CN103225480B - 一种针对岩层开凿的重锤以及焊接加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对岩层开凿的重锤，其特征在于：包括重锤锤体、翼板、重锤附体，所述重锤锤体为一个整钢板，在其尾部加装了两对导向翼板，能够克服重锤在下落时从槽孔孔壁上传出的乱流使重锤歪斜的现象，实现定向击打，保证了槽孔的质量，四个翼板与主体对称焊接，起导向作用；所述重锤锤体上部开有用着钢绳起吊的孔，重锤锤体前面是两处岩石碰撞破碎的凹形，在凹型处堆焊耐磨合金，其目的在于增强耐磨性，所述重锤锤体上焊有两立板，重锤锤体焊接有重锤附体，重锤锤体上焊接有挡板，挡板起到重锤破碎时不让碎块或未破碎石块飞出，进一步破碎岩石直到能提升。保证了锤头的强度，同时锤身采用特殊的设计保证了整个重锤在击打时的塑形恢复。重锤击打岩层时能够起到定向击打，从而提高了工作效率节省了工期。

Description

一种针对岩层开凿的重锤以及焊接加工方法

技术领域

本发明涉及一种重锤，具体来讲是一种针对特殊岩层开凿的重锤焊接加工方法。

背景技术

我国的水能资源十分丰富，特别集中在西部地区。我省由于海拔落差大，水量充沛，被誉为“千水之国”故而水电资源的利用尤其重要。据考证，我西部地区水能资源占全国水能总资源的57%。同时仅，藏，川，贵，地区就占全国水能资源的43%，占世界的8.2%。

虽然我国水能资源丰富，但合理利用了的水能资源仅占总能的27%。而绝大多数流域地理环境复杂，施工难度巨大，对于水能资源的开发利用造成了极大的阻碍。特别是在水电站防渗墙的建设过程中，由于其实在地下施工。地下岩层构造复杂，特别是在山区建造大坝时尤为如此。当采用劈凿法开挖防渗墙槽孔时如果依然使用普通的重锤，那么在遇到类似于花岗岩，玄武岩等高硬度的岩层时就容易使普通重锤断裂，即使不断裂那么工期也会大大增加。造成极大的损失，以贵州思南水电站为例，其在开凿第23号防渗墙槽孔时，重锤断裂，造成直接经济损失37万元。延误工期长达半个月之久。使整个施工进程受到影响。最重要的是，如果采用普通重锤开凿槽孔，那么每天单个槽孔只能挖掘十几米，费工费时。普通重锤一般是铸钢件，大型且形状特殊铸件制造很受设备限制，合金铸件内部的夹渣、夹砂、缩孔、内裂纹很难彻底控制，耐磨性强但韧性差，使用时易断裂。设计的特殊重锤主要用于破碎如花岗岩、玄武岩等莫氏硬度3～ 5，通常钢铁的莫氏硬度是4-5，钨钢的莫氏硬度为9，想要大于莫氏硬度6，破碎部位必需用到含钨的高强度合金钢。

发明内容

本发明的目的在于在此提供一种针对特殊岩层开凿的重锤，解决在遇到类似于花岗岩，玄武岩等高硬度的岩层时就容易使普通重锤断裂的问题。

本发明是这样实现的，构造一种针对岩层开凿的重锤，其特征在于：包括重锤锤体、导向翼板以及重锤附体，所述重锤锤体为一个整钢板，在其尾部加装了两对导向翼板，能够克服重锤在下落时从槽孔孔壁上传出的乱流使重锤歪斜的现象，实现定向击打，保证了槽孔的质量，四个导向翼板与主体对称焊接，起导向作用；

所述重锤锤体上部开有用于钢绳起吊的孔，重锤锤体的前端是用于将岩石碰撞破碎的凹形，在凹型处堆焊耐磨合金，其目的在于增强耐磨性，所述重锤锤体上焊有两立板，重锤锤体焊接有重锤附体，重锤锤体上焊接有挡板，挡板起到重锤破碎时不让碎块或未破碎石块飞出，进一步破碎岩石直到能提升。

