王德印 凡乃峰 印文才 白海明

摘要：為避免千斤頂附件（通液座）焊接對精加工后的缸筒內(nèi)孔尺寸和圓度造成影響，從增加剛性拘束、預(yù)留反變形和控制焊接熱輸入等角度研究適用于精加工后缸筒附件焊接的生產(chǎn)工藝。研究表明：僅采用I=140～160 A、U=20～22 V、v=210～230 mm/min的小規(guī)范MAG焊接工藝，無法保證產(chǎn)品質(zhì)量，缸筒內(nèi)孔依然會出現(xiàn)最大0.3 mm的焊接變形;采用小規(guī)范焊接并借助拘束工裝預(yù)制0.8～1.2 mm橫向反變形，則可以有效控制焊接變形，保證缸筒內(nèi)孔尺寸和圓度均符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：液壓支架;缸筒附件;焊接;反變形;內(nèi)孔尺寸和圓度

中圖分類號：TG457.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）07-0089-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.17

0? ? 前言

千斤頂缸筒外部焊接通液座是一種常見的千斤頂通液結(jié)構(gòu)，受焊接熱循環(huán)的影響，焊后通液座的缸筒內(nèi)孔會發(fā)生變形并導(dǎo)致尺寸超差。而千斤頂是液壓支架中負(fù)責(zé)動力輸出的關(guān)鍵零部件，為保證液壓支架可以按設(shè)計要求實(shí)現(xiàn)支架升降及各功能部件伸出、收回等動作，千斤頂缸筒和活塞之間的配合間隙需要達(dá)到非常高的精度。為避免焊接熱循環(huán)對配合間隙造成影響，通常將通液座、接頭座等附件放在缸筒精加工之前拼焊。近期，鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司接到一批薄煤層液壓支架訂單，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)要求，該批產(chǎn)品抬底千斤頂?shù)耐飧捉Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有所不同，如圖1所示。

由圖1可知，用于上腔通液的通液座與缸口之間的距離為30 mm，在刮滾內(nèi)孔和車削缸口螺紋時，該通液座會影響缸筒在機(jī)床上定位。因此，必須將通液座放在刮滾內(nèi)孔并車削好缸口各內(nèi)孔尺寸后拼焊，由此引起的焊接變形可能會導(dǎo)致缸口密封面圓度超差，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)向套靜密封在圓周方向的配合間隙不一致、承受不均勻的壓應(yīng)力，進(jìn)而增大外缸與導(dǎo)向套靜密封處漏液的概率、影響產(chǎn)品壽命。因此，有必要研究出一套適用于精加工后缸筒附件焊接的生產(chǎn)工藝來指導(dǎo)生產(chǎn)。

1 試驗材料

試驗缸筒所用原材料及加工方法如表1所示。

2 試驗方案

2.1 焊接工藝

缸筒通液座的焊接采用熔化極活性氣體保護(hù)焊，直流反接，焊接材料為ER50-6（φ1.2），保護(hù)氣體類型為M21[φ（Ar）80%+φ（CO2）20%]混合氣體，為盡量降低焊接熱輸入，試驗采用小規(guī)范焊接，具體焊接參數(shù)如表2所示。

2.2 拘束工裝設(shè)計

遵循焊接工藝的預(yù)防變形原則，從增加剛性拘束、預(yù)留反變形和控制焊接熱輸入值等角度入手，設(shè)計適用于精加工后缸筒附件的焊接工藝。

首先，根據(jù)液壓千斤頂缸筒的特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)計專用的拘束工裝，如圖2所示。

該拘束工裝由仿形卡套、拘束螺栓和鎖緊螺母三部分組成。

仿形卡套采用Q690（δ50）高強(qiáng)鋼下料而成，寬度為D（缸筒外徑）+100 mm，高度為D（缸筒外徑）+50 mm+50 mm，設(shè)置一個半徑與缸筒外圓半徑R相當(dāng)?shù)膬?nèi)凹圓形結(jié)構(gòu)與缸筒匹配，在兩側(cè)面板厚中心處與內(nèi)凹圓心等高的位置分別有一個M30內(nèi)螺紋孔;拘束螺栓和鎖緊螺母共兩組，分別與仿形卡套上的兩個M30內(nèi)螺紋孔匹配使用。

使用時，首先將缸筒穿入工裝中的內(nèi)凹圓并調(diào)整位置，使拘束工裝位于待拼焊附件下方靠缸口一側(cè)，同時保證拘束工裝的螺紋孔中心連線經(jīng)過缸筒中心并垂直于待拼焊附件中心點(diǎn)與缸筒中心連線，具體如圖3所示;然后，同步擰緊兩側(cè)緊固螺栓給缸筒施加拘束，直至拘束量達(dá)到要求;最后，依次旋緊兩側(cè)的M30螺母并使之貼緊拘束工裝端面，形成有效的雙螺母鎖緊;保證外加拘束的可靠性和穩(wěn)定性。

2.3 反變形方案

采用拘束工裝，在預(yù)熱前按表3所示對缸筒施加拘束并預(yù)制反變形。各組方案反變形量的精確度，通過反變形前后用內(nèi)徑表測量缸筒橫向內(nèi)徑差值來保證。

