液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接常見缺陷與工藝研究

摘要：針對(duì)自動(dòng)化焊接過程中液壓支架部件批量生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)的坡口對(duì)接焊縫缺陷問題，進(jìn)行了一系列焊接實(shí)驗(yàn)并檢查了焊縫的金相結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在多層多道焊接的過程中，焊縫內(nèi)部的板條狀結(jié)構(gòu)，如馬氏體和貝氏體，被細(xì)小的針狀鐵素體和相互交織的下貝氏體精密地劃分開。這是由于每一層焊接在為下一層焊接提供預(yù)熱的同時(shí)，也被下一道焊接過程重新加熱，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性。通過坡口對(duì)接焊接缺陷的分析，表明這些缺陷主要是由于在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，零件裝配時(shí)的間隙不一致導(dǎo)致的未熔合缺陷。因此，提出了一種結(jié)合手工部分打磨和機(jī)器人焊接的工藝策略，以解決這一問題。這不僅為液壓支架部件的焊接方法提供了理論依據(jù)，還擴(kuò)大了焊接機(jī)器人的使用范圍。

關(guān)鍵詞：液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接常見缺陷焊接工藝

ResearchontheCommonDefectsandProcesstheStructuralComponentWeldingofHydraulicSupports

WANGFeiXIELingLiZHAOYun

ShanxiEngineeringVocationalCollege，Taiyuan，ShanxiProvince，030009China

Abstract：Inordertosolvetheproblemofthebuttweldingdefectsofgroovesinthemassproductionofthecomponentsofhydraulicsupportsintheautomaticweldingprocess，thispaperconductsaseriesofweldingexperimentsandinspectsthemetallographicstructureofwelds.Experimentalresultsshowthatintheprocessofmulti-layerandmulti-passwelding，thelath-shapedstructureinwelds，suchasmartensiteandbainite，isfinelydividedbyfineacicularferriteandstaggeredlowerbainite，whichisbecauseeachlayerofweldingisalsoreheatedbythenextweldingprocesswhileprovidingpreheatingforthenextlayerofwelding，leadingtothenonuniformityofthemicrostructure.Throughtheanalysisofthebuttweldingdefectsofgrooves，itisshownthatthesedefectsaremainlynon-fusiondefectscausedbyinconsistentgapsduringcomponentassemblyonautomaticproductionlines.Therefore，thispaperproposeaprocessstrategythatcombinesmanualpartialpolishingandrobotweldingtoaddressthisissue，whichnotonlyprovidesatheoreticalbasisfortheweldingmethodofthecomponentsofhydraulicsupports，butalsoexpandstheapplicationrangeofweldingrobots.

KeyWords：Hydraulicsupport;Weldingofstructuralcomponents;Commondefect;Weldingprocess

液壓支架作為現(xiàn)代煤礦采掘的核心設(shè)備，通常采用復(fù)雜的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其焊接部位錯(cuò)綜復(fù)雜。在這些設(shè)備的生產(chǎn)過程中，焊接的品質(zhì)顯得尤為關(guān)鍵，這是因?yàn)楹附由系娜毕萃ǔＪ且簤褐Ъ芄收系闹饕颉１狙芯恐饕P(guān)注由Q690鋼制成的高級(jí)液壓支架頂梁，并采用超聲波等高級(jí)技術(shù)進(jìn)行焊接缺陷的檢測(cè)。對(duì)Q690鋼制液壓支架上常見的焊接缺陷進(jìn)行了詳盡的分析，如焊縫未熔合、氣孔、裂縫等，探究了這些缺陷產(chǎn)生的原因，并在此基礎(chǔ)上提出了有效的預(yù)防措施。

1液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接工藝研究

1.1實(shí)驗(yàn)條件及方法

本次實(shí)驗(yàn)使用了Q460等級(jí)的低合金高強(qiáng)度鋼作為試驗(yàn)材料，其板材尺寸規(guī)格為200mm長、75mm寬、20mm厚，設(shè)定了一個(gè)45°的單邊V型坡口，其中鈍邊寬度設(shè)為4mm，根部間隙為3mm[1]。為確保焊接區(qū)域的清潔，去除水分和油脂，坡口區(qū)域需用不銹鋼絲刷進(jìn)行徹底打磨。同時(shí)，在焊接過程中，焊縫必須與鋼板的軋制方向垂直對(duì)齊。在實(shí)驗(yàn)中，使用了直徑為1.2mm的MK-GHS-60型號(hào)焊絲。焊接任務(wù)是由華恒品牌的KUKA機(jī)器人執(zhí)行的，使用脈沖焊接電源進(jìn)行操作，采用氣體金屬電弧焊（GMAW）技術(shù)進(jìn)行多層多道焊接。焊接保護(hù)氣體采用80%的氬氣和20%的二氧化碳混合氣體，流量設(shè)置在15～20L/min。焊接前，坡口預(yù)熱溫度需達(dá)到100～150℃，且在整個(gè)多層焊接過程中，層間溫度需保持在100℃以上（如表1所示）。