根据本发明所述的一种针对岩层开凿的重锤，其特征在于：重锤锤体上部开有三个孔，所述孔为φ80。

根据本发明所述的一种针对岩层开凿的重锤，其特征在于：重锤锤体上开有两个长方孔，用于垂直穿焊两立板，以便重锤十字方向破碎，长方孔的开制应与中心对称，保证重锤下落的平衡性。

根据本发明所述的一种针对岩层开凿的重锤，其特征在于：耐磨合金厚50mm。

根据发明所述的一种针对岩层开凿的重锤，其特征在于：重锤锤体、翼板、重锤附体、挡板、立板全部采用低碳钢材质Q235A钢材制成，钢板厚度为60mm -180mm，平面联接采用U形坡口，角焊为K形加强焊。

一种权利要求1所述针对岩层开凿的重锤的焊接加工方法，其特征在于：包括如下操作；

（1）构件材料选择：重锤各组件全部采用钢板焊接而成，选用低碳结构钢，强度级别410～420 Mpa范畴，钢板厚度为60mm-180mm，估选用Q235A优质碳素结构钢；

（2）零件下料：通过大型火焰数控切割机，拆分绘制零件数控切割图，从而达到零件精度外形尺寸；

（3）焊接材料选用、焊接规范及焊接坡口制定；

a、超大厚件焊接，焊接材料消耗大，焊接周期长，熔敷金属过多极易产生焊接气孔、夹渣、未熔合、裂纹缺陷，焊接材料首先保证与母材等强度级别的性能，其焊缝金属具有相同母材的韧性、抗冲击性、抗裂性和工艺可焊性，选用结构钢焊条手工电弧焊打底，焊条牌号 J422；减少焊接应力，提高焊接效率，控制焊接变形，填充层选用熔化极气保焊，焊丝牌号 ER50-6，相当于美国标准AWS：ER70S-6；

b、焊接坡口制定，重锤附体与主体连接部位是关键部位，从减少熔敷金属填充量降低因焊接应力所造成的变形，选用单边U型坡口，垂直相连部位为K型角焊缝，焊角的高度为相邻件钢板最薄厚度；

c、焊接规范，角焊、坡口焊根部焊条牌号 J422，焊条直径φ3.2合理焊接电流，根部与母材熔合；填充层焊丝牌号ER50-6，直径φ1.2～1.6 mm，电流规定 I=240～300A,CO2气体纯度99.98%，气体流量 L=18～20L/min，由于大熔量焊接，母材大厚度板，为防止裂纹产生，需预热施焊，预热温度100～150℃，焊后保温缓冷；

（4）消除焊接应力：常规去应力手段选用进炉中温退火去应力，在此选用无污染，低能量的振动消除焊接应力方式；

（5）耐磨合金堆焊：  

重锤主要在水下作业，工作层应具备耐磨、可修复性，堆焊方式手工电弧堆焊，堆焊材料选用低氢钠型药皮碳化钨堆焊焊条，焊条牌号 D707，碳化钨堆焊焊条，采用碳钢为焊芯的，依靠药皮中碳化钨合金过渡，堆焊金属含钨量40~50%，适用堆焊耐岩石强烈磨损的机械零件，

堆焊硬度：焊后空冷HRC≧62-65，堆焊层不允许剥离、脱落、掉块现象，因此堆焊前需对堆焊部位预热，打底，连续一次性堆焊完成的工艺；

（6）焊缝质量检测、外观形状尺寸检测：

a、焊缝质量是确保重锤使用不出现断裂和变形的主要检测环节。超大厚件，大熔量焊缝，检测手段内部质量，超声波检测符合GB 11345-203-1989UT-Ⅱ级，表面质量渗透检测符合 GB/T1993-Ⅱ级；

b、外观形状尺寸检测，重锤主体其对称度要求±3mm，重锤附体与主体的垂直度±2mm，两对翼板的对称度±2mm；

c、现场制作过程实行质量跟踪记录，各道工序均按工序流程卡操作者签字，做到有可追朔性。

根据本发明所述的一种针对岩层开凿的重锤的焊接加工方法，其特征在于：堆焊金属化学成分（%）：C：1.5-3.0，W：40.0-50.0，Mn：≤2.0，Si：≤4，余量Fe。

