工業機械設備加工過程中的焊接工藝分析

郝靜

（兗礦東華重工有限公司煤機裝備制造分公司，山東 濟寧 273500）

在煤礦開采中，液壓支架是很關鍵的機械設備，能夠保障煤礦安全，對煤礦生產意義深遠。近年來，煤礦業得到了長足的進步，所使用的采煤裝置越來越趨向于大型化。為了滿足發展需求，采煤設備中運用了許多先進的材料和技術。立柱系統在礦用液壓支架中承擔關鍵承力角色，必須具有高強度，立柱系統中中缸為關鍵部件，其力學性能要求較高。立柱中缸的結構與其他部件不同，要利用焊接技術實施加工。現階段，中缸優先選用S890 鋼材進行制造，其強度和韌性都很高，在焊接方面存在一定的困難，若焊接加工工藝使用不合理，就會造成焊接質量不合格，使其不能良好地發揮效用，導致液壓支架在工作時存在安全隱患。

1 液壓支架及其立柱結構

液壓支架結構的形式，可以分為三類：防護式、支架式和支架防護式。但是，無論是哪種類型的液壓支架，其關鍵部件區別不大，而立柱對液壓支架而言是極其重要的組成部分。從結構來講，立柱頂端接連至液壓支架頂板，下端接連至液壓支架底板。經由立柱、液壓支架本身的分量和頂板所負荷的巷道作用力被統統傳送至液壓支架底板，綜上所述，立柱對液壓支架裝置而言是不可或缺的承力部件。立柱系統主要由以下部分組成：底缸、中缸和活桿，三個組件的相對活動能夠完成立柱的伸縮，從而達成液壓支架式樣的變化。因為立柱在運作時要長期經受沉重的外部負荷，所以，要求立柱每個組件具備良好的力學性能。若是力學性能達不到標準，又經歷了長期的、高強度的負荷，極大程度上會發生折斷開裂，對液壓支架使用安全造成隱患。中缸是立柱的其中一個組件，其結構繁雜，在生產和加工過程中要使用焊接步驟，務必要求焊接工藝更加嚴謹，保證焊接品質。

2 立柱中缸焊接加工缺陷

焊接環節在立柱中缸制作和完善流程中是一個主要環節，焊接工藝對全部組件的力學功能有直接關系。S890 鋼材中包括許多合金，并且合金種類相當豐富。以碳當量計算方式為準，經過計算，得出S890 鋼碳當量是0.63%。進行了有關實驗得出結果，如果材料的碳當量含量高出0.6%，那么，可焊性則達不到標準。S890 鋼在淬火時硬化能力較差，焊接和冷卻后極易產生裂痕、變軟和變脆。此外，因為立柱結構相對特別，中缸焊接強度要達到大于650 兆帕的條件，必須確保其高質量的焊接工藝。

3 立柱中缸焊接加工工藝的改進

3.1 實驗材料的選擇

（1）實驗材料。選用S890 鋼進行實驗，此鋼材用于制造立柱中缸，是無縫鋼管，鋼管直徑401 毫米，長63 毫米。S890 鋼的化學成分表參照表1。將鋼材進行淬火和高溫回火，按照拉伸實驗檢測得出，屈服強度820 兆帕，抗拉強度907兆帕，延伸率19%，零下20℃時，沖擊功為161 焦。

表1 S890 鋼材料的化學成分表 %

（2）保護性氣體。立柱中缸在運作時，因為要承擔的外部負荷比較沉重，所以其韌性要更強，必須能滿足工作要求，大熱輸入的焊接方法并不適用。另外，在焊接工藝的實用效果和經濟效益方面，也要多加注意，根據實際狀況，最后選擇熔化極氣體保護焊焊接工藝。這樣的焊接方法需要用到保護氣體，該焊接中采用的保護氣體成分是φ（CO2）=20%、φ（Ar）=80%。

