液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接工藝研究

厲 華

0 引言

隨著液壓支架設(shè)計(jì)向技術(shù)含量大、自重輕型化、材質(zhì)高強(qiáng)化的方向發(fā)展，液壓支架使用的低合金結(jié)構(gòu)鋼鋼板由七八十年代的Q345（50 kg 級(jí)）發(fā)展到了九十年代的Q420（55 kg 級(jí)）、Q460（60 kg 級(jí)）。近幾年來(lái)，由于大工作阻力液壓支架和薄煤層液壓支架的快速發(fā)展，Q550（70 kg 級(jí)）、Q690（80 kg 級(jí)）鋼材得到了較多采用。這些高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼材隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高，焊接性能變差，脆性增加，焊接應(yīng)力較難消除[1]，對(duì)焊接作業(yè)環(huán)境、焊接設(shè)備、焊接材料、焊接作業(yè)人員等焊接作業(yè)條件和焊接電流、焊接電壓、預(yù)熱措施、焊后熱處理方法等工藝參數(shù)以及焊接過(guò)程的控制措施都提出了更高的要求。

大同煤礦集團(tuán)公司中央機(jī)廠從2006 年制造ZY6400/12/28 型液壓支架首次使用Q690、Q550 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板開始，到2008 年制造ZF15000/27.5/42 型放頂煤液壓支架、2011 年制造ZY6200/9.5/17 型液壓支架、ZZ5200/12/23 型液壓支架，大幅度使用了強(qiáng)度等級(jí)為700 MPa 以上高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼。面對(duì)這種情況，筆者對(duì)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接工藝進(jìn)行了反復(fù)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)真研究，取得了一些成果。

1 焊接工藝試驗(yàn)

為了得到焊接最佳工藝參數(shù)，在不同的工作環(huán)境，選用不同的焊接設(shè)備，采用高強(qiáng)匹配、等強(qiáng)匹配、低強(qiáng)匹配3 種方法，選用不同的焊接材料以及不同的焊接工藝參數(shù)制作了大量試件，進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、金相分析，掌握了大量的第一手資料；再結(jié)合多年來(lái)液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接經(jīng)驗(yàn)，制定出了一套行之有效的焊接工藝規(guī)范，經(jīng)過(guò)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)效果非常好。

2 焊接工藝確定

2.1 焊接作業(yè)環(huán)境要求

大同地處高寒區(qū)，氣候寒冷多風(fēng)，一年里長(zhǎng)時(shí)間處于風(fēng)沙肆虐之中，晝暖夜寒，平時(shí)風(fēng)力也在3～4級(jí)，7～8 級(jí)大風(fēng)習(xí)以為常。根據(jù)多年來(lái)的實(shí)踐及實(shí)驗(yàn)證明，液壓支架結(jié)構(gòu)件高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接在該地區(qū)必須滿足以下工作環(huán)境要求：

(1)焊接必須在車間內(nèi)進(jìn)行，且工作場(chǎng)地必須距車間大門5 m 以上，以滿足氣體保護(hù)焊風(fēng)速≤2 m/s的要求。若遇大風(fēng)天氣，焊接工作現(xiàn)場(chǎng)還需設(shè)防風(fēng)棚或其他防風(fēng)措施，天熱使用風(fēng)扇時(shí)氣流不得對(duì)著施焊處。

(2)焊接作業(yè)區(qū)溫度不得低于5 ℃。若低于5 ℃時(shí)，應(yīng)將構(gòu)件始焊部位1 m 范圍內(nèi)各方向大于2 倍板厚厚度且不小于100 mm 范圍內(nèi)的母材加熱到20℃以上方可施焊，其他部位通過(guò)焊接自身溫度確保不低于20℃。

(3)焊接作業(yè)區(qū)相對(duì)濕度不得大于90%。當(dāng)焊件表面潮濕或有冰雪覆蓋及雨雪天氣不滿足要求時(shí)，應(yīng)采取加熱去濕措施，即對(duì)需要焊接的區(qū)域用氧-乙炔火焰進(jìn)行整體性烘干，除去焊縫兩邊的水蒸氣。

2.2 對(duì)焊接作業(yè)人員的要求

(1)參與焊接的作業(yè)人員必須經(jīng)培訓(xùn)合格并持有在有效期內(nèi)的焊工合格證方可從事焊接。

(2)凡未取得焊工合格證或新從事焊接作業(yè)的焊工必須簽訂《師徒合同》，在師傅指導(dǎo)下從事一些非重要零件的焊接（如膠管卡、閥連接板），不得單獨(dú)頂崗。學(xué)徒期滿經(jīng)培訓(xùn)合格后方可單獨(dú)上崗。

