關于液壓支架立柱中缸焊接加工工藝的優化研究

趙軍龍

（山西陽城陽泰集團晶鑫煤業股份有限公司， 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械設備，在確保煤礦安全方面有著不可替代的作用。隨著煤礦領域的不斷發展，礦井中使用的采煤設備正朝著大型化方向發展。為了順應這一發展需要，很多新材料、新技術都被應用到了采煤設備中[1]。立柱結構是礦用液壓支架中的重要承力結構件，對其強度要求非常高[2]。而中缸又是立柱結構中的重要零件，必須具備有非常好的力學性能[3]。立柱中缸由于結構的特殊性，其在加工過程中需要用到焊接工序[4]。當前中缸主要采用S890 鋼新材料加工制作，這種材料雖然具有較好的強度和韌性，但焊接難度相對較大。如果焊接加工工藝設置不完善，可能會影響焊接質量，進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 鋼材料為研究對象，對其開展焊接實驗工作，明確最優的焊接工藝。

1 液壓支架及其立柱結構分析

根據液壓支架結構的不同，可以將其劃分成為三種形式，分別為掩護式、支撐式和支撐掩護式。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鍵的結構部件。在結構上，立柱上與液壓支架頂板連接，下與液壓支架底板進行連接，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通過立柱傳遞到液壓支架底板中來，可以看出，立柱是液壓支架設備中非常重要的承力結構。

圖1 液壓支架立柱結構的示意圖

立柱結構由多個部件構成，其中最主要的三個部件分別為底缸、中缸和活桿，如圖1 所示。圖中三個部件的相對運動可以實現立柱的伸縮，進而實現液壓支架姿態的調整。由于立柱在工作時需要長時間承受較大的外界載荷，這對立柱各個部件的力學性能提出了非常高的要求。如果力學性能不達標，在長時間大載荷的作用下，很有可能會出現斷裂的問題，嚴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，由于結構復雜，其在生產加工時需要用到焊接工序。必須對焊接工藝進行嚴格控制，確保焊接質量。

2 立柱中缸焊接加工缺陷分析

焊接工序是立柱中缸生產加工過程中的重要工序之一，焊接質量會對整個結構的力學性能產生重要影響。但是S890 鋼這種材料內部包含有很多合金，且合金系非常復雜。根據碳當量計算方法，可以計算得到S890 鋼碳當量大小為0.63%。而根據相關實踐經驗，當材料的碳當量大小超過0.6%以后，其焊接性能通常較差。S890 鋼具有明顯的淬硬性，焊接以及后續冷卻過程中比較容易出現裂紋、軟化和脆化問題。另外，由于立柱結構特殊，要求中缸焊接強度必須超過650 MPa。這對立柱中缸焊接工藝提出了非常高的要求。

針對液壓支架立柱中缸S890 鋼材料存在的焊接缺陷問題，有必要對該材料的焊接工藝進行深入的分析和研究，以此找到最優的焊接工藝，為提升立柱中缸整體力學性能奠定堅實的基礎。

3 立柱中缸焊接加工工藝的優化研究

3.1 實驗材料的選擇

1）實驗材料。實驗材料為生產立柱中缸的S890鋼，為無縫鋼管，鋼管直徑為401 mm，長度為63 mm。表1 所示為S890 鋼材料的化學成分表。材料經過調質處理，基于拉伸實驗測試結果，其屈服強度和抗拉強度分別為820 MPa 和907 MPa，延伸率為19%，-20 ℃條件下的沖擊功為161 J。

表1 S890 鋼材料的化學成分表 %

2）保護性氣體。由于立柱中缸在工作時需要承受較大的外界載荷，我們對其韌性要求相對較高，在選用焊接方法時不應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用性和經濟性。結合實際情況，最終選用的焊接工藝方法為熔化極氣體保護焊。這種焊接工藝需要用到保護氣體，本研究中使用的保護氣體成分為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構，所以必須具備有足夠的強度，同時還需要有一定的韌性。但眾所周知，材料的強度和韌性是兩個相互矛盾的指標。當材料強度很高時，其韌性通常都較低。相反的，當材料的韌性很好時，強度值通常得不到保障。為了實現焊縫強度和韌性的良好匹配，避免出現其中一個指標很好，但另外一個指標很壞的情況，最終采用的是低強度匹配焊接材料。通過使用這種類型的材料，可以使焊縫部位的碳含量及對應的碳當量得到有效控制，在確保焊縫強度滿足設計要求的同時，盡可能提升其塑性，良好的塑性是提升抗裂性能的基礎。綜合對比不同的焊材屬性，最終選用的焊材為GHS-70 焊絲。焊絲的屈服強度和抗拉強度分別為645 MPa 和735 MPa，延伸率可以達到21%，在-40 ℃的條件下沖擊功可以達到91 J。已有的實踐經驗表明，GHS-70 焊絲材料配合使用20%CO2+80%Ar（φ（CO2）=20%、φ（Ar）=80%）的保護氣體能夠取得很好的效果。焊縫位置的強度和韌性都可以得到保障。

3.2 焊接工藝過程的設計

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

圖2 焊接試樣接頭結構形式（單位：mm）

2）焊接過程。由于本研究中需要焊接的試樣為環形件，所以需要通過環縫焊缸機對其進行焊接處理，以20%CO2+80%Ar（φ（CO2）=20%、φ（Ar）=80%）作為保護性氣體，正常工作時，氣體流量控制在16～20 L/min 范圍內。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溫度進行嚴格控制，層間溫度需要控制在250 ℃以內。焊接速度為0.5 mm/s，焊接時的電流強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，禁止進行水淬，而是利用棉被對焊接區域進行裹附，時間為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化的效果分析

圖3 焊縫位置的焊接順序示意圖

待焊縫區域溫度降低至室溫后，根據國家標準中的要求，通過肉眼對焊縫進行觀察，發現焊縫質量良好，不存在明顯的缺陷問題。再過48 h，通過超聲波無損探傷技術對焊縫區域進行觀察，主要查看焊縫內部區域是否存在缺陷。結果發現整個焊縫位置不存在內部缺陷，質量良好。為分析焊縫區域的力學性能，根據國家標準將焊縫區域材料加工成標準的拉伸試樣和沖擊試樣，并根據規范標準開展拉伸實驗和沖擊實驗工作。基于室溫拉伸實驗發現焊縫區域的抗拉強度則達到了730 MPa，且斷裂位置為焊縫位置。基于沖擊實驗發現在-20℃時焊縫中心位置和熱影響區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踐結果可以看出，焊縫位置的抗拉強度超過了要求的650 MPa，并且具有良好的沖擊韌性。因此可以認為設計的焊接工藝優良，能夠確保立柱中缸焊縫區域的強度和韌性，進而保障液壓支架的整體使用性能。

5 結論

礦用液壓支架立柱中缸是重要的承力結構，因此對其力學性能有較高的要求。焊接過程是立柱中缸生產時的重要工序，因此必須對其焊接工藝進行優化改進，盡可能提升立柱中缸的各項力學性能，使之滿足實際使用需要。S890 鋼是立柱中缸的加工材料，在分析S890 鋼材料屬性的基礎上，設計研究了焊接工藝。對焊接工藝進行實驗檢驗，發現基于本文設計的焊接工藝，不管是外觀還是內部均不存在明顯的缺陷，且具備有較高的強度和韌性，應用效果良好。