煤礦液壓支架焊接技術(shù)應(yīng)用研究

胡樂峰

徐礦大學(xué) 江蘇徐州 221000

液壓支架結(jié)構(gòu)件以中厚板高強(qiáng)鋼的箱體結(jié)構(gòu)為主，焊角尺寸大，焊縫密集，焊接量大，焊后變形嚴(yán)重。當(dāng)前液壓支架最常用的焊接方式為氣體保護(hù)焊，此方法雖然焊接靈活，能夠適應(yīng)多箱形結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)自動焊接，但焊縫熔深較小（熔深一般僅有1-2mm），需要多層多道焊接，焊接量大。深熔焊技術(shù)是目前比較先進(jìn)的一項焊接工藝技術(shù)，它利用數(shù)字控制的電弧曲線參數(shù)，進(jìn)一步壓縮電弧，使得電弧熱量更集中、更具備熔透能力，從而能夠獲得更大的熔深。

1 液壓支架頂梁的組成及功能

頂梁作為液壓支架中極其重要的組件，其常用的結(jié)構(gòu)形式包括以下三種：剛性頂梁、鉸接式頂梁和伸縮鉸接頂梁。其相同之處均采用鋼板焊接而成，呈現(xiàn)箱式結(jié)構(gòu)，箱體內(nèi)部焊接加強(qiáng)筋，以提高頂梁的整體強(qiáng)度和剛度。頂梁的前端形狀大多制成滑撬形式，也可制成圓弧形式，目的是降低支架移動過程中的阻力。頂梁內(nèi)表面焊接兩個柱窩，其兩側(cè)設(shè)計連接銷孔，便于使用銷軸將頂梁與立柱連接，實現(xiàn)頂梁高度的調(diào)整；頂梁的尾部兩側(cè)設(shè)計兩個連接孔，采用銷軸將頂梁與掩護(hù)梁連接，實現(xiàn)頂梁的固定；頂梁尾部中間設(shè)計一個連接孔，用于連接千斤頂，實現(xiàn)頂梁工作過程中俯仰角的調(diào)整[1]。

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)量會對整個結(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)量計算方法，可以計算得到S890 鋼碳當(dāng)量大小為0.63%。而根據(jù)相關(guān)實踐經(jīng)驗，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。

3 焊接加工工藝的優(yōu)化研究

3.1 焊材的選擇

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)度和韌性是兩個相互矛盾的指標(biāo)。當(dāng)材料強(qiáng)度很高時，其韌性通常都較低。相反的，當(dāng)材料的韌性很好時，強(qiáng)度值通常得不到保障。為了實現(xiàn)焊縫強(qiáng)度和韌性的良好匹配，避免出現(xiàn)其中一個指標(biāo)很好，但另外一個指標(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(chǔ)。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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為645MPa 和735MPa，延伸率可以達(dá)到21%，在-40℃的條件下沖擊功可以達(dá)到91J。已有的實踐經(jīng)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(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[2]。

3.2 熔深及電弧形態(tài)

深熔焊電弧整體上弧長較短，過渡形式以短電弧射流過渡為主，較短的電弧使得電弧能量更加集中，拘束狀態(tài)下的高能量密度電弧直接作用于母材，從而獲得更大的熔深。從3 種不同參數(shù)的電弧形態(tài)對比分析可知：1＃試樣在相對較小的電流電壓下電弧相對柔和，電弧雖然能夠集中在一個較細(xì)的區(qū)域，但整體電弧能量較弱，穿透力相對較小；2＃試樣電流電壓加大后在深熔焊焊機(jī)的壓縮電弧的作用下，電弧能量增加，整個電弧拘束在一個較短較窄的區(qū)域，從而獲得了更高的能量密度，穿透力大幅增加，因而焊縫熔深較大；3＃試樣隨著電流電壓的進(jìn)一步增大，尤其是電弧電壓達(dá)到35V 后，電弧能量進(jìn)一步增強(qiáng)，高能帶電粒子在弧柱區(qū)處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，深熔焊焊機(jī)的電弧壓縮外力已經(jīng)微不足道，電弧處于相對分散狀態(tài)，在較快的焊接速度下，形成的焊縫熔深不如2＃試樣。

3.3 芯線焊接

將剪斷的芯線以旋轉(zhuǎn)方式引入更換好的橡膠保護(hù)套內(nèi)，芯線去除2-3mm 外保護(hù)皮，按照焊接要求一一對應(yīng)焊接。單根芯線焊接后用熱塑管熱塑保護(hù)，熱塑后再在外層布置一層熱塑管，纏繞兩層絕緣膠帶[3]。

3.4 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，氣體流量控制在16-20L/min 范圍內(nèi)。待焊接范圍較大，需要采用多道次焊接，共需要進(jìn)行20 次焊接。每道次焊接過程中同樣需要對溫度進(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0.5mm/s，焊接時的電流強(qiáng)度和電弧電壓分別為315A 和30V 左右。在所有焊接工序完成后，禁止進(jìn)行水淬，而是利用棉被對焊接區(qū)域進(jìn)行裹附，時間為2h。通過這樣的措施盡可能降低焊縫位置的冷卻速度。

4 結(jié)語

礦用液壓支架立柱中缸是重要的承力結(jié)構(gòu)，因此對其力學(xué)性能有較高的要求。焊接過程是立柱中缸生產(chǎn)時的重要工序，因此必須對其焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，盡可能提升立柱中缸的各項力學(xué)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(chǔ)上，設(shè)計研究了焊接工藝。對焊接工藝進(jìn)行實驗檢驗，發(fā)現(xiàn)基于本文設(shè)計的焊接工藝，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。