焊接作業(yè)完成之后，對(duì)Q460級(jí)別的焊接試驗(yàn)鋼板沒有執(zhí)行任何熱處理程序，而是讓其在常溫下自然冷卻，并靜置24h。之后，采用機(jī)械方式截取了用于金相分析的試樣，這些試樣經(jīng)過砂輪磨平，再對(duì)樣品進(jìn)行拋光和腐蝕處理，為在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察和微觀結(jié)構(gòu)變化分析做好準(zhǔn)備。在拋光過程中，使用了氧化鉻和懸浮液作為拋光劑，而腐蝕處理則采用了5%硝酸酒精溶液作為腐蝕劑。

1.2金相試驗(yàn)結(jié)果與分析

低合金鋼焊縫的微觀結(jié)構(gòu)主要包括以下組成部分：一是共析鐵素體；二是針狀鐵素體、側(cè)板狀鐵素體；三是貝氏體和馬氏體。研究指出，以針狀鐵素體為主體并含有微量M-A相的焊縫顯示出優(yōu)異的機(jī)械性質(zhì)（如圖1所示）。本實(shí)驗(yàn)制作的多層多道焊接樣品焊縫形成良好，底層焊接區(qū)域的微觀組織以貝氏體為主，且結(jié)構(gòu)細(xì)膩。這是因?yàn)榈讓雍附訒r(shí)的熱輸入相對(duì)較低，導(dǎo)致奧氏體化過程中晶粒增長不顯著，而后續(xù)的焊接過程相當(dāng)于對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行了回火，進(jìn)而細(xì)化了這些組織。對(duì)于頂層焊接區(qū)域，由于熱輸入較大，奧氏體化晶粒顯著增長，熱影響區(qū)內(nèi)鐵素體含量增多，結(jié)構(gòu)較粗[2]。

底部焊縫由于后續(xù)的焊接步驟中的加熱作用，在靠近頂部的地方經(jīng)歷了第二次的固態(tài)相變，呈現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)變化。圖2（a）顯示了底部焊縫的微觀結(jié)構(gòu)，以下貝氏體和針狀鐵素體為主，具有較小的晶粒大小。圖2（b）揭示了靠近頂層的底部焊縫的微觀結(jié)構(gòu)，主要由下貝氏體和針狀鐵素體構(gòu)成，夾雜著少量的板條狀馬氏體，晶粒較粗大。這種現(xiàn)象的主要原因是在焊接過程中，再次加熱導(dǎo)致峰值溫度超過了Ac3點(diǎn)，從而引發(fā)了這種結(jié)構(gòu)變化。隨著接近頂層的距離逐漸減少，晶粒尺寸也相應(yīng)增大[3]。在焊接頂層區(qū)域，由于之前的焊道預(yù)熱作用，導(dǎo)致在冷卻階段高溫停留的時(shí)間相對(duì)較長，使得焊縫中的貝氏體和針狀鐵素體交錯(cuò)分布，如圖2（c）所示。

在多層多道焊接的過程中，焊縫內(nèi)的板條狀馬氏體和貝氏體等結(jié)構(gòu)被均勻地分散和細(xì)化，形成了針狀鐵素體和交錯(cuò)排列的下貝氏體。底層焊接對(duì)頂層焊接區(qū)域起到了預(yù)熱作用，而頂層焊接對(duì)底層焊接區(qū)域則有再加熱作用，造成了微觀組織的不均一性。底層焊接對(duì)頂層熱影響區(qū)的預(yù)熱減少了頂層粗晶區(qū)中板條馬氏體的生成，降低了淬硬傾向；而頂層焊接對(duì)底層熱影響區(qū)的再加熱和緩冷作用，使底層粗晶區(qū)形成更多的貝氏體結(jié)構(gòu)[4]。在進(jìn)行頂層焊接時(shí)，選擇較低的熱輸入旨在保證填充焊縫的同時(shí)，確保了焊接的成型質(zhì)量。因此，控制焊道數(shù)量和熔接寬度成為焊接過程中的關(guān)鍵考慮因素。