本发明的优点在于：通过改进这种重锤采用特殊的锤形设计，重达12吨，在其椎头处采用的是凹槽设计，并且整个重锤加装了一对翼板，能够克服重锤在高速下落时从槽孔孔壁上传出的乱流使重锤歪斜的现象，实现定向击打，保存了槽孔的质量。并且更为重要的是，在实际运用中，大大提升了施工进度。

重锤锤体前面是两处岩石碰撞破碎的凹形，在凹型处堆焊耐磨合金，其好处在于增强耐磨性，所述重锤锤体上焊有两立板，重锤锤体焊接有重锤附体，重锤锤体上焊接有有挡板，挡板起到重锤破碎时不让碎块或未破碎石块飞出，进一步破碎岩石直到能提升。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图

图2是图1的投影结构示意图

图3是本发明重锤锤体示意图

图4是本发明重锤锤体示意图

其中： 101、重锤锤体，101a、孔，101b、长方孔，102、导向翼板，103、重锤附体，104、挡板， 105、耐磨合金，106、立板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图所示，本发明提供一种针对岩层开凿的重锤，包括重锤锤体101、导向翼板102、重锤附体103，所述重锤锤体101为一个整钢板，在其尾部加装了两对导向翼板102，能够克服重锤在下落时从槽孔孔壁上传出的乱流使重锤歪斜的现象，实现定向击打，保证了槽孔的质量，四个翼板与主体对称焊接，起导向作用；所述重锤锤体101上部开有用于钢绳起吊的孔101a，重锤锤体101的前端是用于将岩石碰撞破碎的凹形，在凹型处堆焊耐磨合金105，其目的在于增强耐磨性，所述重锤锤体101上焊有两立板106，重锤锤体101焊接有重锤附体103，重锤锤体101上焊接有挡板104，挡板104起到重锤破碎时不让碎块或未破碎石块飞出，进一步破碎岩石直到能提升。

在其椎头处采用的是凹槽设计，并且整个重锤加装了一对翼板102，能够克服重锤在高速下落时从槽孔孔壁上传出的乱流使重锤歪斜的现象，实现定向击打，保存了槽孔的质量。并且更为重要的是，在实际运用中，大大提升了施工进度。以泸定桥电站为例，原来采用普通重锤每天单孔挖掘只能挖十几米的深度，而采用该特种重锤一举提升到了单孔每天能挖掘50米以上的速度，成为水电史上的一个奇迹。

本发明是为水电单位防渗墙槽挖工程中，克服普通重锤水下作业肉眼看不见对不准中心、锤击时打滑、遇到特殊岩层难也破碎并断裂等现象，从设备结构导向、材料选择强度高、轫性强、耐磨性好，工艺制作可行而设计。

特种重锤主要是超厚大钢板焊接而成，主体材料的选用、焊接材料的选定、结构尺寸的控制、坡口的制备、耐磨合金堆焊、预热温度、焊后消应力处理、焊缝质量的检测，在无可借鉴资料前提下，须作大量的试验，取得100%合格的试验数据。

制作该设备焊工的技能应具备压力用器合格证，零件下料需采用数控切割其设备购置，焊接坡口加工精度、单个零件下料准确性确保组装精度、焊前预热、焊后热处理能力保证是制作特种重锤必备条件。

特种重锤见附图1，重锤锤体101是一个整钢板，有尾翼，如图所示，上部三个φ80孔101a用着钢绳起吊，重锤前面是两处凹形，工作状态凹型面与岩石碰撞破碎，为增强耐磨性，在凹型处堆焊耐磨合金，重锤全部由低碳钢材质Q235A钢材焊接而成，重量12t。

重锤锤体101，要求形状尺寸须达到设计要求，两个长方孔101b用于垂直穿焊两立板106，以便重锤十字方向破碎，孔的开制应与中心对称，保证重锤下落的平衡性,前部凹形堆焊耐磨合金。

