立柱缸筒焊縫收縮的危害與預防

張 超

山東萊蕪煤礦機械有限公司 山東濟南 271100

液壓支架是井下開采的重要支護設備，主要用于支撐來自頂板的壓力。立柱則是液壓支架承載頂板壓力的重要部件之一，它將支架頂梁和底座連接起來，用于液壓支架承受頂板載荷和調節支護高度。立柱是支架的承壓部件，由于長期處于高壓受力狀態，除應具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，還必須有足夠的抗壓、抗彎能力及良好的密封性能。所以在立柱的制造與安裝過程中，就必須消除潛在危害對設備的影響。其中立柱缸筒與缸底的焊縫收縮帶來的危害對立柱的使用影響較大，因此，有必要對此問題進行深入研究。

1 數據分析

無論何種結構形式的立柱，其中缸體和活柱最后一道導向環的位置總是靠近缸筒焊縫。山東萊蕪煤礦機械有限公司設計的立柱，中缸筒最后一道導向環的位置距缸底焊縫 23 mm，但缸底焊縫的收縮范圍卻在離焊縫中心 30～50 mm，導向環正好處在焊縫收縮范圍內，如圖 1 所示。以缸底焊縫收縮危害與解決措施為目標，在制造的 5 個立柱的中缸筒分別與缸底完成焊接并充分冷卻后，測量其在最后一道導向環處內孔的焊接收縮量，如表 1 所列。

圖1 中缸筒裝配Fig.1 Assembly of middle cylinder

表1 中缸筒焊接后的收縮量Tab.1 Shrinkage amount of welded middle cylinder mm

由圖 1 可知，中缸筒的內孔尺寸公差為φ270 H9，活塞導向環溝槽的尺寸公差為φ265 f9，導向環的厚度尺寸公差為，因此導向環處的正常設計尺寸間隙為 0.056～0.476 mm。而經過焊接中缸底后測量的缸筒的實際內孔平均尺寸為φ269.806，則導向環處的實際配合尺寸公差為 -0.138～+0.152。

2 缸底焊縫收縮帶來的危害

2.1 較大的啟動壓力

由于中缸底和中缸筒的焊接收縮，可能會導致導向環與中缸筒配合上產生 13.8 μm 的過盈，致使活柱上的導向環和中缸筒安裝較緊，增大了活柱的啟動壓力。乳化液進入外缸后中缸首先伸出，而在中缸的液體壓力達到底閥的開啟壓力后，底閥打開液體進入中缸筒內推動活柱伸出。在國標中規定立柱在空載無背壓情況下，活塞腔的啟動壓力應小于 3.5 MPa，而在上述試驗的 5 組缸體打壓試驗過程中，活柱的啟動壓力均在 7 MPa 以上，4 號中缸活柱在達到了 20 MPa 后才伸出，但伸出的過程中出現不平穩的竄動現象。

2.2 擠碎導向環

導向環的使用條件是缸體和它之間有合適的配合間隙，這個間隙不能太大，太大起不到活塞的導向作用，同樣間隙也不能太小，間隙太小缸筒和導向環摩擦加劇，降低導向環的使用壽命。缸底與缸筒焊縫的焊接造成缸筒收縮，使得導向環與缸筒之間的配合間隙變為過盈配合。這樣不僅造成導向環的摩擦加劇，而且在中缸、活柱強制縮回過程中，導向環經過缸筒收縮量最大的部位時，會擠碎導向環。導向環失效對立柱的使用是致命的，會造成立柱串液、劃傷缸體等危害。

2.3 嚴重的收縮會劃傷缸體

活塞密封需要較小的擠出間隙，因此活塞密封兩側的擋邊尺寸就會設計的較大，缸體的內徑為φ270，其活柱密封兩側的擋邊尺寸為φ269.4，其和中缸體內孔的安裝間隙很小，同時擋邊尺寸位置也處在焊縫收縮范圍內。在加工過程中，如遇到缸體內孔橢圓或活塞密封兩側擋邊外圓橢圓情況下，再加上缸體內孔本身的焊接收縮，活塞密封兩側擋邊就會對缸體造成劃傷，劃傷的翻出尖銳毛邊同時會把活塞密封刮傷，導致活塞密封失去應有的密封效果。

