液壓支架設(shè)備的高強度材料匹配策略分析

黃成龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦質(zhì)檢組，山西 大同 037000）

礦用液壓支架的作業(yè)條件較為復(fù)雜，在實際應(yīng)用過程中，存在工作阻力大的特性，且對支撐高度提出了較高的要求。液壓支架的應(yīng)用功能決定了其對支架荷載能力的高要求，同時要求液壓支架具備較強的穩(wěn)定性，這樣才能夠為井下作業(yè)創(chuàng)造安全空間。目前來看，在液壓支架結(jié)構(gòu)中，較常使用的板材材料有Q460、Q690、Q550，具體材料匹配方法為根據(jù)各結(jié)構(gòu)受力狀況的不同選取板材材料，并且采用合理的焊接手段，提高液壓支架結(jié)構(gòu)的可靠性。現(xiàn)階段常用的焊接材料匹配形式有等強匹配與低強匹配兩種。對于一些支撐高度大的大型液壓支架結(jié)構(gòu)來說，需要適當(dāng)提高高強度板材材料的使用量，以支撐高度的8.8 m 的液壓支架設(shè)備為例，其中70 kg 級別的高強板占鋼板用量的90%以上，這既可保障液壓支架的荷載能力，又能對其自身重量加以控制，符合井下作業(yè)的實際需求。本文研究的主要目的是提高液壓支架的應(yīng)用可靠性，因此，圍繞高強度材料的匹配策略展開研究，具有極為現(xiàn)實的意義。

1 高強度鋼板材料的匹配策略

根據(jù)液壓支架的實際應(yīng)用需求，在進(jìn)行材料匹配時，應(yīng)綜合考慮液壓支架在使用過程中對結(jié)構(gòu)性能的基本要求。目前來看，礦用液壓支架的主要要求包括較強的荷載能力、較強的支撐能力以及較長的使用壽命，同時，還要求液壓支架能夠?qū)ψ陨碇亓考右钥刂疲詽M足井下作業(yè)過程中的設(shè)備運輸要求。因此，在材料匹配時，應(yīng)以強化液壓支架主體結(jié)構(gòu)的強度和剛度為基本要求，通過配置高強度鋼板可以基本滿足液壓支架主體結(jié)構(gòu)的強度和剛度需求。但僅應(yīng)用高強度鋼板無法滿足液壓支架的高壽命要求，此時便可將部分結(jié)構(gòu)的鋼板材料替換為Q690 和Q550 這種使用壽命較長的鋼材結(jié)構(gòu)，僅在承力需求較大的部位應(yīng)用Q890 這種超高強度鋼板材料，這樣就可同時滿足使用周期需求和剛度需求。對于液壓支架中的三大主體構(gòu)造（見圖1），即底座、頂梁和立桿，需要優(yōu)先選用Q690 材料；對于其他一些受力較小的部件可以優(yōu)先選用Q550 材料；對于支架的推桿結(jié)構(gòu)則可應(yīng)用Q890 材料。通過此種材料匹配方法，可從整體上提升液壓支架的使用性能，并延長其使用壽命。

圖1 液壓支架主體構(gòu)造示意圖

研究表明，將Q690 和Q550 作為液壓支架的主體應(yīng)用材料，而局部配置Q890 材料，并對焊絲材料進(jìn)行科學(xué)匹配，選取合理的焊接工藝對液壓支架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理后，其結(jié)構(gòu)性能得到穩(wěn)步提升。這主要是由于對于高強度材料的匹配均源自于液壓支架應(yīng)用中各部件的受力狀況，對其進(jìn)行綜合考慮后，提升應(yīng)力集中部分的鋼材剛度性能，可進(jìn)一步提升液壓支架應(yīng)用的穩(wěn)定性。有研究者針對以Q550 和Q690 為主材，并匹配Q890 的液壓支架進(jìn)行6 萬余次的試驗后發(fā)現(xiàn)，液壓支架的母材以及焊縫結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，這證明對于結(jié)構(gòu)母材的選擇以及焊絲材料的選擇相對可靠。

2 高強度板材結(jié)構(gòu)焊接工藝的匹配策略

為了實現(xiàn)對鋼板結(jié)構(gòu)焊接工藝的合理選擇，需要先通過試塊焊接驗證的方式檢驗高強度鋼板是否適用常規(guī)焊接工藝，并且驗證高強度鋼板焊縫的拉伸性能和彎曲性能是否滿足液壓支架的應(yīng)用需求。因此，同時選用厚度為25 mm 的Q690 型高強度鋼板和Q890 型高強度鋼板進(jìn)行焊接試驗，并通過對焊接完成后鋼板的抗拉強度、彎曲性能、沖擊性能與硬度進(jìn)行綜合測試，從而選定最佳的焊接工藝。

