任維微

（霍州煤電集團(tuán)鑫鉅煤機(jī)裝備制造有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 031412）

引言

液壓支架在煤礦開采中主要起到支撐和保護(hù)的作用，因此液壓支架的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)煤礦安全有重要的影響[1-2]。礦用液壓支架中很多結(jié)構(gòu)件是通過焊接的方式進(jìn)行生產(chǎn)制作的，焊接工藝質(zhì)量的好壞對(duì)設(shè)備運(yùn)行安全與穩(wěn)定有直接影響[3]。為了提升液壓支架焊接工藝質(zhì)量，煤礦企業(yè)和部分學(xué)者針對(duì)液壓支架的焊接工藝進(jìn)行了分析和研究，并且取得了很好的實(shí)踐應(yīng)用效果[4-5]。但隨著社會(huì)對(duì)煤礦安全要求的不斷提升，對(duì)液壓支架焊接質(zhì)量的要求也有了新的變化?；诖?，有必要對(duì)液壓支架的焊接工藝進(jìn)行進(jìn)一步的分析，以提升焊接工藝質(zhì)量，使之滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需要[6]。本文主要結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)的焊接工藝進(jìn)行研究。

1 液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)概述

液壓支架作為煤礦開采中重要的機(jī)械設(shè)備，整體上由多個(gè)結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成，主要包括連桿結(jié)構(gòu)、掩護(hù)梁、頂梁、底座等，不同機(jī)械結(jié)構(gòu)承載著不同的功能。其中，頂梁結(jié)構(gòu)是非常關(guān)鍵和重要的部分，因?yàn)橐簤褐Ъ茉诠ぷ鲿r(shí)，外部作用力會(huì)直接作用在頂梁部位，然后通過立柱、連桿結(jié)構(gòu)等傳遞到液壓支架底座中。所以液壓支架的強(qiáng)度對(duì)整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性影響顯著。如圖1 所示為礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)的示意圖。從圖中可以看出，液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)主要為鋼板結(jié)構(gòu)，不同鋼板之間通過焊接方式進(jìn)行連接。鑒于頂梁結(jié)構(gòu)的重要性，對(duì)該結(jié)構(gòu)件的焊接工藝質(zhì)量提出了相對(duì)更高的要求。但是在工程實(shí)踐中，頂梁結(jié)構(gòu)中使用的鋼板寬度和長(zhǎng)度要遠(yuǎn)大于厚度，在焊接過程中如果焊接工藝過程控制不良，就非常容易產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊接變形問題，對(duì)焊接質(zhì)量構(gòu)成了不良影響。

圖1 液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)示意圖

2 頂梁結(jié)構(gòu)焊接工藝參數(shù)的選擇

2.1 焊接材料的選擇

已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論研究均表明，對(duì)鋼材進(jìn)行焊接時(shí)，使用的焊接材料性能必須與鋼材性能相互匹配。如果兩者之間的力學(xué)性能相差很大，那么焊縫質(zhì)量也很難得到有效保障。在傳統(tǒng)的液壓支架生產(chǎn)中，頂梁部位的制作材料主要為Q420 或Q460，對(duì)于這兩類材料在焊接時(shí)，可以選用E50 級(jí)焊接材料就能夠滿足焊接要求。但隨著人們對(duì)液壓支架性能要求的不斷提升，當(dāng)前多數(shù)情況下都會(huì)選用Q690 型鋼材生產(chǎn)液壓支架，由于母材強(qiáng)度有了一定程度的提升，因此所選用的焊接材料應(yīng)該為E70 級(jí)。

2.2 焊接電流和電壓的選擇

焊接電流和電壓越大則焊接效率越高，但與此同時(shí)焊接過程中產(chǎn)生的熔池寬度、高度也會(huì)隨之增大，產(chǎn)生的熱量會(huì)增加，導(dǎo)致熱影響區(qū)范圍擴(kuò)大，使得焊縫位置產(chǎn)生比較大的熱應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生變形問題，影響焊接質(zhì)量。所以焊接電流和電壓值必須根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。

焊接電流的選擇與焊絲直徑之間存在緊密聯(lián)系。對(duì)于焊條電弧焊而言，焊接電流取焊絲直徑的40～50 倍，對(duì)于二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊接電流則取焊絲直徑的200～250 倍。如果采用的是打底焊，電流值則可以取最大值，以提升焊接效率。如果采用的是填充焊，則應(yīng)該適當(dāng)控制電流大小，避免產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形。

液壓支架頂梁在生產(chǎn)制作時(shí)需要開展大量的焊接工作，在我國(guó)液壓支架生產(chǎn)車間中，為了提升焊接效率都會(huì)采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，工藝流程示意圖見圖2。該焊接工藝中，電壓的選擇可以分為兩種情況分開討論：第一，當(dāng)焊接電流不超過300 A 時(shí)，焊接電壓可以按下式計(jì)算，V=0.04I+16±1.5；第二，當(dāng)焊接電流值超過300 A 時(shí)，焊接電壓可以按下式計(jì)算，V=0.04I+20±2。式中，V 和 I 分別表示焊接電壓和電流。鑒于焊接電流和電壓對(duì)焊接過程和質(zhì)量的重要影響，焊接過程中必須對(duì)電流和電壓值進(jìn)行嚴(yán)格控制。