(3)工廠應(yīng)經(jīng)常對(duì)焊工進(jìn)行新工藝、新設(shè)備方面的技術(shù)培訓(xùn)，不斷提高焊工業(yè)務(wù)水平和操作能力。未經(jīng)培訓(xùn)合格不得從事新工藝、新設(shè)備方面的操作。

2.3 對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求

(1)焊機(jī)主機(jī)所有金屬外殼必須可靠接零或接地，以防觸電事故的發(fā)生。

(2)焊接主機(jī)各調(diào)節(jié)手把應(yīng)靈活，焊接條件調(diào)節(jié)范圍廣，擁有焊接參數(shù)存儲(chǔ)、顯示功能。

(3)焊接電纜必須絕緣良好，外皮不得有破損，不得用金屬體代用地線。

(4)一次電源、二次電源接線柱必須安全可靠。

(5)焊機(jī)監(jiān)視儀表（電流表、電壓表、減壓器）要求處于校準(zhǔn)狀態(tài)。

(6)為了保證焊接有穩(wěn)定可靠的焊接性，應(yīng)優(yōu)先選用逆變式弧焊機(jī)及CO2氣體保護(hù)焊機(jī)[2]。

2.4 對(duì)生產(chǎn)工裝的要求

(1)焊接工裝必須牢固可靠，且可多方向調(diào)整。

(2)焊接工裝必須滿足產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)平角焊及平焊的需求。

2.5 對(duì)焊接材料的要求

(1)焊接必須使用合格供方產(chǎn)品。供方必須具備生產(chǎn)許可證，產(chǎn)品隨行文件齊全，并定期對(duì)供方進(jìn)行評(píng)審。

(2)首次使用的焊接新材料或母材，必須進(jìn)行焊接性能試驗(yàn)及可焊工藝性試驗(yàn)（含拉力試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)），合格后方可投入使用。

(3)焊接材料的防護(hù)應(yīng)采取防潮、防銹措施。使用前必須對(duì)焊條進(jìn)行正確烘干。銹蝕變質(zhì)的材料不得投入重要焊縫使用[3]。

(4)鍍銅焊絲的鍍銅層要均勻光滑，不應(yīng)有脫落現(xiàn)象。焊絲表面不得有毛刺、劃痕、銹蝕和氧化皮等[3]。

(5)焊接使用保護(hù)氣體純度≥99.5%，水分含量≤0.005%。

(6)鋼材焊接材料的選用一般采用等強(qiáng)匹配的原則[2]。

2.6 對(duì)施焊工藝的要求

2.6.1 施焊前的準(zhǔn)備工作

（1）施焊前必須認(rèn)真閱讀產(chǎn)品圖紙及工藝文件，熟記焊接部位及焊接尺寸要求，發(fā)現(xiàn)有不理解或不清楚部分，必須及時(shí)與班組長(zhǎng)及主管技術(shù)人員聯(lián)系，以求得正確解答和必要的更正。

（2）施焊前，必須認(rèn)真檢查施焊現(xiàn)場(chǎng)5 m 范圍內(nèi)有無(wú)易燃易爆物體。

（3）施焊前，必須按要求對(duì)焊接作業(yè)環(huán)境、焊接設(shè)備、焊接工裝等進(jìn)行必要的檢查。

（4）施焊前，必須用鋼絲刷或角磨機(jī)對(duì)焊接部位20 mm 范圍內(nèi)的油污、鐵銹進(jìn)行清理，并用氧乙炔火焰進(jìn)行局部預(yù)熱烘干（焊縫周圍100 mm 范圍）。

2.6.2 焊接作業(yè)過(guò)程

2.6.2.1 焊機(jī)的選用

支架焊接選用CO2半自動(dòng)焊機(jī)，設(shè)備規(guī)格為500型～600 型。

2.6.2.2 焊絲的選用

①Q(mào)345，選用H08Mn2SiA (I)CO2鍍銅焊絲（實(shí)心）。

②Q420，選用H08MnSiA 藥芯焊絲或?qū)嵭腻冦~焊絲。

③Q460，選用GHS-60 高強(qiáng)度CO2實(shí)芯焊絲。

④Q550，選用GHS-70 高強(qiáng)度CO2實(shí)芯焊絲。

⑤Q690，選用GHS-80 高強(qiáng)度CO2實(shí)芯焊絲。根據(jù)我廠多年的生產(chǎn)實(shí)際需求，支架焊接一般統(tǒng)一選用φ1.2 mm 焊絲。