2.1 Q690 高強度鋼板焊接工藝驗證

在針對厚度為25 mm 的Q690 鋼板進(jìn)行焊接實驗后發(fā)現(xiàn)，鋼板的力學(xué)性能以及冷裂紋敏感性均會受到焊接工藝手段的直接影響。根據(jù)相關(guān)規(guī)定（GB 2650～2655—89），在對其焊接接頭部位的彎曲性、硬度、拉伸性能以及沖擊性能進(jìn)行驗證后發(fā)現(xiàn)，其焊接接頭部位的融合質(zhì)量較好，并未出現(xiàn)明顯的焊接缺陷。而經(jīng)拉伸檢測后，其斷裂位置處于焊縫間，其抗拉強度值為860 MPa，且接頭部位的彎曲性能較好。因在焊接完成后進(jìn)行了消氫處理，使得接頭部位的硬度分布十分均勻，未有明顯硬化和軟化現(xiàn)象發(fā)生。總體來看，采取常規(guī)焊接工藝便可保障Q690 型高強度鋼板結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量[1]。

2.2 Q890 高強度鋼板焊接工藝驗證

在對Q890 型高強度鋼板進(jìn)行焊接時，使用半徑為1.2 mm 的GHS90 焊絲，采取常溫焊接方式和預(yù)熱焊接方式，并對Q890 高強度鋼板的焊接接頭綜合力學(xué)性能進(jìn)行驗證。主要驗證方法為國際上較為通用的最高硬度試驗法，以鋼材冷裂紋傾向特點作為測定目標(biāo)進(jìn)行驗證，該法屬于一種適用于電弧焊接工藝的實驗手段。主要測量方法為：在焊道底部的熔合處分別設(shè)置兩個測點，兩個測定點的間隔控制在0.5 mm 左右。測定結(jié)果顯示，其最高硬度分布曲線如圖2 所示。

圖2 最高硬度曲線分布圖

從圖2 中的曲線變化狀況來看，處于熱影響區(qū)域范圍內(nèi)的板材硬度也處于較高水平，可以證實Q890 的焊接工藝中其淬硬狀況會受到焊接熱影響區(qū)的直接影響。因此，在針對Q890 進(jìn)行焊接操作時，應(yīng)采取合理的預(yù)熱處理措施。

焊接工藝中進(jìn)行焊后熱處理的主要目的是控制焊接殘余應(yīng)力對焊接部位質(zhì)量的影響，在針對高強度鋼材進(jìn)行焊接作業(yè)時，通常不建議采取焊后熱處理措施。這是由于焊后熱處理可能會使焊接接頭部位的力學(xué)性能降低，主要表現(xiàn)為沖擊韌性會低于未經(jīng)焊后熱處理的接頭韌性。但從高強度鋼材焊接試驗中可以發(fā)現(xiàn)，采取焊后熱處理工藝，可以有效提升焊接部位的強度。因此，要在焊接操作完成后的第一時間進(jìn)行加熱處理，并對其加熱溫度進(jìn)行合理控制，在不影響焊縫沖擊韌性的情況下，通過熱處理使焊接接頭部位的氫能有效溢出，避免出現(xiàn)延遲裂縫問題。

2.3 焊接工藝驗證分析

結(jié)合上述研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)性的焊接工藝便可滿足Q690 高強度鋼板的焊接需求，焊縫質(zhì)量以及力學(xué)性能也均能滿足液壓支架的結(jié)構(gòu)性能需求。而Q890 高強度鋼板的焊接工藝則存在一定的特殊性，要求在完成焊接作業(yè)的第一時間進(jìn)行熱處理，使其接頭部位的氫能得以有效排除，以提升焊接接頭質(zhì)量，降低裂紋現(xiàn)象的發(fā)生率。

3 高強度板材焊接材料匹配策略

根據(jù)焊接材料匹配方式的不同，可以將其大致分為兩種匹配形式：一種為等強匹配形式，具體表現(xiàn)為，在對等強度材料進(jìn)行焊接時，焊材的強度與材料強度保持一致，而焊接時的兩種材料處于不同強度等級時，焊材強度則需要與較低等級的材料強度保持一致；另一種為低強匹配形式，主要指焊接材料強度要低于板材強度一個等級。在液壓支架結(jié)構(gòu)中，需要根據(jù)液壓支架各結(jié)構(gòu)的受力狀況對板材強度進(jìn)行合理選擇。因此，各部位的板材強度各不相同。在對各類板材進(jìn)行焊接時，需要選取合理的焊接材料匹配措施，才能保證焊縫質(zhì)量和焊接強度，使各個結(jié)構(gòu)性能滿足液壓支架的應(yīng)用需求。為了驗證兩種焊材匹配形式下的焊接質(zhì)量，從中選擇最佳的焊材匹配方式，需要分別對液壓支架結(jié)構(gòu)中使用的主要板材進(jìn)行焊接驗證，分析各種焊材匹配方式下接頭部位的彎曲性能、拉伸性能和沖擊能力。