3 預防措施

3.1 采用窄間隙焊接

目前缸筒焊縫均采用二保焊的自動環焊機，缸筒和缸底焊縫均使用普通鈍邊 U 形焊縫，底部園弧半徑為 6 mm，坡口面的角度為 20°，整個坡口角度較大。因為缸筒壁較厚，在同等角度下焊接坡口寬度達到了 35 mm。填滿坡口焊縫的焊接量大，焊接熱輸入高，焊接熱影響區大，導致缸筒焊接應力高，焊后變形大。缸筒在焊接冷卻后勢必造成缸筒內徑收縮，同時熱影響區帶來的脆化現象突出。要解決這一系列問題就需要使用窄間隙自動環焊機焊接。窄間隙焊接尺寸如 2 所示。窄間隙焊接采用較小的焊接坡口，優點是焊縫填充小，可以節約 30% 以上的焊絲[1]，熱影響區范圍窄，焊接應力小，缸筒變形小。同樣再取 5 組中缸做窄間隙焊縫焊接試驗，結果如表 2 所列。通過和表 1 數據對比，采用窄間隙焊接后，最大收縮的 1 號缸和采用普通焊縫最大收縮的 4 號缸減少收縮量 0.18 mm。

表2 中缸筒采用窄間隙焊接的收縮量Tab.2 Shrinkage amount of middle cylinder with narrow-gap welding seam mm

圖2 窄間隙焊縫尺寸Fig.2 Dimension of narrow-gap welding seam

3.2 缸底止口配合采用過盈配合

為便于獲得缸底和缸筒較高的同軸度，缸底和缸筒裝配形式為止口配合安裝。缸底止口伸入缸筒內形成間隙配合安裝[2]，這樣能夠保證缸底和缸筒的同軸度。缸筒的尺寸為φ270 H9，缸底止口外圓的尺寸為φ270 g7，二者配合最小間隙為 0.017 mm，最大間隙為 0.199 mm。止口部位是焊縫的中心，同時缸筒存在缺口效應，止口處缸筒存在間隙在焊接熱應力影響下變形收縮，帶動缸筒熱影響區域內的收縮。為減少變形量，我們可以把缸底止口配合設計為過盈配合。缸底過盈裝配如圖 3 所示。由圖 3 可知，缸底止口尺寸為φ270 s8，這樣缸底就和缸筒的配合最小過盈量為 0.028 mm，最大過盈量為 0.239 mm。裝配前把缸筒裝配部位加熱脹大，把缸底裝入缸筒，用銅棒把缸底敲入缸筒到底。裝配完成后采用普通自動環焊機進行缸筒焊接，同樣通過 5 組數據分析，對比采用間隙配合焊縫的最大收縮量。通過對比可知，減少配合間隙為 0.20 mm，焊接后可取得更小的缸筒收縮量。

圖3 缸底過盈裝配Fig.3 Interference fit assembly of cylinder bottom

3.3 預留焊縫收縮間隙

在防焊縫收縮措施中，一種行之有效的方式是增加防焊縫收縮變形的錐孔。錐孔裝配如圖 4 所示。缸底的止口外圓為φ271 g7，缸筒止口配合處內孔為φ271 H9，同時在缸筒內車削 30～50 mm 長不等的錐孔，錐孔的長度為 50 mm。在缸底與缸筒的配合仍然為間隙配合，最小間隙為 0.017 mm，最大間隙為 0.199 mm。在后續焊接后缸筒的收縮靠 1/100 斜度的錐孔來抵消。在焊接非影響區的缸筒內孔尺寸還是φ270 H9，保證導向環的正常使用。同樣通過 5 組數據分析，采用預留焊接收縮錐孔焊接后，測量缸筒內孔尺寸，均在φ270 H9 設計公差范圍內。

圖4 錐孔裝配Fig.4 Assembly of taper hole

3.4 增大導向環槽尺寸公差

圖5 導向環尺寸公差示意Fig.5 Sketch of dimensional tolerance of guide ring

3.5 合理的焊接工藝

合理的焊接工藝可以減小焊接變形，在缸底組裝后進行 4 點點焊固定，利用小電流進行打底，之后實行分層焊接，每層焊接完成后停機進行清渣，減少焊接夾渣與氣孔，同時還可以讓焊縫冷卻，以減少內孔的焊接變形。

4 結語

合理的焊接工藝可以減少焊接變形，但缸筒的變形量仍然會較大，同時不利于提升焊接效率；最后一道導向環槽尺寸公差增大的方法能解決掉導向環摩擦加劇乃至擠碎的風險，但同時帶來的弊端是在缸筒的非焊接變形影響區內，導向環與缸筒的配合間隙變大，削弱了活塞的導向作用；缸底與缸筒止口采用過盈配合裝配的方法，在裝配過程中操作較為麻煩，必須添置對缸筒內孔加熱的設備，同時裝配時缸底會對缸筒內已經電鍍的表面形成擠壓破壞；窄間隙焊接在解決焊接變形方面優勢明顯，但需要購置窄間隙環焊機，窄間隙焊機的焊槍屬于易耗件，而且價格較高，對企業的經濟負擔較重；缸筒增加焊接收縮錐孔的方法目前來說比較好操作，但在實際應用中應注意在加工過程中保證缸筒的缸底安裝止口、焊接收縮錐孔與缸筒基準孔的同軸度。