导向翼板102,整个重锤加装了两对翼板，能够克服重锤在下落时从槽孔孔壁上传出的乱流使重锤歪斜的现象，实现定向击打，保证了槽孔的质量，四个翼板与主体对称焊接，起导向作用。

重锤附体103,主体凹槽在横向破碎时，附体凹槽与之垂直方向破碎，也就是主体是在长度方向破碎，而附体是在宽度方向破碎，这是重锤最适利于防渗墙开槽挖制的最佳设计。

挡板104,挡板起到重锤破碎时不让碎块或未破碎石块飞出，进一步破碎岩石直到能提升。

本发明中重锤个组成部件均选用低碳钢，目的是增强整体轫性，但不耐磨，为延长重锤的使用寿命，降低购置设备成本，在凹形工作面堆焊厚50mm的耐磨合金层，而且堆焊层磨损后可返复堆焊再使用。

在水电站防渗墙挖掘过程中，一旦遇到特殊岩层，普通重锤几乎无法施工，工程进度更是十分缓慢，这成为水电基础工程局的一大难题。

以泸定桥电站为例：在本发明所述的特种重锤使用之前，防渗墙的挖掘进度平均每天仅为3-5米，而施工单位每天的人工及工机具租赁费用就达8万元，而且甲方对施工进度十分不满意；在特种重锤到达工地使用之后，防渗墙挖掘进度提高了3-4倍，特别是后期防渗墙深度到达80米以后，普通重锤无法完成的工作，特种重锤更是发挥了重量大、打击准确、在水中阻力小的优势，使防渗墙深度达到了126米的，创造了防渗墙深度新的亚洲纪录。仅就缩短工期1个多月，进度节约的人工及机具使用费一项就节省开支近260万元。

后来在长河坝电站防渗墙施工时，施工队特种重锤已调至西藏的电站施工，电站施工队因为有了泸定桥电站的经验，等我公司特种重锤赶制出来运到工地后才开始挖防渗墙，以节省开支。

重锤下落过程有一个自由加速度过程,设计成此种形状，有利于减少水的阻力，尤其是在水下几十米深时，肉眼看不见水下工作状态，靠翼板导向和形状以便准确破碎岩石。重锤锤体101是核心部位，其制造的精度直接影响重锤下落的准确性和平稳性，两长方孔的开制，是保证重锤附体穿透焊接时的对称度，工作状态破碎时的平衡。

焊接坡口：重锤全部由厚大钢板焊接而成，钢板最大 厚180mm，最薄60mm

属于超厚大结构件焊接件，要将各零件紧密联接在一起，在受到较大冲击力的作用下，不允许开裂和断开，这就需要考虑设置最合理的坡口形式。平面联接采用U形坡口，角焊为K形加强焊。

下面对上述重锤的实施做出说明，

（1）构件材料选择：设计考虑重锤全部采用钢板焊接而成，其优点主要体现：

a、形状可修改控制，材料来源丰厚，选材面大而广，有利采购，节约原材料成本。

b、从强度适用性和韧性、可焊接性方面着手设计选用低碳结构钢，强度级别410～420 Mpa范畴；

c、从重锤工作面设计考虑增加耐磨性，需堆焊一层合金，母材基体需具备可堆焊性。故选用Q235A优质碳素结构钢。

(2)零件下料:厚大件钢材，手工切割、半自动切割方式均不能达到设计要求，购置大型火焰数控切割机，拆分绘制零件数控切割图，从而达到零件精度外形尺寸。

(3)焊接材料选用、焊接规范及焊接坡口制定:

a、超大厚件焊接，焊接材料消耗大，焊接周期长，熔敷金属过多极易产生焊接气孔、夹渣、未熔合、裂纹等缺陷，焊接材料首先保证与母材等强度级别的性能，其焊缝金属具有相同母材的韧性、抗冲击性、抗裂性和工艺可焊性，选用结构钢焊条手工电弧焊打底，焊条牌号 J422。减少焊接应力，提高焊接效率，控制焊接变形，填充层选用熔化极气保焊，焊丝牌号 ER50-6，相当于美国标准AWS：ER70S-6。