為了驗證不同焊材匹配形式對焊接質(zhì)量的影響，針對Q460、Q690 以及Q550 三種高強度板材分別進(jìn)行焊接，選用不同的焊材匹配形式，最后對不同匹配形式下的焊接接頭力學(xué)性能進(jìn)行對比研究。當(dāng)對Q460 鋼板與其他級別鋼板進(jìn)行焊接時，同時采取等強匹配和低強匹配形式進(jìn)行焊接處理，并對焊接完成后的板材進(jìn)行拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)其斷裂位置均處于母材Q460 的一端，這足以說明焊接接頭強度超出母材強度。在彎曲試驗中也能發(fā)現(xiàn)，彎曲試樣的完整度較好，這可說明兩種焊材匹配形式均滿足焊接接頭的塑性需求。而在沖擊試驗中發(fā)現(xiàn)，ER50-6焊絲的抗沖擊能力優(yōu)于ER62-G 焊絲的抗沖擊能力。在對Q550 和Q690 材料的焊接試驗中發(fā)現(xiàn)，采用等強匹配以及低強匹配方式時，焊接接頭的彎曲性能、抗拉伸性能以及沖擊性能均符合液壓支架的結(jié)構(gòu)性能需求。同時，低強匹配措施下接頭沖擊功更大，具備更好的強韌性[2]。Q550 與Q690 高強度板材焊接接縫形貌如圖3 所示。

圖3 焊接接縫示意圖

4 液壓支架立柱耐腐蝕材料匹配策略

為了進(jìn)一步提升液壓支架的使用壽命，除了要在重點承力部位應(yīng)用高強度材料之外，還需要提升液壓支架結(jié)構(gòu)材料的耐腐蝕性，降低腐蝕因素對材料使用壽命造成的直接影響。在前期應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，液壓支架的立柱缸筒經(jīng)常出現(xiàn)點蝕、麻面以及多種腐蝕現(xiàn)象，具體表現(xiàn)如圖4 所示。

圖4 立柱腐蝕表現(xiàn)

腐蝕問題的產(chǎn)生不僅會影響立柱的支撐性能，還可能對液壓支架的穩(wěn)固性構(gòu)成影響。如不對此類問題進(jìn)行合理控制，必定會縮短液壓支架的使用壽命。因此，在對液壓支架的立柱進(jìn)行選材時，應(yīng)優(yōu)先選用一些高強度、高耐蝕性的新型材料，其中S890以及S690 材料均符合這一要求，應(yīng)用這兩種材料作為液壓支架的立柱結(jié)構(gòu)可在一定程度上提升立柱的抗腐蝕能力。除此之外，也可在立柱外層涂抹一些防腐蝕性材料來進(jìn)一步提升其抗腐蝕能力。

由于井下作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜，且巷道空間內(nèi)的空氣濕度較大，液壓支架長期處于此種作業(yè)環(huán)境中很容易造成點蝕、腐蝕等問題。其中經(jīng)常發(fā)生腐蝕現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)為立柱結(jié)構(gòu)，因其在作業(yè)過程中立柱油缸的鍍層極易磨損，而空間作業(yè)環(huán)境創(chuàng)造了良好的腐蝕條件，導(dǎo)致立柱結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)點蝕和腐蝕等問題。目前來講，較為有效的處理方法為利用激光熔覆技術(shù)對不銹鋼粉末進(jìn)行熔融處理后，使立柱結(jié)構(gòu)可焊接于立柱油缸外表面，并形成一層冶金結(jié)構(gòu)層。具體作業(yè)中需要先通過拋光、打磨等手段在其立柱缸筒表面形成一定的粗糙度，增強其與熔覆層的結(jié)合力，這既可保障立柱自身結(jié)構(gòu)的強度，也能提高其耐腐蝕性能。

5 結(jié)語

應(yīng)用液壓支架的過程中常面臨著較為惡劣的作業(yè)環(huán)境，這對其自身使用功能性提出了較高的要求。尤其是在井下巷道工程中，液壓支架發(fā)揮了突出的支撐作用，這要求其具備較強的荷載能力。通過對高強度材料的匹配策略進(jìn)行探討，使得在今后的液壓支架制備中，能夠結(jié)合液壓支架的應(yīng)用需求，合理選材，有效提升液壓支架的綜合使用性能。