礦用液壓支架頂梁焊接工藝研究

任維微

（霍州煤電集團鑫鉅煤機裝備制造有限責任公司， 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的作用，因此液壓支架的安全穩定運行對煤礦安全有重要的影響[1-2]。礦用液壓支架中很多結構件是通過焊接的方式進行生產制作的，焊接工藝質量的好壞對設備運行安全與穩定有直接影響[3]。為了提升液壓支架焊接工藝質量，煤礦企業和部分學者針對液壓支架的焊接工藝進行了分析和研究，并且取得了很好的實踐應用效果[4-5]。但隨著社會對煤礦安全要求的不斷提升，對液壓支架焊接質量的要求也有了新的變化。基于此，有必要對液壓支架的焊接工藝進行進一步的分析，以提升焊接工藝質量，使之滿足現代化的生產需要[6]。本文主要結合實踐經驗對液壓支架頂梁結構的焊接工藝進行研究。

1 液壓支架頂梁結構概述

液壓支架作為煤礦開采中重要的機械設備，整體上由多個結構部件構成，主要包括連桿結構、掩護梁、頂梁、底座等，不同機械結構承載著不同的功能。其中，頂梁結構是非常關鍵和重要的部分，因為液壓支架在工作時，外部作用力會直接作用在頂梁部位，然后通過立柱、連桿結構等傳遞到液壓支架底座中。所以液壓支架的強度對整個設備的運行穩定性影響顯著。如圖1 所示為礦用液壓支架頂梁結構的示意圖。從圖中可以看出，液壓支架頂梁結構主要為鋼板結構，不同鋼板之間通過焊接方式進行連接。鑒于頂梁結構的重要性，對該結構件的焊接工藝質量提出了相對更高的要求。但是在工程實踐中，頂梁結構中使用的鋼板寬度和長度要遠大于厚度，在焊接過程中如果焊接工藝過程控制不良，就非常容易產生焊接應力和焊接變形問題，對焊接質量構成了不良影響。

圖1 液壓支架頂梁結構示意圖

2 頂梁結構焊接工藝參數的選擇

2.1 焊接材料的選擇

已有的實踐經驗和理論研究均表明，對鋼材進行焊接時，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性能相差很大，那么焊縫質量也很難得到有效保障。在傳統的液壓支架生產中，頂梁部位的制作材料主要為Q420 或Q460，對于這兩類材料在焊接時，可以選用E50 級焊接材料就能夠滿足焊接要求。但隨著人們對液壓支架性能要求的不斷提升，當前多數情況下都會選用Q690 型鋼材生產液壓支架，由于母材強度有了一定程度的提升，因此所選用的焊接材料應該為E70 級。

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，但與此同時焊接過程中產生的熔池寬度、高度也會隨之增大，產生的熱量會增加，導致熱影響區范圍擴大，使得焊縫位置產生比較大的熱應力，嚴重時產生變形問題，影響焊接質量。所以焊接電流和電壓值必須根據實際情況合理選擇。

焊接電流的選擇與焊絲直徑之間存在緊密聯系。對于焊條電弧焊而言，焊接電流取焊絲直徑的40～50 倍，對于二氧化碳氣體保護焊，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，則應該適當控制電流大小，避免產生熱應力和變形。

液壓支架頂梁在生產制作時需要開展大量的焊接工作，在我國液壓支架生產車間中，為了提升焊接效率都會采用二氧化碳氣體保護焊，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，當焊接電流不超過300 A 時，焊接電壓可以按下式計算，V=0.04I+16±1.5；第二，當焊接電流值超過300 A 時，焊接電壓可以按下式計算，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焊接過程和質量的重要影響，焊接過程中必須對電流和電壓值進行嚴格控制。