b、焊接坡口制定，重锤附体与主体连接部位是关键部位，从减少熔敷金属填充量降低因焊接应力所造成的变形，选用单边U型坡口，垂直相连部位为K型角焊缝，焊角的高度为相邻件钢板最薄厚度（见坡口示意图）。

c、焊接规范，角焊、坡口焊根部焊条牌号 J422，焊条直径 φ3.2 合理焊接电流，根部与母材熔合。填充层焊丝牌号ER50-6，直径φ1.2～1.6mm，电流规定 I=240～300(A),CO2气体纯度99.98%，气体流量 L=18～20（L/min）。由于大熔量焊接，母材大厚度板，为防止裂纹产生，需预热施焊，预热温度100～150℃，焊后保温缓冷。

(4)消除焊接应力  常规去应力手段选用进炉中温退火去应力，我们选用无污染，低能量的振动消除焊接应力方式。

(5) 耐磨合金堆焊:

重锤主要在水下作业，工作层应具备耐磨、可修复性，堆焊方式手工电弧堆焊，堆焊材料选用低氢钠型药皮碳化钨堆焊焊条，焊条牌号 D707  碳化钨堆焊焊条，采用碳钢为焊芯的，依靠药皮中碳化钨合金过渡，堆焊金属含钨量40~50%。适用堆焊耐岩石强烈磨损的机械零件，堆焊金属化学成分（%）

C	W	Mn	Si	Fe
					1.5-3.0	40.0-50.0	≤2.0	≤4	余量

堆焊硬度：（焊后空冷）HRC≧62-65，堆焊层不允许剥离、脱落、掉块现象，因此堆焊前需对堆焊部位预热，打底，连续一次性堆焊完成的工艺。

(6)焊缝质量检测、外观形状尺寸检测:

a、焊缝质量是确保重锤使用不出现断裂和变形的主要检测环节。超大厚件，大熔量焊缝，检测手段内部质量，超声波检测符合GB 11345-203-1989UT-Ⅱ级，表面质量渗透检测符合 GB/T1993-Ⅱ级。

b、外观形状尺寸检测，重锤主体其对称度要求±3mm，垂锤附体与主体的垂直度±2mm，两对翼板的对称度±2mm。

c、现场制作过程实行质量跟踪记录，各道工序均按工序流程卡操作者签字，做到关键环节有可追朔性。

针对特殊地质防渗墙凿槽工程中，将重锤设计改进为薄翼长板体钢结构加高强合金，既满足打击岩层强度又防止重锤变形、折断。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种针对岩层开凿的重锤，其特征在于：包括重锤锤体（101）、导向翼板（102）以及重锤附体（103），所述重锤锤体（101）为一个整钢板，在其尾部加装了两对导向翼板（102），能够克服重锤在下落时从槽孔孔壁上传出的乱流使重锤歪斜的现象，实现定向击打，保证了槽孔的质量，四个导向翼板（102）与主体对称焊接，起导向作用；

所述重锤锤体（101）上部开有用于钢绳起吊的孔（101a），重锤锤体（101）的前端是用于将岩石碰撞破碎的凹形，在凹型处堆焊耐磨合金(105)，其目的在于增强耐磨性，所述重锤锤体（101）上焊有两立板（106），重锤锤体（101）焊接有重锤附体（103），重锤锤体（101）上焊接有挡板（104），挡板（104）起到重锤破碎时不让碎块或未破碎石块飞出，进一步破碎岩石直到能提升。

2.根据权利要求1所述的一种针对岩层开凿的重锤，其特征在于：重锤锤体（101）上部开有三个孔（101a），所述孔（101a）为φ80。

3.根据权利要求1所述的一种针对岩层开凿的重锤，其特征在于：重锤锤体（101）上开有两个长方孔（101b），用于垂直穿焊两立板（106），以便重锤十字方向破碎，长方孔（101b）的开制应与中心对称，保证重锤下落的平衡性。

