趙軍龍

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)股份有限公司， 山西 晉城 048100）

引言

液壓支架是煤礦開采過程中非常重要的機(jī)械設(shè)備，在確保煤礦安全方面有著不可替代的作用。隨著煤礦領(lǐng)域的不斷發(fā)展，礦井中使用的采煤設(shè)備正朝著大型化方向發(fā)展。為了順應(yīng)這一發(fā)展需要，很多新材料、新技術(shù)都被應(yīng)用到了采煤設(shè)備中[1]。立柱結(jié)構(gòu)是礦用液壓支架中的重要承力結(jié)構(gòu)件，對(duì)其強(qiáng)度要求非常高[2]。而中缸又是立柱結(jié)構(gòu)中的重要零件，必須具備有非常好的力學(xué)性能[3]。立柱中缸由于結(jié)構(gòu)的特殊性，其在加工過程中需要用到焊接工序[4]。當(dāng)前中缸主要采用S890 鋼新材料加工制作，這種材料雖然具有較好的強(qiáng)度和韌性，但焊接難度相對(duì)較大。如果焊接加工工藝設(shè)置不完善，可能會(huì)影響焊接質(zhì)量，進(jìn)而影響中缸的使用性能，威脅液壓支架的使用安全[5-6]。本文以S890 鋼材料為研究對(duì)象，對(duì)其開展焊接實(shí)驗(yàn)工作，明確最優(yōu)的焊接工藝。

1 液壓支架及其立柱結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)液壓支架結(jié)構(gòu)的不同，可以將其劃分成為三種形式，分別為掩護(hù)式、支撐式和支撐掩護(hù)式。但不管是何種形式的液壓支架，主要的組成部分基本相同，其中立柱就是液壓支架必不可少且非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部件。在結(jié)構(gòu)上，立柱上與液壓支架頂板連接，下與液壓支架底板進(jìn)行連接，起到承上啟下的作用。液壓支架自身重量以及頂板承受的巷道壓力全部會(huì)通過立柱傳遞到液壓支架底板中來(lái)，可以看出，立柱是液壓支架設(shè)備中非常重要的承力結(jié)構(gòu)。

圖1 液壓支架立柱結(jié)構(gòu)的示意圖

立柱結(jié)構(gòu)由多個(gè)部件構(gòu)成，其中最主要的三個(gè)部件分別為底缸、中缸和活桿，如圖1 所示。圖中三個(gè)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)立柱的伸縮，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液壓支架姿態(tài)的調(diào)整。由于立柱在工作時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間承受較大的外界載荷，這對(duì)立柱各個(gè)部件的力學(xué)性能提出了非常高的要求。如果力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)，在長(zhǎng)時(shí)間大載荷的作用下，很有可能會(huì)出現(xiàn)斷裂的問題，嚴(yán)重威脅液壓支架的服役安全性。中缸是立柱的組成部分之一，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其在生產(chǎn)加工時(shí)需要用到焊接工序。必須對(duì)焊接工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保焊接質(zhì)量。

2 立柱中缸焊接加工缺陷分析

焊接工序是立柱中缸生產(chǎn)加工過程中的重要工序之一，焊接質(zhì)量會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。但是S890 鋼這種材料內(nèi)部包含有很多合金，且合金系非常復(fù)雜。根據(jù)碳當(dāng)量計(jì)算方法，可以計(jì)算得到S890 鋼碳當(dāng)量大小為0.63%。而根據(jù)相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)材料的碳當(dāng)量大小超過0.6%以后，其焊接性能通常較差。S890 鋼具有明顯的淬硬性，焊接以及后續(xù)冷卻過程中比較容易出現(xiàn)裂紋、軟化和脆化問題。另外，由于立柱結(jié)構(gòu)特殊，要求中缸焊接強(qiáng)度必須超過650 MPa。這對(duì)立柱中缸焊接工藝提出了非常高的要求。

針對(duì)液壓支架立柱中缸S890 鋼材料存在的焊接缺陷問題，有必要對(duì)該材料的焊接工藝進(jìn)行深入的分析和研究，以此找到最優(yōu)的焊接工藝，為提升立柱中缸整體力學(xué)性能奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 立柱中缸焊接加工工藝的優(yōu)化研究

3.1 實(shí)驗(yàn)材料的選擇

1）實(shí)驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)材料為生產(chǎn)立柱中缸的S890鋼，為無(wú)縫鋼管，鋼管直徑為401 mm，長(zhǎng)度為63 mm。表1 所示為S890 鋼材料的化學(xué)成分表。材料經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，基于拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為820 MPa 和907 MPa，延伸率為19%，-20 ℃條件下的沖擊功為161 J。

表1 S890 鋼材料的化學(xué)成分表 %

2）保護(hù)性氣體。由于立柱中缸在工作時(shí)需要承受較大的外界載荷，我們對(duì)其韌性要求相對(duì)較高，在選用焊接方法時(shí)不應(yīng)選用大熱輸入的焊接方式。另一方面，還要考慮焊接工藝的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合實(shí)際情況，最終選用的焊接工藝方法為熔化極氣體保護(hù)焊。這種焊接工藝需要用到保護(hù)氣體，本研究中使用的保護(hù)氣體成分為φ（CO2）=20%、φ（Ar）=80%。

