达到预期使用寿命，还与滑轮槽直径以及钢丝绳直径的相互匹配度有关[4]。本文以国外某专业索具生产厂商生产的36mm直径的不锈钢钢丝绳为例展开，配合使用的是某海工企业生产的焊接滑轮，材料为Q345。

1）绳槽板几何尺寸确定

材料选定后，首先根据API-9B《美国石油学会钢丝绳设计规范》中的规定，获得绳槽板的折弯几何参数[5]；相关参数如图4所示，通过展平工具软件得到所需槽板毛坯宽度，根据滑轮所需直径，即可得出槽板展平长度近似值；由于焊接收缩的存在，圆周长度上仍需进行反复微调，实际操作中，在卷圆机上通过调整辊轮间相对位置，最终使得槽板长度方向上首尾相连，为后续焊接提供条件。反复调整后，即可在生产前端得到精确的展平状态长度值，以为后续批量生产所使用。如图5所示，绳槽板首道卷圆工序制备完毕。


图4绳槽板几何参数


图5首道卷圆工序


图6首道卷圆半成品

2）绳槽板焊接

作为核心部件，绳槽板同钢丝绳直接接触，设备所提重物的重力通过钢丝绳传递到滑轮槽中，压强P=F/S，因滑轮槽接触面极小,圆周上承受极高的压强，故绳槽板除了需具备足够的表面硬度外，为避免滑轮使用过程由于压应力超负荷而引发的龟裂，制程中同样需保证滑轮圈对接处的焊缝质量，焊接需达到全熔透，避免焊道中夹杂气孔、咬边等缺陷，因该缺陷通常肉眼不可见，生产中可采用磁粉探伤、超声波检测等方式进行排查。如图7a所示，以板厚10mm为例，在即将对焊的两端同方向分别开设坡口，通常成45°夹角；如图7b所示，于坡口底部放置陶瓷衬瓦以支撑焊液，促进焊缝形成。


图7绳槽板的焊接

为避免绳槽板宽度方向上的缺陷，在焊道的起点及终点处分别增设引弧板，如图8所示，坡口开设细节参考母材，以此保证绳槽板有效长度上的焊接质量。


图8引弧板

经过多层烧焊直至焊道平面高于绳槽板平面并呈帽状，绳槽板的正面焊接工作即已完成。需要注意，正面焊接完成后不可直接进行反面焊道的填充，而须对正面焊道的基部进行刨底处理（如图7c所示），原因是正面焊道的基部因焊缝鳞状层叠形成机理，必然导致的基部不平整状态，而刨底处理后的正面焊道基部无焊渣残留，沟槽表面平整，张角大，有利于反面焊道的焊液填充（如图7d所示），可较大程度上地避免气孔、夹渣等常见焊接缺陷的产生。隆起的焊道成鳞状分布，鳞片间的沟槽需磨平以避免焊道表面的应力集中，防止细小裂纹生长，（如图7e所示）。

3）绳槽板的折弯

如图6所示，首道预卷工序完成后，仍需对其进一步成型，以达到图3的折弯成品状态。

以图9槽板为例，板材截面的折弯过程中，截面角度由初始状态的180°，经折弯达到60°折角，弯曲应力值也相应地由0逐渐向最大值σ=Ey/ρ过渡。实践证明，当弯曲应力在生产过程中没有得到及时有效的释放时，滑轮在后续的使用过程中往往容易出现裂纹。

为了在生产中避免此类问题的产生，折弯过程可按两个阶段分步进行，并在两个生产阶段中加入应力释放工序，生产中需准备两副折弯模具，分别为90°模具以及60°模具。

首先将用90°成型模在滚槽机上将平板由180°折弯至90°，见图9a，此时，弯曲应力或已接近板材破坏临界值，如继续折弯将使应力值急剧增大并超出材料极限，将使得绳槽板开始出现裂纹。第一阶段折弯操作完成后，预折弯状态下的板件将被送至下一道工序进行应力释放。振动时效法作为近年来国内外迅速发展并广泛应用的去应力工艺，具有耗能少、时间短、效果显著等特点，尤其针对此类大型零件，选用振动去应力的方法，通过此工序消除零件内应力的同时，也可以达到稳定尺寸的效果。

至此，第一阶段预折弯及应力消除工作均已完成，可转入第二阶段折弯工序，即由90°预弯状态成型至60°折弯角的目标角度值，见图9b，轮槽板的折弯成品状态已完成。


（a）


（b）

图9绳槽板的折弯角度

1.2幅板

如图2所示双幅板结构,作为焊接滑轮中起整体结构性径向受力作用的零部件，在结构上须具备足够的强度，文中讨论的滑轮具有左右对称分布的双幅板结构形式，并呈倾斜角度，构成三角结构，即使在钢丝绳处于轴向交替偏向载荷的极端工况下仍表现良好，结构较为合理。

幅板的生产工艺相对简单，根据钢板的回弹性能计算出成型模具的折弯角度，需要注意，不同材料或不同批次间的材料在回弹值上可存在一定差异，因此在实际生产前期须制作试样以得到精确值，压模制作完成后，在冲压机上即可实现幅板的成品折弯状态；经实践证明，同等焊接参数下，内圈在后期工作过程中出现裂纹的概率远高于外圈；原则上，图2所示的内圈a处须采用全熔透焊接，而b处则可采用部分融透焊接。实际操作中只需结合轮毂边缘进行相应地坡口开设，以达到全焊透几何参数轮廓,如10a所示。通过合理的布局，在工况苛刻的部位进行必要的加强，在生产过程中可提高工作效率，降低生产成本。