2.6.2.3 焊前預(yù)熱方法選擇

本著既保證產(chǎn)品質(zhì)量，又降低成本，改善焊工工作條件的原則，對(duì)Q690 與Q690、Q690 與Q550、Q690 與Q460、Q550 與Q550、Q550 與Q460、Q460與Q460 等多種不同強(qiáng)度鋼板組焊方式，分別采用了不預(yù)熱、氧-乙炔火焰局部預(yù)熱、加熱爐整體預(yù)熱3種工藝方案進(jìn)行了施焊。

以Q690 為主的鋼板焊接，必須入加熱爐整體進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度150℃～200℃；且焊接過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行點(diǎn)溫計(jì)監(jiān)測(cè)層間溫度，低于100℃時(shí)應(yīng)重新入爐加熱至150℃～200℃。Q550 以下強(qiáng)度等級(jí)的鋼板不必進(jìn)行入爐預(yù)熱措施，開始焊接前用氧-乙炔火焰對(duì)始焊部位焊縫兩側(cè)80 mm～100 mm 范圍內(nèi)預(yù)熱1.5 m～2 m，溫度150℃～200℃，以提高始焊溫度，施焊過(guò)程通過(guò)焊接自身電阻熱保證層間溫度80℃～100℃之間。

2.6.2.4 焊接過(guò)程控制

為了保證預(yù)熱效果，使焊件層間溫度滿足焊接要求，焊接過(guò)程廢棄了過(guò)去長(zhǎng)期使用的單人包件制，改為作業(yè)小組包件制，即3～4 人組成一個(gè)作業(yè)小組，對(duì)同一工件預(yù)熱后不間斷連續(xù)焊接，中間采取多人輪換方法，直至該道焊接工序組件全部焊接完畢進(jìn)入焊后熱處理為止。

焊接采用兩人對(duì)稱焊接方法控制焊接變形。且要求加強(qiáng)焊接工藝監(jiān)控，嚴(yán)格限定焊接電流，防止電流太小產(chǎn)生未熔合，未焊透現(xiàn)象；電流太大導(dǎo)致焊縫熱影響區(qū)增大，焊縫嚴(yán)重脆化，造成焊縫開裂。

2.6.2.5 焊接電流及電弧電壓選定

①δ12 mm 以下鋼板，選用240 A～260 A 焊接電流，25 V～27 V 電弧電壓。

②δ12 mm～δ20 mm 鋼板，選用280 A～320 A 焊接電流，30 V～32 V 電弧電壓。

③δ＞20 mm～25 mm 鋼板，選用330 A～350 A 焊接電流，33 V～35 V 電弧電壓。

④δ＞25 mm 鋼板，選用350 A～380 A 焊接電流，36 V～38 V 電弧電壓。

打底焊為了保證焊透，蓋面焊為了便于鋼水流動(dòng)、表面美觀，應(yīng)采用較大電流；填充焊為了減小焊接熱輸入，防止變形和減小應(yīng)力，應(yīng)采取較小電流。

2.6.2.6 其他工藝參數(shù)選定

干伸長(zhǎng)度L=17 mm～22 mm；送絲速度V=16 m/min～20 m/min；氣體流量1 150 L/h～1 250 L/h。

2.6.2.7 焊接

焊接采用多層多道焊（見圖1）。

圖1 多層多道焊示意

焊角高12 mm，焊接層數(shù)3～4 層，6～10 道；焊角高15 mm，焊接層數(shù)4～5 層，10～15 道；焊角高20 mm，焊接層數(shù)5～6層，15～20道；焊角高25 mm，焊接層數(shù)6～7層，20～26道。其中，打底焊3 mm～4 mm，填充焊每層3 mm～4 mm，蓋面焊2 mm～3 mm。

2.6.2.8 焊接順序及形式

為了防止焊接變形，降低焊接應(yīng)力，焊接采用先焊立焊縫、后焊橫焊縫，先焊短焊縫、后焊長(zhǎng)焊縫的順序。在液壓支架焊接中按下列順序進(jìn)行。

①為使支架形成一個(gè)整體框架，在整體施焊前應(yīng)對(duì)頂（底）板與主（立）筋焊縫平焊4 mm～5 mm 一層，防止在調(diào)運(yùn)過(guò)程造成定位焊縫開裂。