2常見液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接缺陷與解決措施

2.1支架結(jié)構(gòu)件焊接常見缺陷

2.1.1未熔合

未熔合主要表現(xiàn)為焊縫的根部未熔透和道間未熔合。根部未熔透通常是由以下因素引起的：拼接間隙過小，導(dǎo)致液態(tài)金屬無法充分填充；焊接電流設(shè)置過低或焊接速度過快，造成熱量不足，無法使母材完全熔化；焊縫根部存在氧化皮或未清除的油污；焊絲的擺動(dòng)角度不正確，使液態(tài)金屬無法正確地流入焊縫。對(duì)于液壓支架頂梁體蓋板，由于其多為壓型部件，壓型精度不足可能導(dǎo)致與主筋的拼裝間隙不均勻，進(jìn)而引發(fā)根部未熔透[6]。在焊接過程中，道間未熔合的原因包括焊接電流過低、焊接速度過快、焊道清理不充分等，或由于焊工的不當(dāng)操作，如前一道焊縫產(chǎn)生深的凹槽或下一道焊縫位置選擇不合適[7]。

2.1.2裂紋

在液壓支架的焊縫中，裂紋是最嚴(yán)重的缺陷，它常導(dǎo)致焊接接頭的疲勞斷裂。這類裂紋多出現(xiàn)在多層多道焊接的底層焊縫處。這些裂紋通常是熱裂紋，是由于焊縫在結(jié)晶和凝固過程中金屬收縮而造成的。當(dāng)鋼材或焊材中含有較高比例的雜質(zhì)，尤其是硫和磷等元素時(shí)，會(huì)增加裂紋產(chǎn)生的可能性。此外，低預(yù)熱溫度、過大的裝配間隙以及不適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)選擇也會(huì)提高裂紋形成的風(fēng)險(xiǎn)。預(yù)防措施：控制母材和焊材中硫、磷含量低于0.025%[8]；確保裝配間隙不超過2mm；為了保證焊接質(zhì)量，必須采取措施來正確選擇預(yù)熱溫度和焊接參數(shù)。例如：在處理Q690鋼時(shí)，需要確保將預(yù)熱溫度控制在150～200℃之間，并限制焊接電流不超過300A。

2.1.3氣孔

氣孔生成是液壓支架結(jié)構(gòu)件在進(jìn)行CO?氣體保護(hù)焊接時(shí)的一個(gè)常見問題，其原因主要包括氣體供應(yīng)不穩(wěn)定、氣體含水量高、電弧保護(hù)不充分、電弧過長、焊縫未徹底清潔或焊材氧化。這些因素都可能導(dǎo)致空氣進(jìn)入熔池，形成氣孔。氣孔會(huì)降低焊接區(qū)域的實(shí)際承載面積，破壞焊縫的連續(xù)性，從而嚴(yán)重影響液壓支架的焊接質(zhì)量和可靠性。為了預(yù)防氣孔的形成，在進(jìn)行液壓支架焊接時(shí)，應(yīng)避免使用帶有銹蝕的焊材，并確保在焊接之前將焊縫兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、水分、銹跡、氧化層及其他雜質(zhì)進(jìn)行徹底清理。

2.2解決措施

為避免焊接缺陷，在液壓支架構(gòu)件焊接時(shí)，應(yīng)確保組裝間隙控制在1～2mm范圍內(nèi)；焊接前需清除焊縫兩側(cè)20mm內(nèi)的油污、水分、銹蝕、氧化層及雜質(zhì)。焊接前對(duì)頂梁體進(jìn)行預(yù)熱至150～200℃，并在焊接后加溫至250℃，保持3h以進(jìn)行消氫。焊接應(yīng)從頂梁中心向兩側(cè)展開，以均衡應(yīng)力分布；焊縫與母材的連接處應(yīng)盡量平滑過渡，適當(dāng)調(diào)整焊槍的角度以達(dá)到最佳位置，確保焊絲的擺動(dòng)適中，并且密切觀察焊縫坡口兩側(cè)的熔化狀況。底部焊接時(shí)的電流應(yīng)設(shè)定在260～280U/R之間，而填充焊接階段的電流則應(yīng)在280～300U/R范圍內(nèi)。焊接速度維持在350～450mm/min之間。使用80%氬氣加20%二氧化碳的混合保護(hù)氣，流量控制在18～20L/min，確保氣體的干燥度。焊接環(huán)境應(yīng)保持空氣流動(dòng)平穩(wěn)，避免風(fēng)擾。在焊接過程中，為了確保電弧的正確性，需要及時(shí)調(diào)整焊絲的角度，并在必要時(shí)清理焊接的不同層次。

3結(jié)語

液壓支架作為一種包含復(fù)雜厚板箱體結(jié)構(gòu)的重要設(shè)備，在運(yùn)行中主要面臨動(dòng)態(tài)負(fù)荷，其中焊接部分的缺陷極易導(dǎo)致疲勞斷裂，從而縮短了其使用壽命。通過深入分析并采取一系列改進(jìn)措施，我們成功地提升了這些結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量，在實(shí)踐中顯著提高了其性能，這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)于公司未來同類產(chǎn)品的制造和質(zhì)量控制具有極大的參考價(jià)值。

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