液壓支架焊接裂紋與控制方法研究

葛洋 黃桂芳 葛蔓

摘 要：液壓支架是煤礦采掘工作面的重要支護(hù)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)件復(fù)雜，制造要求高，焊接量大，但是由于焊接時容易產(chǎn)生焊接裂紋，影響液壓支架的使用壽命。本文針對煤礦液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接裂紋成因和控制措施進(jìn)行深入探究，提出了有效的控制焊接裂紋的控制措施，為支架焊接及其焊接裂紋預(yù)防提供了借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：液壓支架；焊接裂紋；控制措施

在液壓支架中，結(jié)構(gòu)件和油缸多由焊接組對而成，其中結(jié)構(gòu)件包括頂梁、掩護(hù)梁、四連桿、底座等箱體結(jié)構(gòu)，這些箱體由頂板、主筋板、立筋板、耳板、蓋板等組成；而油缸的缸體與缸底、活柱與活塞也是焊接而成，所以焊接是液壓支架制造的關(guān)鍵工藝，焊接的質(zhì)量將直接影響到液壓支架的使用壽命。焊接裂紋是焊接過程中最常見的缺陷之一，焊接裂紋將導(dǎo)致支架承載能力的下降，直接威脅礦山安全。本文主要分析了液壓支架在焊接過程中裂紋主要形式，焊接裂紋產(chǎn)生的原因，并針對焊接裂紋產(chǎn)生的原因制定了控制焊接裂紋的有效措施，為液壓支架生產(chǎn)過程中的焊接裂紋控制提供借鑒和指導(dǎo)。

1 液壓支架焊接裂紋分析

液壓支架的部件在焊接過程中容易產(chǎn)生缺陷，主要有焊接裂紋、未焊透、夾渣、氣孔和焊縫外觀缺陷等。這些缺陷減少焊縫截面積，降低承載能力，產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起裂紋，降低疲勞強(qiáng)度，易引起焊件破裂導(dǎo)致脆斷，其中危害最大的是焊接裂紋。

液壓支架焊接件產(chǎn)生的破壞事故大部分都是由焊接裂紋所引起的。焊接裂紋不僅減少了焊接接頭的工作截面，降低了焊接結(jié)構(gòu)的承載力，也構(gòu)成了嚴(yán)重的應(yīng)力集中，降低了結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，同時容易造成缸體的泄露，為日后使用留下了巨大的隱患。裂紋根據(jù)產(chǎn)生的機(jī)理可分為：熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋等。熱裂紋是在焊接過程中，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)時所產(chǎn)生的裂紋。熱裂紋可分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋三類，其中結(jié)晶裂紋是在液壓支架部件焊接過程中經(jīng)常出現(xiàn)的裂紋。再熱裂紋是焊后焊件在一定溫度范圍內(nèi)再次加熱（消除應(yīng)力熱處理或其它加熱過程）而產(chǎn)生的。再熱裂紋通常發(fā)生在熔合線附近的粗晶區(qū)中，從焊趾部位開始，延向細(xì)晶區(qū)停止。

2 液壓支架焊接裂紋產(chǎn)生的原因

液壓支架焊接裂紋容易出現(xiàn)在多層多道焊的打底焊縫（第一道焊縫）上，由于裂紋多出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部，且焊后立即出現(xiàn)裂紋，故一般屬于熱裂紋。此類裂紋主要是焊縫在結(jié)晶凝固至固相線附近，由于凝固金屬收縮時殘余液相不足，導(dǎo)致沿晶開裂而產(chǎn)生的裂紋。當(dāng)支架所用鋼材或焊材中雜質(zhì)含量較多（特別是硫、磷等）易出現(xiàn)此類裂紋；當(dāng)焊接預(yù)熱溫度低、拼裝間隙過大、焊接參數(shù)選擇不當(dāng)時也會增加此類裂紋的產(chǎn)生幾率。

液壓支架結(jié)構(gòu)件底座、頂梁、前梁、掩護(hù)梁等由厚度為12mm-40mm的鋼板焊接而成，鋼板材料多用16Mn鋼，16Mn鋼屬低合金高強(qiáng)度鋼，根據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的低合金結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量的計算公式，16Mn鋼的碳當(dāng)量：

