焊接質(zhì)量對(duì)液壓支架質(zhì)量的影響分析

張 鈺

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電修造園區(qū)分公司， 山西 太原 030053）

引言

采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架號(hào)稱綜采工作面的“三機(jī)”，其是實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動(dòng)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。近年來，隨著采煤技術(shù)和采煤工藝的不斷進(jìn)度，對(duì)工作面綜采設(shè)備的性能提出了更高的要求。液壓支架作為綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用大大提升了工作面的安全性，為作業(yè)人員的人身安全提供了保障。由于液壓支架是由板材和型材組成的多腔室箱體梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致多處需要焊接，由于焊縫尺寸較大，最終導(dǎo)致支架的應(yīng)力集中且殘余應(yīng)力分布復(fù)雜，進(jìn)而使得在實(shí)際生產(chǎn)中液壓支架結(jié)構(gòu)件的焊接變形和開裂問題一直影響著支架的質(zhì)量和性能[1]。因此，需通過優(yōu)化焊接工藝控制焊接質(zhì)量繼而保證液壓支架的性能和質(zhì)量。

1 液壓支架焊接質(zhì)量現(xiàn)狀

液壓支架的結(jié)構(gòu)件開裂是導(dǎo)致其性能和支護(hù)強(qiáng)度下降的關(guān)鍵原因。經(jīng)分析可知，導(dǎo)致液壓支架結(jié)構(gòu)件開裂的原因主要包括有材料件選型不合格、結(jié)構(gòu)件應(yīng)力集中、焊接缺陷以及焊接工藝所導(dǎo)致的。其中，50%液壓支架結(jié)構(gòu)件的開裂是由于焊接缺陷和殘余應(yīng)力所導(dǎo)致，15%液壓支架的結(jié)構(gòu)件開裂是由于應(yīng)力集中和焊接工藝問題所導(dǎo)致。因此，65%液壓支架結(jié)構(gòu)件的開裂均是由于焊接質(zhì)量不合格所導(dǎo)致的[2]。因此，需對(duì)導(dǎo)致液壓支架焊接質(zhì)量不合格的原因進(jìn)行分析。

1.1 殘余應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件開裂

由于焊接工藝導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件中存在殘余應(yīng)力，當(dāng)其各處的殘余應(yīng)力總和大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，此時(shí)該區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生塑形變形，甚至導(dǎo)致零部件區(qū)域發(fā)生開裂現(xiàn)象。一般地，焊接所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)液壓支架的剛度、穩(wěn)定性、靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、加工硬度等造成影響。此外，殘余應(yīng)力還會(huì)加劇液壓支架的腐蝕[3]。

目前，針對(duì)焊接過程中所引起的殘余應(yīng)力，常通過錘擊焊縫區(qū)、預(yù)熱法、高溫回火、溫差拉伸法以及振動(dòng)時(shí)效法實(shí)現(xiàn)對(duì)殘余應(yīng)力的消除。

1.2 應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件開裂

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件開裂是由于設(shè)計(jì)安全系數(shù)過低，導(dǎo)致焊縫位置設(shè)計(jì)不合理，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中或者焊縫無法焊接，致使某些部位的局部強(qiáng)度過低，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件開裂。

1.3 焊接缺陷導(dǎo)致支架結(jié)構(gòu)件開裂

經(jīng)調(diào)研可知，實(shí)際焊接中常出現(xiàn)的缺陷主要表現(xiàn)為未融合和在焊縫中存在夾渣和氣孔等。上述焊接缺陷主要是由于作業(yè)人員在操作過程中操作不當(dāng)所造成的缺口效應(yīng)引起的。具體分析為：焊縫中的氣孔是由于焊接速度過快、保護(hù)氣體流量過小或者焊絲質(zhì)量不合格所導(dǎo)致的；焊縫未融合是由于焊接速度過快或者采用下坡焊的操作；焊縫中存在夾渣主要是在焊接過程中未按照工藝要求對(duì)其焊縫進(jìn)行處理所導(dǎo)致的。

2 焊接質(zhì)量的控制

經(jīng)研究可知，影響液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量的因素包括所采用的焊接方式、相關(guān)工藝參數(shù)、焊槍的操作方法以及焊接位置等。

可采用的焊接方式有手工電弧焊和熔化極混合氣體保護(hù)焊。綜合分析二者的優(yōu)劣勢(shì)，選擇最佳、應(yīng)用最為廣泛的焊接方式為熔化極混合氣體保護(hù)焊中的CO2氣體保護(hù)焊。