（3）焊材的選用。立柱中缸是關鍵的承力結構，不但要有充分的強度，還必須具有較好的韌性。但是，材料的強度和韌性的標準卻是相互沖突的，材料的強度較大時，韌性一般不好；反之，如果材料的韌性優異，強度值則達不到標準，若想使焊縫強度和韌性完美契合，防止產生一項標準很高，另一項標準很低的問題出現，所以，最后選用了低強度焊接材料。該焊材的運用，會將焊縫部分的碳含量和碳當量限定在合理范圍內，保證焊縫強度不但可以達到設計需求，而且在一定程度上提高其抗變形能力，優良的塑性是增強抗裂性能的根本。對各種焊材屬性進行分析比較，最后選擇了GHS-70 焊絲。焊絲的屈服強度是645 兆帕，抗拉強度是735兆帕，延伸率高達21%，零下40℃時沖擊功為91 焦。經過實驗可以看出，GHS-70 焊絲材料與20%CO2+80%Ar（φ（CO2）=20%、φ（Ar）=80%）的保護氣體聯合運用，焊接質量良好，焊縫部分的強度和韌性均達到了有效保證。

3.2 焊接工藝設計

（1）焊前準備。焊接前，要先把焊縫部位加工成“U”形，還要把焊縫周邊位置打掃干凈，清除殘渣，使其展現出金屬光澤。S890 鋼碳當量含量較大，并且在焊接過程中較易發生裂痕，因而，在開始焊接時，務必把準備用來焊接的焊料先加熱，為了使焊接更加方便快捷，初次焊接時的預熱溫度設定位125 ～150℃。經過預熱處理，可以防止S890 鋼材料溫度發生快速改變，從而導致熱裂紋。

（2）焊接流程。本次所采用的焊接樣本是環形部件，因而運用環縫焊缸機實施焊接，采用保護性氣體20%CO2+80%Ar（φ（CO2）=20%、φ（Ar）=80%），通常運作情況下，氣體流量維持在16 至20 升/分鐘之間。

如果需要焊接區域偏廣，則有必要實施多道次焊接，道次為20 次，焊接過程中，每道次的把控溫度都必須嚴謹，每層的溫度不能超過250℃，焊接速度為0.5 毫米/秒，電流強度設置在315 安，電弧電壓設定為30 伏上下。完成全部的焊接步驟后，千萬不要水淬，使用棉被包裹住焊接部位，保持兩小時，采用此種方法可以有效減緩焊縫部位的冷卻速度。

4 立柱中缸焊接工藝優化的效果研究

等到焊縫位置溫度與室內溫度一致時，可依據相關準則，察看焊縫的焊接效果，焊縫部位沒有鮮明的瑕疵，表明焊接質量出色。經過48 小時后，使用超聲波無損探傷技術觀測焊縫區域，重點檢查焊縫內部是不是有問題，檢查后，全部焊縫部位都沒有欠缺和瑕疵，質量優異。對焊縫位置的力學功能進行探討，按照相關規定，把焊縫部位鋼材制作成拉伸樣本和沖擊樣本，并遵循相關規定進行拉伸和沖擊測試。經過室溫拉伸檢測，得出焊縫位置的抗拉強度高達730 兆帕，并且斷裂部位為焊縫區域；零下20℃時，焊縫中央部位沖擊功為100 焦，熱影響區部位沖擊功為95 焦上下。通過對立柱中缸進行焊接工藝加工，焊縫部位的抗拉強度大于650 兆帕，滿足相關標準，并且沖擊韌性較好。因而能夠確定焊接工藝設計良好，可以保證立柱中缸焊縫部位的強度和韌性，從而確保液壓支架的綜合使用效果。

5 結語

工程機械焊接工藝與普通焊接工藝相比，具有專業性強的特點，可以將機械焊接設備作為基礎，設計焊接工藝和焊接構件，以滿足焊接的需求。液壓支架是煤礦開采過程中極其關鍵的機械設備，對煤礦的安全保障具有重要意義。先進焊接加工工藝的運用保證了焊接質量，加強了液壓支架的使用性能，以達到使用安全的目的。