當(dāng)CE<0.4%時，鋼材的塑性良好，通常情況下可焊性較好，但當(dāng)板厚、焊接應(yīng)力較大、環(huán)境溫度較低時，焊接16Mn鋼易產(chǎn)生裂紋，且通常產(chǎn)生于首道焊縫中心。屬結(jié)晶裂紋，裂紋的產(chǎn)生有以下幾方面的原因：

第一，焊接應(yīng)力。焊接過程中焊接接頭區(qū)域受不均勻加熱和冷卻的作用，其膨脹和收縮受四周冷金屬的約束不能自由進(jìn)行，因此產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊接變形；鋼板厚度越大，剛性越大，焊后產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，當(dāng)焊接應(yīng)力足夠大時，導(dǎo)致產(chǎn)生焊接裂紋，甚至造成脆斷。

第二，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠合理。造成焊接裂紋的一個重要原因是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠合理，有的地方造成應(yīng)力集中，有的焊縫強(qiáng)度未經(jīng)過詳細(xì)核算造成強(qiáng)度不夠，在一些構(gòu)件截面改變的地方，沒有設(shè)計成平緩過渡，而形成夾角，不同板厚構(gòu)件的對接接頭未能采用圓滑過渡，有些焊縫過大等。

第三，零件加工裝配不合理。液壓支架裝配過程中，有時由于零件尺寸加工誤差，板件校平不夠，有時強(qiáng)行裝配，造成很大的拘束；有時尺寸不夠，靠焊縫來填補(bǔ)，造成應(yīng)力集中，在對接和角接時，由于存在外部作用和拉伸應(yīng)力時，很容易產(chǎn)生焊道下裂紋。裝焊次序十分重要，有時裝配工人為了圖省事，不按規(guī)定順序來裝配，也容易產(chǎn)生焊接裂紋。

3 液壓支架焊接裂紋控制措施

第一，液壓支架焊前的預(yù)熱。在液壓支架實際焊接過程中，我們?yōu)榱吮Ｕ鲜軣峋鶆?，部件裝配、點組后，應(yīng)采取整體預(yù)熱的方式進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度一般在150℃～200℃。等到預(yù)熱后要及時焊接，這個溫度應(yīng)該控制在130℃～150℃之間。預(yù)熱以降低冷卻速度，一般冷卻速度升高，焊縫金屬的應(yīng)變速率也增大，容易產(chǎn)生熱裂紋。預(yù)熱對于降低熱裂紋傾向比較有效，因為預(yù)熱改變了焊接熱循環(huán)， 能減慢冷卻速度，增加偏析傾向。

第二，從工藝方面減少焊接應(yīng)力。選擇合理的焊接順序，焊接順序應(yīng)盡量使焊縫的縱向收縮和橫向收縮比較自由，不受較大拘束拼板時，先焊錯開的短焊縫，后焊直通的長焊縫。在焊接中宜采用先焊橫向焊縫，再焊縱向焊縫，最后焊垂直角焊縫這個原則，并盡量采用對稱中分式方法焊接。在出現(xiàn)收縮應(yīng)力導(dǎo)致開裂的時候，我們應(yīng)至少組成兩半焊接且方向相反。另外，同時需要注意的是主筋板和蓋板的焊縫要壓過蓋板坡口斜邊和主筋的垂直邊，在最后一層焊縫應(yīng)先焊與母材相接的焊道，最后焊中間焊道。

第三，盡量減少應(yīng)力集中。從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計到整個焊接過程中都應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中。從設(shè)計方面應(yīng)注意坡口形狀、配合間隙、壁厚差過渡、便于施焊等，從工藝方面應(yīng)注意在焊縫交叉處留釋放應(yīng)力孔，長焊道采用分段焊，裝配順序合理，復(fù)雜構(gòu)件要掌握合理的施焊順序，避免大電流焊接等等。

4 結(jié)論

在液壓支架焊接時，焊接裂紋是最常見的焊接缺陷，為了把焊接裂紋帶來的影響降到最低，通過分析焊接裂紋的類型和產(chǎn)生焊接裂紋的主要原因，制定了控制焊接裂紋的主要措施。在焊前選用合適的焊絲，采用合理的焊接工藝，必要時進(jìn)行焊前預(yù)熱或后熱；同時，焊接時接頭必須干燥，點焊不應(yīng)該太深，點焊位置應(yīng)使其在施焊時能夠重新熔合，從而為減少焊接裂紋，控制焊接質(zhì)量，確保液壓支架的承載和質(zhì)量提供了指導(dǎo)和借鑒。

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