尉建輝

（同煤集團機電裝備公司中央機廠，山西大同 037000）

0 引言

隨著國家對煤礦的大量開采，越來越多的煤礦設備被應用到了煤礦開采中，液壓支架作為煤礦開采中的重要支撐設備，已在煤礦開采中起到至關重要的作用。液壓支架的結(jié)構(gòu)相對復雜，主要由鋼結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成，而頂梁則是液壓支架鋼結(jié)構(gòu)中的關鍵部件，其結(jié)構(gòu)的綜合性能好壞直接影響著液壓支架的支撐效果。頂梁在焊接生產(chǎn)中，由于工件尺寸、焊接工藝、焊接順序等諸多因素影響，導致頂梁在焊接過程中發(fā)生了較明顯的結(jié)構(gòu)變形，嚴重影響著液壓支架的正常作業(yè)。因此，有必要對頂梁的焊接特性開展分析研究[1-3]。以液壓支架頂梁變形分析為基礎，建立了液壓支架頂梁的仿真模型，從焊接過程溫度場變形、結(jié)構(gòu)變形量等方面開展了頂梁的焊接過程分析，并由此提出了控制頂梁發(fā)生較大焊接變形的措施。該研究對降低頂梁的焊接變形量、提高其焊接質(zhì)量具有重要意義。

1 液壓支架頂梁焊接變形分析

結(jié)構(gòu)液壓支架頂梁的結(jié)構(gòu)特點，可確定頂梁的結(jié)構(gòu)主要由頂板、底板、4根支撐梁等結(jié)構(gòu)組成。液壓支架頂梁焊接過程中，受工件結(jié)構(gòu)尺寸、零件材料屬性及焊接工藝等影響，導致其在焊接過程中發(fā)生了一定程度的焊接變形[4-6]。而由于頂梁的支撐梁與頂板、底板等部件之間的焊接采用的是角焊接，因此，整個頂梁的焊接變形主要為角變形，該種變形屬性為外部變形。頂梁焊接時發(fā)生角變形的主要原因為：工件焊接過程中，在焊接點處產(chǎn)生了較高的熱量集中，而在焊接后部位處的熱量則出現(xiàn)緩慢降低趨勢，受熱脹冷縮影響，頂梁在焊接正面出現(xiàn)較大的變形，而在焊接背面則出現(xiàn)較小的變形，由此，使頂梁整體在焊接平面內(nèi)或平面外發(fā)生了不同程度的結(jié)構(gòu)變形，變形也隨焊接溫度及位置的變化而呈無規(guī)則的變形。當焊縫處溫度降低至常溫后，工件的變形基本才停止變形。同時，在頂梁焊接過程中，其變形量也受焊接坡口的大小、焊縫寬度及高度、焊接順序、操作人員焊接水平等因素影響。在整個變形過程中，支撐梁在加熱、冷卻過程中，其結(jié)構(gòu)收縮方向主要向一側(cè)進行收縮，因此，支撐梁基本未發(fā)生波浪、翹曲等變形，而頂板則向橫向發(fā)生收縮現(xiàn)象。由此，預測了液壓支架頂梁焊接后的變形示意圖，如圖1所示。

圖1 液壓支架頂梁焊接變形預測圖

圖2 單條焊縫的頂梁模型圖

2 液壓支架頂梁模型建立

2.1 三維模型

由于頂梁結(jié)構(gòu)主要由頂板、底板、4根支撐梁等部件組成，且整體采用焊接方式進行連接。因此，采用Solidworks軟件，對液壓支架頂梁進行三維模型建立。由于頂梁的結(jié)構(gòu)為上下及左右對稱，且整體結(jié)構(gòu)的焊接量相對較大，而在焊接過程中，主要采用的是自動化焊接，每條焊縫的焊接質(zhì)量及穩(wěn)定性基本相同。為縮短后期的仿真時間，僅選擇了一條焊縫來代替頂梁的所有焊縫，在對結(jié)構(gòu)上圓角、倒角進行模型簡化后，建立了簡化后的單條焊縫頂梁三維模型，如圖2所示。

2.2 仿真模型

結(jié)合建立的簡化后頂梁三維模型，將其導入ANSYS軟件中，對其進行了仿真模型建立。在建模過程中，采用了Plane77單元類型，對頂梁進行網(wǎng)格劃分，并對焊縫周邊區(qū)域網(wǎng)格大小設置為6 mm，較遠區(qū)域焊縫網(wǎng)格大小設置為10 mm，頂梁的網(wǎng)格劃分圖如圖3所示，以此來縮短仿真時間。同時，將頂梁模型的材料設置為Q345材料，并在軟件中建立了材料的工程數(shù)據(jù)庫，通過插值法，對材料焊接過程中熱值參數(shù)進行計算和設置，頂梁焊接時的材料及熱值參數(shù)如表1所示。另外，結(jié)合頂梁的時間焊接情況，對此條焊縫焊接時間設置為220 s，針對焊接區(qū)的焊接熱源溫度加熱到1 500℃，工件上的預熱溫度設置為90℃，并將雙橢球熱源函數(shù)加載到頂梁的焊縫上，由此完成了頂梁焊接的仿真模型。