3 結(jié)果分析

按照上述各組方案，分別對缸筒通液座進(jìn)行焊接試驗。預(yù)熱前，在缸筒內(nèi)壁距離缸口25～35 mm位置處沿橫向和縱向分別用記號筆做點(diǎn)狀標(biāo)記，并用內(nèi)徑表按標(biāo)記點(diǎn)分別檢測各組缸筒橫向和縱向內(nèi)徑尺寸;焊接完成并冷卻至室溫后，撤去各組拘束工裝，再次檢測各標(biāo)記點(diǎn)處的內(nèi)徑尺寸，檢測結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，繪制缸筒焊接通液座前后內(nèi)孔變形量及缸筒內(nèi)徑尺寸隨反變形量的變化趨勢，如圖4、圖5所示。其中，第1組樣本點(diǎn)表示采用方案1所得試驗數(shù)據(jù)，為了便于對比，該組樣本點(diǎn)所對應(yīng)的橫坐標(biāo)值設(shè)為-0.1 mm。

由圖可知，焊接變形曲線整體呈現(xiàn)先降低、后升高的趨勢，尤其是前兩組樣本數(shù)據(jù)所示區(qū)域，曲線呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。這表明僅采用小規(guī)范焊接措施無法有效避免缸筒焊接變形，仍然出現(xiàn)了內(nèi)孔橫向膨脹0.18 mm、縱向收縮0.3 mm的“ 扁缸 ”現(xiàn)象，而采用小規(guī)范焊接、配套使用拘束工裝則可以更加有效地避免缸筒因焊接通液座而出現(xiàn)的焊接變形，這是因為在沒有任何拘束措施條件下焊接通液座，焊縫及熱影響區(qū)的基體金屬先在焊接熱輸入的作用下出現(xiàn)局部的向心力、徑向形變。隨著熱源移動，高溫區(qū)冷卻，缸筒局部收縮，在焊接通液座的位置及周圍區(qū)域的缸筒母材中產(chǎn)生向心應(yīng)力，進(jìn)而造成缸筒內(nèi)孔在縱向上出現(xiàn)收縮變形，同時在橫向上出現(xiàn)了一定的膨脹變形，雖然采用小規(guī)范焊接可以降低熱輸入、減小焊接應(yīng)力，但卻無法完全消除焊接應(yīng)力，缸筒依然出現(xiàn)了一定程度的“ 扁缸 ”現(xiàn)象;采用拘束工裝施加橫向外部拘束后，焊接冷卻階段缸筒的橫向變形被抑制，該抑制效應(yīng)通過缸筒宏觀彈性應(yīng)力反作用于缸筒縱向的向心應(yīng)力，并在焊縫區(qū)域形成三向應(yīng)力場抑制缸筒基體金屬中的收縮應(yīng)力，進(jìn)而降低焊接過程對缸筒內(nèi)孔尺寸的影響，但是在外部拘束撤去后，缸筒的宏觀彈性應(yīng)力得到釋放，在彈性應(yīng)變作用下橫向和縱向內(nèi)徑尺寸依然會出現(xiàn)變化。因此，只有預(yù)制合適的反變形，才能有效抑制焊接應(yīng)力并抵消缸筒彈性變形。

根據(jù)第3～7組試驗結(jié)果可知，隨著預(yù)制反變形量增大，缸筒內(nèi)孔橫向膨脹變形逐漸減小并在預(yù)制反變形為1.2 mm時達(dá)到最小值、縱向收縮變形在預(yù)制反變形為0.8 mm時達(dá)到最小值，結(jié)合圖5可以看出：當(dāng)預(yù)制反變形量為0.8～1.2 mm時，缸筒內(nèi)徑尺寸在兩個方向上均在合格范圍內(nèi);而當(dāng)預(yù)制反變形超過1.2 mm后，缸筒焊接通液座后內(nèi)孔在橫向和縱向均出現(xiàn)了不同程度的殘留反變形。由圖5可知，在反變形為1.6 mm時，缸筒縱向尺寸已經(jīng)超出上偏差線、出現(xiàn)了不合格品，這是因為過量的反變形使缸筒局部區(qū)域在達(dá)到彈性應(yīng)變基礎(chǔ)上產(chǎn)生了過多的塑性變形，已經(jīng)超過了通液座焊接應(yīng)變所需的有效抵消量，因而以殘余反變形的形式表現(xiàn)出來。

綜上所述，在焊接通液座前，采用拘束工裝對缸筒施加橫向拘束并預(yù)制0.8～1.2 mm的反變形，匹配小規(guī)范MAG焊工藝，可以有效避免因焊接通液座而導(dǎo)致的缸筒變形，保證缸筒內(nèi)孔尺寸和圓度符合設(shè)計要求。

4 結(jié)論

通過設(shè)計拘束工裝、預(yù)制反變形、匹配小焊接規(guī)范等措施，解決精加工后千斤頂缸筒因焊接通液座而導(dǎo)致的變形問題，并得出結(jié)論：（1）僅采用焊接電流I=140～160 A、焊接電壓U=20～22 V、焊接速度v=210～230 mm/min的小規(guī)范焊接措施，缸筒內(nèi)孔仍然會出現(xiàn)“ 扁缸 ”現(xiàn)象，最大變形量可達(dá)0.3 mm。（2）采用小規(guī)范焊接并借助拘束工裝預(yù)制0.8～1.2 mm的橫向反變形，可以將缸筒因焊接通液座而導(dǎo)致的變形量控制在0.01～0.02 mm，保證缸筒尺寸和圓度均符合設(shè)計要求。

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