4.根据权利要求1所述的一种针对岩层开凿的重锤，其特征在于：耐磨合金(105)厚50mm。

5.根据权利要求1所述的一种针对岩层开凿的重锤，其特征在于：重锤锤体（101）、翼板（102）、重锤附体（103）、挡板（104）、立板（106）全部采用低碳钢材质Q235A钢材制成，钢板厚度为60mm -180mm，平面联接采用U形坡口，角焊为K形加强焊。

6.一种权利要求1所述针对岩层开凿的重锤的焊接加工方法，其特征在于：包括如下操作；

（1）构件材料选择：重锤各组件全部采用钢板焊接而成，选用低碳结构钢，强度级别410～420 Mpa范畴，钢板厚度为60mm-180mm，估选用Q235A优质碳素结构钢；

（2）零件下料：通过大型火焰数控切割机，拆分绘制零件数控切割图，从而达到零件精度外形尺寸；

（3）焊接材料选用、焊接规范及焊接坡口制定；

a、超大厚件焊接，焊接材料消耗大，焊接周期长，熔敷金属过多极易产生焊接气孔、夹渣、未熔合、裂纹缺陷，焊接材料首先保证与母材等强度级别的性能，其焊缝金属具有相同母材的韧性、抗冲击性、抗裂性和工艺可焊性，选用结构钢焊条手工电弧焊打底，焊条牌号 J422；减少焊接应力，提高焊接效率，控制焊接变形，填充层选用熔化极气保焊，焊丝牌号 ER50-6，相当于美国标准AWS：ER70S-6；

b、焊接坡口制定，重锤附体与主体连接部位是关键部位，从减少熔敷金属填充量降低因焊接应力所造成的变形，选用单边U型坡口，垂直相连部位为K型角焊缝，焊角的高度为相邻件钢板最薄厚度；

c、焊接规范，角焊、坡口焊根部焊条牌号 J422，焊条直径φ3.2合理焊接电流，根部与母材熔合；填充层焊丝牌号ER50-6，直径φ1.2～1.6 mm，电流规定 I=240～300A,CO2气体纯度99.98%，气体流量 L=18～20L/min，由于大熔量焊接，母材大厚度板，为防止裂纹产生，需预热施焊，预热温度100～150℃，焊后保温缓冷；

（4）消除焊接应力：常规去应力手段选用进炉中温退火去应力，在此选用无污染，低能量的振动消除焊接应力方式；

（5）耐磨合金堆焊：

重锤主要在水下作业，工作层应具备耐磨、可修复性，堆焊方式手工电弧堆焊，堆焊材料选用低氢钠型药皮碳化钨堆焊焊条，焊条牌号 D707，碳化钨堆焊焊条，采用碳钢为焊芯的，依靠药皮中碳化钨合金过渡，堆焊金属含钨量40~50%，适用堆焊耐岩石强烈磨损的机械零件，

堆焊硬度：焊后空冷HRC≧62-65，堆焊层不允许剥离、脱落、掉块现象，因此堆焊前需对堆焊部位预热，打底，连续一次性堆焊完成的工艺；

（6）焊缝质量检测、外观形状尺寸检测：

a、焊缝质量是确保重锤使用不出现断裂和变形的主要检测环节；

超大厚件，大熔量焊缝，检测手段内部质量，超声波检测符合GB 11345-203-1989UT-Ⅱ级，表面质量渗透检测符合 GB/T1993-Ⅱ级；

b、外观形状尺寸检测，重锤主体其对称度要求±3mm，重锤附体与主体的垂直度±2mm，两对翼板的对称度±2mm；

c、现场制作过程实行质量跟踪记录，各道工序均按工序流程卡操作者签字，做到有可追朔性。

7.根据权利要求6所述的一种针对岩层开凿的重锤的焊接加工方法，其特征在于：堆焊金属化学成分（%）：C：1.5-3.0，W：40.0-50.0，Mn：≤2.0，Si：≤4，余量Fe。