相關(guān)工藝參數(shù)包括有焊接電流、電弧電壓、焊接速度、保護(hù)氣體的成分和流量、極性、焊絲直徑以及焊絲的干伸長等。其中，隨著焊接電流越大對(duì)焊縫熔深的影響越大。電弧電壓越大，焊縫熔寬越大；電弧電壓越低，會(huì)導(dǎo)致焊絲插入熔池的現(xiàn)象發(fā)生；選取合理的（既不能最大也不能最?。┖附铀俣仁沟煤缚p熔深最大。經(jīng)研究，采用陰極焊槍可獲得更大的發(fā)熱量，能夠提高生產(chǎn)率，有利于熔敷金屬。保護(hù)氣體的流量一般在5～50 L/min，其具體值根據(jù)焊接電流、焊接速度以及作業(yè)環(huán)境確定[4]。

焊槍的操作方法主要有前進(jìn)焊和后退焊等。由于前進(jìn)焊的焊道較寬且熔深較小，因此采用后退焊的操作方式。

3 液壓支架焊縫的改進(jìn)設(shè)計(jì)

結(jié)合液壓支架實(shí)際應(yīng)用中常見的開裂部位及開裂原因，著重對(duì)危險(xiǎn)性最高結(jié)構(gòu)件的焊縫進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。因此，首先采用有限元分析方法確定液壓支架結(jié)構(gòu)件上的危險(xiǎn)部位和區(qū)域，并對(duì)該位置的焊接方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)其焊接質(zhì)量進(jìn)行控制。

3.1 液壓支架結(jié)構(gòu)的有限元分析

基于SolidWorks 軟件對(duì)液壓支架的模型進(jìn)行搭建，并根據(jù)ZY9600/25.5/55 型掩護(hù)式液壓支架參數(shù)對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)置。所搭建的不同工況下的簡(jiǎn)化結(jié)合模型如圖1 所示。

圖1 不同工況下的幾何模型

如圖1 所示，單側(cè)載荷工況下液壓支架的頂梁高度為3 175 mm，扭轉(zhuǎn)加載工況下液壓支架的頂梁高度為5 295 mm。，其對(duì)應(yīng)的有限元模型如圖2所示。

經(jīng)仿真分析可知，針對(duì)液壓支架在扭轉(zhuǎn)加載工況下，應(yīng)力最大的部位為柱窩處的主筋處、端板和頂板與蓋的連接位置處；針對(duì)液壓支架在單側(cè)載荷工況下，應(yīng)力最大的位置為支架的頂梁后部和掩護(hù)梁。

3.2 焊接工藝的改進(jìn)設(shè)計(jì)

液壓支架由于焊接工藝不合理所導(dǎo)致的應(yīng)力集中在很大程度上是由于其安全系數(shù)選擇不合理所引起的。因此，需對(duì)液壓支架結(jié)構(gòu)件的安全系數(shù)進(jìn)行重新確定。結(jié)合有限元分析結(jié)果及實(shí)際工況，推薦支架頂梁的安全系數(shù)為1.2，掩護(hù)梁的安全系數(shù)為1.5，連桿和后連桿及底座的安全系數(shù)為1.1[5]。

針對(duì)液壓支架頂梁主筋位置處、短板和頂板與蓋的連接位置處以及掩護(hù)梁焊接工藝從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

1）針對(duì)可采用一次裝配即可完成的焊接任務(wù)主要采用雙面角焊縫；

2）相鄰的箱體和腔室之間的筋板應(yīng)當(dāng)錯(cuò)開80 mm以上，從而有效避免了主筋板的應(yīng)力集中導(dǎo)致材料性能降低；

3）不在頂梁及掩護(hù)梁彎曲和扭轉(zhuǎn)截面上布置焊縫；

4）針對(duì)焊縫選擇較為困難的位置，應(yīng)盡量將焊縫布置在外側(cè)，而非箱體腔內(nèi)。

5）針對(duì)需采用V 型焊縫的位置，應(yīng)將焊縫坡口角度設(shè)定為40°。

6）對(duì)于結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度不足的位置，可通過增加箱體的圍成面積和增加頂板和蓋板提高其強(qiáng)度。

圖2 不同工況下的有限元仿真模型

4 結(jié)語

液壓支架作為綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，其在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用大大提升了工作面的安全性，為作業(yè)人員的人身安全提供了保障。在實(shí)際支護(hù)過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。經(jīng)分析可知，60%的結(jié)構(gòu)件開裂是由于焊接質(zhì)量不佳所導(dǎo)致的，因此對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行控制，并提出相應(yīng)的改進(jìn)焊接工藝的原則，為后續(xù)的焊接工作提供指導(dǎo)。