3）焊材的選擇。前文已述，立柱中缸屬于重要的承力成立結(jié)構(gòu)，所以必須具備有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)還需要有一定的韌性。但眾所周知，材料的強(qiáng)度和韌性是兩個(gè)相互矛盾的指標(biāo)。當(dāng)材料強(qiáng)度很高時(shí)，其韌性通常都較低。相反的，當(dāng)材料的韌性很好時(shí)，強(qiáng)度值通常得不到保障。為了實(shí)現(xiàn)焊縫強(qiáng)度和韌性的良好匹配，避免出現(xiàn)其中一個(gè)指標(biāo)很好，但另外一個(gè)指標(biāo)很壞的情況，最終采用的是低強(qiáng)度匹配焊接材料。通過使用這種類型的材料，可以使焊縫部位的碳含量及對(duì)應(yīng)的碳當(dāng)量得到有效控制，在確保焊縫強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，盡可能提升其塑性，良好的塑性是提升抗裂性能的基礎(chǔ)。綜合對(duì)比不同的焊材屬性，最終選用的焊材為GHS-70 焊絲。焊絲的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為645 MPa 和735 MPa，延伸率可以達(dá)到21%，在-40 ℃的條件下沖擊功可以達(dá)到91 J。已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，GHS-70 焊絲材料配合使用20%CO2+80%Ar（φ（CO2）=20%、φ（Ar）=80%）的保護(hù)氣體能夠取得很好的效果。焊縫位置的強(qiáng)度和韌性都可以得到保障。

3.2 焊接工藝過程的設(shè)計(jì)

1）焊前準(zhǔn)備。如圖2 所示，焊接前需要將焊縫位置加工成“U”型，并將焊縫附近區(qū)域進(jìn)行徹底清理干凈，不得殘留有任何雜物，使其呈現(xiàn)出金屬光澤。前文已述，S890 鋼的碳當(dāng)量大小相對(duì)較高，在焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。所以在正式焊接前，需要對(duì)待焊接的材料進(jìn)行預(yù)熱處理，考慮到實(shí)際焊接過程中的便捷性，將第一道次焊接時(shí)的預(yù)熱溫度設(shè)置在125～150℃范圍內(nèi)。通過預(yù)熱措施，能夠避免S890 鋼材料溫度的急劇變化，進(jìn)而引發(fā)熱裂紋。

圖2 焊接試樣接頭結(jié)構(gòu)形式（單位：mm）

2）焊接過程。由于本研究中需要焊接的試樣為環(huán)形件，所以需要通過環(huán)縫焊缸機(jī)對(duì)其進(jìn)行焊接處理，以20%CO2+80%Ar（φ（CO2）=20%、φ（Ar）=80%）作為保護(hù)性氣體，正常工作時(shí)，氣體流量控制在16～20 L/min 范圍內(nèi)。待焊接范圍較大，需要采用多道次焊接，如圖3 所示，共需要進(jìn)行20 次焊接。不同道次的順序見圖。每道次焊接過程中同樣需要對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，層間溫度需要控制在250 ℃以內(nèi)。焊接速度為0.5 mm/s，焊接時(shí)的電流強(qiáng)度和電弧電壓分別為315 A 和30 V 左右。在所有焊接工序完成后，禁止進(jìn)行水淬，而是利用棉被對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行裹附，時(shí)間為2 h。通過這樣的措施盡可能降低焊縫位置的冷卻速度。

4 立柱中缸焊接工藝優(yōu)化的效果分析

圖3 焊縫位置的焊接順序示意圖

待焊縫區(qū)域溫度降低至室溫后，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的要求，通過肉眼對(duì)焊縫進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)焊縫質(zhì)量良好，不存在明顯的缺陷問題。再過48 h，通過超聲波無(wú)損探傷技術(shù)對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行觀察，主要查看焊縫內(nèi)部區(qū)域是否存在缺陷。結(jié)果發(fā)現(xiàn)整個(gè)焊縫位置不存在內(nèi)部缺陷，質(zhì)量良好。為分析焊縫區(qū)域的力學(xué)性能，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將焊縫區(qū)域材料加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣和沖擊試樣，并根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)開展拉伸實(shí)驗(yàn)和沖擊實(shí)驗(yàn)工作?；谑覝乩鞂?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)域的抗拉強(qiáng)度則達(dá)到了730 MPa，且斷裂位置為焊縫位置?；跊_擊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在-20℃時(shí)焊縫中心位置和熱影響區(qū)位置的沖擊功分別在100 J 和95 J 左右。

基于立柱中缸焊接工藝實(shí)踐結(jié)果可以看出，焊縫位置的抗拉強(qiáng)度超過了要求的650 MPa，并且具有良好的沖擊韌性。因此可以認(rèn)為設(shè)計(jì)的焊接工藝優(yōu)良，能夠確保立柱中缸焊縫區(qū)域的強(qiáng)度和韌性，進(jìn)而保障液壓支架的整體使用性能。

5 結(jié)論

礦用液壓支架立柱中缸是重要的承力結(jié)構(gòu)，因此對(duì)其力學(xué)性能有較高的要求。焊接過程是立柱中缸生產(chǎn)時(shí)的重要工序，因此必須對(duì)其焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，盡可能提升立柱中缸的各項(xiàng)力學(xué)性能，使之滿足實(shí)際使用需要。S890 鋼是立柱中缸的加工材料，在分析S890 鋼材料屬性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研究了焊接工藝。對(duì)焊接工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)基于本文設(shè)計(jì)的焊接工藝，不管是外觀還是內(nèi)部均不存在明顯的缺陷，且具備有較高的強(qiáng)度和韌性，應(yīng)用效果良好。