1.3轮毂

轮毂俗称法兰，按图2所示机构，通过焊接的方式将轮毂、幅板以及轮槽板连接成整体，构成完整的滑轮结构。轮毂的作用是将轮槽上钢丝绳的受力传递至滑轮轴上，作为力的传递枢纽，材质的选择上需保证轮毂具有一定的韧性及强度，此处可选用35#钢，在结构上需注意，首先应配合内幅板内外圈边缘的进行坡口开设以形成全熔透空间的截面尺寸；另外，在轮毂的内圈表面仍需要考虑轴承配合，或为其预留润滑通道，本文着重于焊接滑轮的制作工艺，故功能上的设计细节不展开赘述。


（a）


（b）

图10幅板的焊接

2滑轮的焊接

为使焊接滑轮的整体变形量最小化，首先在滑轮专用焊接工装上分别将幅板、轮槽板、轮毂依次放置好并进行点焊,如图10b所示，段焊长度不应少于2cm，以保证组件间不因焊接应力而变形。在焊接过程当中，几个常见的焊接缺陷需要注意：

1）裂纹的产生作为焊接过程中常见的一种缺陷，具体表现为局部破裂，可能出现在焊缝的内外，还可能出现在母材的热影响区。根据裂纹产生的温度及时间，其主要分为热裂纹、冷裂纹及再热裂纹。除了调整焊接参数以外，还可以对母材进行焊前预热，通过这种方式可以降低母材的冷却速度，从而缩小母材同焊缝的温度下降速率差异，最终避免裂纹的产生[9]。

2）焊接变形滑轮作为回转件，需要满足圆跳动精度要求，但焊接过程中由于焊接工艺的局限性，生产中无法对焊缝圆周进行同步焊接，由于圆周上受热起始时间不同，优先焊接的部位率先收缩，造成了圆周上收缩率不均匀，发生焊接变形。由此可见，焊接变形无法完全避免，故后期的校正工作显得尤为关键，常用的校正方法为火焰加热。将滑轮水平放置在校正平面上，即可找到变形部位，而后在其反方向上进行火焰加热，即可达到校正效果，保证位置度要求。

3焊接滑轮的淬火

滑轮的绳槽板在工作过程中承受着所提重物的重力，同时，在滑轮及钢丝绳这对摩擦副上偶尔会发生相对滑动，这些因素都可能对绳槽底部造成严重磨损，这就要求滑轮槽需具备足够表面硬度，同时又不失去内部的韧性，因过高的硬度同样会造成不良后果。电磁感应淬火工艺，利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。电磁感应加热热源集中在表面，加热速度快，热效率高，因不是整体加热，所以变形量也较小。如图11a所示，根据滑轮槽的轮廓，需要定制电磁感应头，需要注意的是，感应头的轮廓通常跟滑轮槽保持一定距离，考虑沟槽圆周跳动误差范围及淬火效果，间距值通常设定为2mm，如图11b所示。


（a）


（b）

图11电磁感应加热头

淬火的温度通常控制在300℃～400℃之间，如图12所示，焊接滑轮在回转过程中进行电磁感应加热，冷却水随即对滑轮槽瞬时降温，以此达到所需表面硬度。通过设备功率及转速控制，可得到不同的淬硬深度，淬硬层厚度通常要求在2~3mm左右，淬硬层厚度不足意味着滑轮的使用寿命将被缩短，而如果淬硬层太厚，甚至滑轮槽板整体淬透，则绳槽板芯部也将失去韧性，故淬硬厚度的控制十分关键。作为过程控制手段，批量生产前通过对绳槽板的剖切，可在截面上清晰测得淬硬深度，并相应调整设备等参数以保证淬火质量的稳定性。


图12回转淬火设备

4焊接滑轮的机加工

淬火工序后，焊接滑轮的制作过程已基本完成。在起重设备中，钢丝绳除了通过滑轮进行方向的转换外，在其使用过程中还需要配合防跳绳杆，滑轮箱壳，轴承等部件，方可确保滑轮同钢丝绳工作平稳，因此，在焊接滑轮的工艺设计前端，就需要为焊接滑轮预留足够加工余量，通常单边不应小于5mm。百吨级以上的起重设备，其滑轮直径通常在1m左右，生产过程中若没有及时充分的校正，后期机加工环节中就很可能出现无法修正的偏差，导致残次品的产生，残次主要表现形式为加工余量不足或缺失。由图13可见，由于在焊接工序中操作人员没有对左右两翼板进行有效的焊接变形校正，导致在最终机加工工序中出现了左右翼板厚度不对称的问题并最终导致了报废件的产生。由此可见，过程控制在焊接滑轮的生产过程中起着重要作用，生产人员须加以重视。


图13翼板厚度不均

5结语

作为传统实心滑轮的替代品，焊接滑轮具备明显的优势，但由于焊接滑轮由若干零部件组装焊接而成，因此在整体性能上，相比实心滑轮同样存在着难以避免的劣势，如气孔、裂纹等应力集中点的存在。尤其在重载、变向等苛刻工况中，弊端更加突出。综上所述，在设计过程中，设计人员须根据载荷情况等因素，对焊接滑轮及实心滑轮结合使用、合理布局，从而在满足重载荷部位安全可靠的前提下，又能通过在非苛刻的场合下结合使用焊接滑轮，以达到降低成本的目的，并最终提高产品竞争力。焊接滑轮的结构形式更新换代日益频繁，设计人员在长期的工作实践中结合最新的设计理念，不断对焊接滑轮进行优化，本文阐述的焊接滑轮结构形式及其制造工艺仅是在现有的常规结构及工艺技术上，经过实践得出的一种思路。将来的研究或可以结合最新的设计思路及制造工艺，解决现有焊接滑轮存在的缺陷，使焊接滑轮能够完全替代传统实心滑轮。

参考文献

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