圖2 二氧化碳氣體保護焊工藝流程示意圖

2.3 焊接速度與氣體流量控制

焊接速度會對焊縫形狀和質量產生重要影響，其中對焊縫形狀的影響最為顯著。對于二氧化碳氣體保護焊工藝過程而言，焊接速度通常控制在15～30 m/min 范圍內，具體焊接速度需要充分結合現場實際情況來嚴格控制。二氧化碳氣體流量方面，嚴格來說需要結合焊接電流與電壓、焊接速度綜合考慮，但在實際操作時根據焊絲直徑選擇即可。當焊絲直徑小于0.8 mm 時，二氧化碳氣體流量需要控制在12～16 L/min。當焊絲直徑超過1.2 mm 時，二氧化碳氣體流量需要控制在21～26 L/min。

3 頂梁結構焊接應力產生的原因與控制措施

3.1 焊接應力產生的原因

焊接工藝就是利用電流在焊縫位置進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，實現不同結構件之間的連接。整個焊接過程只對焊縫位置進行加熱和冷卻，母材其他部位則不進行加熱。焊接工藝過程特點決定了母材不同位置的受熱和冷卻存在嚴重的不均勻性，最終導致焊縫位置產生比較大的焊接熱應力。當焊接熱應力較小時，會導致頂梁結構產生較小的變形，影響焊接質量。當焊接熱應力大到一定程度時，會導致焊縫部位產生裂紋或者在后續使用過程中產生裂紋，見圖3。

圖3 液壓支架頂梁結構使用時產生裂紋的現場圖

3.2 焊接應力的控制措施

工程實踐中焊接應力的控制措施有很多種，主要包括敲擊振動、預熱、高溫回火、溫差拉伸等。但對于液壓支架頂梁結構焊接工藝過程而言，使用比較多的控制方法主要就是預熱法和高溫回火方法。預熱法指的是在焊接前先對母材進行預熱處理，通常將母材加熱到100 ℃左右后再進行焊接，這樣可以顯著降低焊接過程中母材不同部位的溫度差值，進而降低焊接熱應力。通過預熱法處理無法完全消除焊接熱應力問題，可以對焊縫部位進行高溫回火處理，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構在后續使用過程中產生裂紋問題。具體而言，回火溫度控制在500～600 ℃，回火時間在3 h 左右。

4 焊接變形產生的原因及其控制措施

4.1 焊接變形產生的原因分析

液壓支架頂梁結構在焊接時產生變形的原因可以歸結為兩點：其一，在整個焊接結構件中焊縫的布置沒有處在對稱面上；其二，不同位置焊縫的焊接順序不合理。上述兩個原因會導致頂梁結構在焊接過程中產生加熱和冷卻不均勻的問題，最終產生變形現象。如果頂梁結構產生焊接變形問題，一方面會削弱其剛度和強度，另外還會影響整體的外觀，甚至會影響裝配精度。

4.2 焊接變形控制措施

頂梁結構焊接變形主要有下述三種形式：第一，沿著頂梁長度方向產生彎曲變形；第二，與掩護梁鉸接的部位尺寸發生收縮；第三，與柱帽連接的部位產生尺寸收縮，無法與其正常連接。針對第一個問題，采用“反變形法”即可很好地解決問題。對于第二和第三個問題，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，如果無法達到理想的效果，可以考慮在該部位設置加強筋，以降低對應位置的變形程度。在工程實踐中，如果是大批量生產，頂梁與掩護梁連接部位產生8～10 mm 的變形誤差是可以接受的，與柱帽連接的部位產生2～4 mm的變形誤差是可以接受的。

5 結語

頂梁結構是液壓支架中非常重要的結構件，會對液壓支架整體的運行穩定性產生重要的影響，因此必須對其焊接工藝進行嚴格控制以保障生產質量。對頂梁結構焊接工藝過程和質量產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會導致頂梁焊接過程中產生嚴重的熱應力問題，使得結構件產生變形現象。輕則影響焊接質量，重則導致頂梁在使用過程中產生裂紋，影響頂梁的使用安全。在工程實踐中，需要對焊接工藝進行及時總結，以提升液壓支架的焊接工藝技術水平，為其安全穩定運行奠定堅實的基礎。