圖2 二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工藝流程示意圖

2.3 焊接速度與氣體流量控制

焊接速度會(huì)對(duì)焊縫形狀和質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，其中對(duì)焊縫形狀的影響最為顯著。對(duì)于二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工藝過程而言，焊接速度通?？刂圃?5～30 m/min 范圍內(nèi)，具體焊接速度需要充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來嚴(yán)格控制。二氧化碳?xì)怏w流量方面，嚴(yán)格來說需要結(jié)合焊接電流與電壓、焊接速度綜合考慮，但在實(shí)際操作時(shí)根據(jù)焊絲直徑選擇即可。當(dāng)焊絲直徑小于0.8 mm 時(shí)，二氧化碳?xì)怏w流量需要控制在12～16 L/min。當(dāng)焊絲直徑超過1.2 mm 時(shí)，二氧化碳?xì)怏w流量需要控制在21～26 L/min。

3 頂梁結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因與控制措施

3.1 焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因

焊接工藝就是利用電流在焊縫位置進(jìn)行瞬間加熱使焊縫位置的母材和焊材融化，然后快速冷卻凝固，實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)件之間的連接。整個(gè)焊接過程只對(duì)焊縫位置進(jìn)行加熱和冷卻，母材其他部位則不進(jìn)行加熱。焊接工藝過程特點(diǎn)決定了母材不同位置的受熱和冷卻存在嚴(yán)重的不均勻性，最終導(dǎo)致焊縫位置產(chǎn)生比較大的焊接熱應(yīng)力。當(dāng)焊接熱應(yīng)力較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致頂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較小的變形，影響焊接質(zhì)量。當(dāng)焊接熱應(yīng)力大到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊縫部位產(chǎn)生裂紋或者在后續(xù)使用過程中產(chǎn)生裂紋，見圖3。

圖3 液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)使用時(shí)產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)場(chǎng)圖

3.2 焊接應(yīng)力的控制措施

工程實(shí)踐中焊接應(yīng)力的控制措施有很多種，主要包括敲擊振動(dòng)、預(yù)熱、高溫回火、溫差拉伸等。但對(duì)于液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)焊接工藝過程而言，使用比較多的控制方法主要就是預(yù)熱法和高溫回火方法。預(yù)熱法指的是在焊接前先對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱處理，通常將母材加熱到100 ℃左右后再進(jìn)行焊接，這樣可以顯著降低焊接過程中母材不同部位的溫度差值，進(jìn)而降低焊接熱應(yīng)力。通過預(yù)熱法處理無法完全消除焊接熱應(yīng)力問題，可以對(duì)焊縫部位進(jìn)行高溫回火處理，通過熱處理手段來降低焊縫部位的殘余熱力，避免液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)在后續(xù)使用過程中產(chǎn)生裂紋問題。具體而言，回火溫度控制在500～600 ℃，回火時(shí)間在3 h 左右。

4 焊接變形產(chǎn)生的原因及其控制措施

4.1 焊接變形產(chǎn)生的原因分析

液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)產(chǎn)生變形的原因可以歸結(jié)為兩點(diǎn)：其一，在整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)件中焊縫的布置沒有處在對(duì)稱面上；其二，不同位置焊縫的焊接順序不合理。上述兩個(gè)原因會(huì)導(dǎo)致頂梁結(jié)構(gòu)在焊接過程中產(chǎn)生加熱和冷卻不均勻的問題，最終產(chǎn)生變形現(xiàn)象。如果頂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生焊接變形問題，一方面會(huì)削弱其剛度和強(qiáng)度，另外還會(huì)影響整體的外觀，甚至?xí)绊懷b配精度。

4.2 焊接變形控制措施

頂梁結(jié)構(gòu)焊接變形主要有下述三種形式：第一，沿著頂梁長(zhǎng)度方向產(chǎn)生彎曲變形；第二，與掩護(hù)梁鉸接的部位尺寸發(fā)生收縮；第三，與柱帽連接的部位產(chǎn)生尺寸收縮，無法與其正常連接。針對(duì)第一個(gè)問題，采用“反變形法”即可很好地解決問題。對(duì)于第二和第三個(gè)問題，首先可以通過控制焊接電流、電壓和焊接速度的方法來降低變形問題，如果無法達(dá)到理想的效果，可以考慮在該部位設(shè)置加強(qiáng)筋，以降低對(duì)應(yīng)位置的變形程度。在工程實(shí)踐中，如果是大批量生產(chǎn)，頂梁與掩護(hù)梁連接部位產(chǎn)生8～10 mm 的變形誤差是可以接受的，與柱帽連接的部位產(chǎn)生2～4 mm的變形誤差是可以接受的。

5 結(jié)語

頂梁結(jié)構(gòu)是液壓支架中非常重要的結(jié)構(gòu)件，會(huì)對(duì)液壓支架整體的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響，因此必須對(duì)其焊接工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制以保障生產(chǎn)質(zhì)量。對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)焊接工藝過程和質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素是多方面的，主要包括焊接材料的選擇，焊接電流、電壓、焊接速度的控制，氣體流量的控制等。上述因素如果控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致頂梁焊接過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力問題，使得結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生變形現(xiàn)象。輕則影響焊接質(zhì)量，重則導(dǎo)致頂梁在使用過程中產(chǎn)生裂紋，影響頂梁的使用安全。在工程實(shí)踐中，需要對(duì)焊接工藝進(jìn)行及時(shí)總結(jié)，以提升液壓支架的焊接工藝技術(shù)水平，為其安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。