②采用平角焊方法焊接各立筋板與主筋板的立向焊縫，即圖2 中的H1（采用兩次反轉(zhuǎn)方法分別施焊筋板兩側(cè)焊縫）。

③采用平角焊方法焊接主筋與頂（底）板寬度方向的焊縫，即圖2 中的H2（采用兩次反轉(zhuǎn)方法分別施焊主筋板兩側(cè)焊縫）。

④采用平角焊方法焊接主筋與頂（底）板長(zhǎng)度方向焊縫，即圖2 中的H3。

圖2 焊縫位置類型示意

①②③④焊接工序完成后，轉(zhuǎn)鉚工組點(diǎn)區(qū)蓋蓋板。

⑤采用平焊方法施焊蓋板與主筋板填平焊縫，先焊寬度方向，再焊長(zhǎng)度方向。

⑥采用平角焊方法施焊蓋板與主筋板角焊縫，先焊寬度方向，再焊長(zhǎng)度方向。

⑦采用平焊方法施焊蓋板其他焊縫。

⑧轉(zhuǎn)機(jī)加工鏜削連接孔。

⑨焊接其他附屬零件后交驗(yàn)。

2.6.2.9 焊后熱處理方法選用

應(yīng)執(zhí)行以下措施：

①Q(mào)690 鋼板為主要母材制成的工件，每一道工序焊接完畢都必須馬上入爐進(jìn)行焊后熱處理，加熱溫度450℃～500℃，保溫2.5 h 后將工件運(yùn)至避風(fēng)部位空冷至常溫再進(jìn)入下一道工序組點(diǎn)。

②Q550 鋼板為主要母材制成的工件，主要零件焊接時(shí)，重要焊縫必須立即入爐進(jìn)行焊后熱處理，加熱溫度450℃～500℃，保溫2.5 h 后將工件運(yùn)至避風(fēng)部位空冷至常溫。

2.6.2.10 焊接過(guò)程自檢與互檢

①施工前，應(yīng)認(rèn)真檢查定位焊質(zhì)量（焊點(diǎn)長(zhǎng)度15 mm～20 mm，間隔250 mm～300 mm，組點(diǎn)間隙≤2 mm），若發(fā)現(xiàn)定位焊質(zhì)量不合格，需及時(shí)找有關(guān)人員進(jìn)行處理（返修或更換零件）。

②施焊前，必須認(rèn)真檢查驗(yàn)證鉚工組點(diǎn)合格驗(yàn)收標(biāo)識(shí)，無(wú)標(biāo)識(shí)者不得投入施焊。

③焊工每焊完一道一層，必須認(rèn)真清理焊縫周圍的焊瘤、飛濺物，若發(fā)現(xiàn)有焊接缺陷，必須用角磨機(jī)將不合格部位清理后重新施焊。

④焊工每焊完一道工序，經(jīng)自檢合格后交付專職檢驗(yàn)員驗(yàn)收合格并做出標(biāo)識(shí)后方可轉(zhuǎn)入下道工序組點(diǎn)、施焊。

⑤整件產(chǎn)品焊接完畢，焊工必須在規(guī)定部位用電弧燒出焊工編號(hào)后方可交付檢驗(yàn)以便于追溯。

⑥產(chǎn)品完工后必須經(jīng)專職檢驗(yàn)人員驗(yàn)收合格方可出廠，對(duì)于圖3 所示的重要焊縫還需進(jìn)行探傷處理。焊縫質(zhì)量要求達(dá)到GB 3323-87 規(guī)定的Ⅱ級(jí)以上焊縫要求[4]。

圖3 液壓支架重要焊縫示意

3 結(jié)論

該工藝自2006 年以來(lái)，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐，多次修改，已逐步趨向完善，先后用于大板厚、大采高、大噸位、大工作阻力液壓支架焊接及小板厚、超輕型薄煤層液壓支架焊接，均取得了良好的效果。但是高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接情況復(fù)雜多變，裂紋及強(qiáng)韌性問(wèn)題尤為突出，控制各種焊接因素使焊接區(qū)形成高強(qiáng)度高韌性焊接接頭，金屬藥芯焊絲具有調(diào)整母材合金金屬成分的優(yōu)點(diǎn)，是高強(qiáng)度焊材的發(fā)展方向。

[1]王笑天.金屬材料學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

[2]俞尚知.焊接工藝人員手冊(cè)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1991.

[3]楊道明，朱勛.金屬力學(xué)性能與失效分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[4]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2001.