圖3 頂梁焊接過程網(wǎng)格劃分圖

表1 頂梁Q345材料的主要性能參數(shù)表

3 液壓支架頂梁焊接過程仿真分析

3.1 焊接過程溫度場變化

根據(jù)前文開展的液壓支架頂梁焊接過程仿真分析，得到了焊接過程溫度場的變化圖，如圖4所示。由圖可知，焊接過程中，在支撐梁與底板焊接的左右焊接部位，出現(xiàn)了較高的溫度集中現(xiàn)象，且在整個穩(wěn)定焊接過程中，焊縫處的溫度冷卻速度相對較慢，基本保持在同一高溫環(huán)境。另外，在焊縫周邊的溫度隨距離的變大而呈逐漸降低趨勢，在底板兩側(cè)基本無溫度集中現(xiàn)象，支撐梁上溫度相對較高。由此，找到了液壓支架頂梁焊接過程的溫度變化規(guī)律，因此，在焊接過程中，為提高焊縫處的焊接質(zhì)量，可待工件焊接結(jié)束后，對焊縫進行統(tǒng)一的淬火、調(diào)質(zhì)等處理。此現(xiàn)象與實際焊接過程基本吻合。

3.2 焊接過程結(jié)構(gòu)變形

圖4 液壓支架頂梁焊接過程溫度場變化圖

圖5 液壓支架頂梁焊接過程結(jié)構(gòu)變形圖

鑒于液壓支架頂梁焊接過程為高度的非線性過程，因此，采用塑性分析焊縫對液壓支架頂梁進行焊接分析，得到了液壓支架頂梁焊接過程中結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果，如圖5所示。由圖可知，在整個焊接過程中，工件的左后側(cè)、支撐梁后上端等部位發(fā)生了較大程度的結(jié)構(gòu)變形，并沿焊縫處呈逐漸減小的變化趨勢，而工件焊縫處的焊接變形量則相對較小，同時，支撐梁的前端及底板右后側(cè)的變形量也相對較小，分析其原因為：工件的焊接順序是從后端向前端進行，工件在焊接應力及溫度場影響下，導致了先焊接部位發(fā)生了較為明顯的變形，而后焊接部位變形量則相對較小。由此，找到了液壓支架頂梁焊接過程的變形規(guī)律，而其他支撐梁處的焊接變形基本相同。

4 液壓支架頂梁焊接變形的控制措施

結(jié)合前文對液壓支架頂梁焊接過程的分析可知，在其焊縫處出現(xiàn)了較高溫度的集中現(xiàn)象，且在頂板左后側(cè)出現(xiàn)了較明顯的結(jié)構(gòu)變形，嚴重影響著液壓支架頂梁的支撐效果[7-8]。因此，針對頂梁的焊接問題，制定了如下焊接控制措施：

（1）頂梁焊接過程中，可采用先焊中部支撐梁，再分別焊接左右兩端支撐梁，最后焊接剩余2根支撐梁的順序進行焊接，同時，單根支撐梁焊接時，可采用左右交替焊接方式進行焊接，保證工件在收縮過程中具有相當均勻的收縮結(jié)構(gòu)；

（2）頂梁焊接時，可先將地板與焊接平臺進行點焊接固定，并在適當位置焊接壓塊結(jié)構(gòu)，固定位置盡量選在焊縫附近，以此來保證底板具有較小的變形量；

（3）頂梁焊接時，可選用合理的焊接方式，最常用的是等離子氬弧焊、二氧化碳保護焊等，同時，設置適當?shù)暮附庸に噮?shù)，以此來控制焊接件的結(jié)構(gòu)變形；

（4）在剛完成焊縫焊接部位，采用冷水方式對焊縫進行散熱處理，縮小焊縫處的焊接熱場，減小結(jié)構(gòu)的變形；

（5）設計合理的焊接工裝夾具，通過對焊接工件進行鎖緊固定，以此來降低結(jié)構(gòu)的變形量。

5 結(jié)束語

頂梁的焊接變形已直接影響著液壓支架的支撐性能，有效控制頂梁的焊接變形，已成為當下的重點工作。因此，分析了液壓支架頂梁的變形特點，采用Solidworks及ANSYS軟件，建立了液壓支架頂梁的仿真模型，以焊接過程溫度場變形、結(jié)構(gòu)變形量等方面為切入點，開展了頂梁的焊接過程分析，找到了頂梁焊接過程的溫度場及結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，并由此提出了控制頂梁發(fā)生較大焊接變形的控制措施。該研究對降低頂梁的焊接變形量、提高其焊接質(zhì)量具有重要意義，也為后期進一步開展液壓支架其他部件焊接性能的研究提供了參考。