礦用液壓支架頂梁焊接變形控制措施實(shí)踐研究

溫 鵬

(晉能控股裝備制造集團(tuán)中央機(jī)廠，大同 云岡 037001)

煤礦開(kāi)采中液壓支架主要起到支撐作用，為煤礦正常開(kāi)采提供一個(gè)安全的空間[1]。液壓支架在工作時(shí)，外部作用力首先直接作用在頂梁結(jié)構(gòu)上，其重要性不言而喻[2]。頂梁主要通過(guò)鋼板焊接制作而成，焊接工藝的好壞直接影響其使用性能。傳統(tǒng)焊接中主要通過(guò)人工方式進(jìn)行焊接，這種模式不僅生產(chǎn)效率低，而且焊接工藝過(guò)程不穩(wěn)定，會(huì)影響頂梁結(jié)構(gòu)的使用性能[3-4]。人工焊接模式已然無(wú)法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)需要。目前很多液壓支架生產(chǎn)時(shí)都使用自動(dòng)化焊接技術(shù)，以此來(lái)保障焊接工藝過(guò)程的效率和質(zhì)量[5]。但自動(dòng)化焊接過(guò)程中，鋼板之間失去了剛性約束，有發(fā)生變形的傾向，所以有必要對(duì)自動(dòng)化焊接過(guò)程中頂梁的變形情況進(jìn)行深入的分析和研究，以提升其焊接質(zhì)量，保障液壓支架的安全穩(wěn)定[6]。

1 液壓支架頂梁焊接變形原因及形式

1.1 頂梁焊接變形原因

液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)整體較為復(fù)雜，主要通過(guò)鋼板焊接制作而成。眾所周知，焊接過(guò)程需要對(duì)焊縫局部區(qū)域進(jìn)行加熱然后冷卻，會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)受熱不均勻，即整個(gè)結(jié)構(gòu)不同部位之間存在溫度差，使得結(jié)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。焊接過(guò)程中焊縫部位需要快速加熱升溫，在熱脹冷縮作用下焊縫部位的材料會(huì)沿焊縫方向伸長(zhǎng)，但焊縫兩側(cè)溫度較低的金屬又會(huì)限制焊縫區(qū)域的伸長(zhǎng)。此時(shí)焊縫高溫區(qū)域受到壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力，而兩側(cè)低溫區(qū)域受到拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力。這種應(yīng)力就是典型的內(nèi)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)件并沒(méi)有承受外部作用力，完全是由于溫度不均勻而產(chǎn)生的內(nèi)部作用力。當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致頂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響頂梁結(jié)構(gòu)的裝配及其使用性能。

1.2 頂梁焊接變形形式

對(duì)于頂梁的焊接過(guò)程而言，其變形的主要原因是筋板與頂板焊接時(shí)引起的角變形，如圖1所示。從圖中可以看出，筋板本身沒(méi)有發(fā)生明顯的變形，只是發(fā)生了角度的改變，而頂板則發(fā)生了翹曲變形。

圖1 頂梁焊后變形示意

2 ZF13000型液壓支架頂梁焊接工藝方案

考慮到頂梁在液壓支架中占據(jù)的重要位置，對(duì)其焊接工藝提出了相對(duì)嚴(yán)格的要求，在整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程中頂梁焊接工作量非常大。在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中，頂梁主要通過(guò)人工進(jìn)行焊接。為了防止頂梁焊接裝配時(shí)發(fā)生過(guò)大的變形，通常需要先將頂板、主筋板和立板安裝成方形網(wǎng)格形狀，再進(jìn)行人工焊接。這種工藝條件下，焊接時(shí)鋼板之間存在明顯的相互約束作用，頂梁焊接變形相對(duì)較小。但人工焊接不僅生產(chǎn)效率較低且工藝質(zhì)量不穩(wěn)定，已然無(wú)法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)要求。為了提升液壓支架的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，目前普遍采用自動(dòng)化焊接技術(shù)。

采用自動(dòng)化焊接技術(shù)時(shí)，首先通過(guò)點(diǎn)焊的方式將頂板和主筋板進(jìn)行簡(jiǎn)單固定，再利用雙絲焊接工藝進(jìn)行自動(dòng)化焊接，最后將立板與主筋板、頂板進(jìn)行自動(dòng)化焊接，使之形成一個(gè)完整的頂梁結(jié)構(gòu)。自動(dòng)化焊接技術(shù)與人工焊接方式相比較，雖然在焊接過(guò)程中對(duì)溫度控制、速度控制等更加嚴(yán)格，引起的鋼板變形量相對(duì)較小，但從上述的工藝過(guò)程可以看出，利用自動(dòng)化焊接工藝時(shí)，焊接前并沒(méi)有將立板、頂板和主筋板裝配成立方網(wǎng)格形狀，因此在自動(dòng)化焊接過(guò)程中鋼板之間失去了剛性約束，有發(fā)生變形的傾向?；诖?，本文針對(duì)自動(dòng)化焊接新工藝進(jìn)行實(shí)踐研究，以ZF13000型液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)使用的Q690材料為對(duì)象，對(duì)其焊接變形情況進(jìn)行分析。

3 頂梁結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接過(guò)程實(shí)踐研究

3.1 焊接工裝設(shè)計(jì)

制作頂梁的鋼板非常厚，如果焊接過(guò)程中出現(xiàn)變形，后期矯正會(huì)存在很大困難，必須在焊接過(guò)程中對(duì)變形情況進(jìn)行嚴(yán)格控制。實(shí)踐中可以通過(guò)剛性固定方法將頂板牢牢固定在胎架上，如圖2所示。按圖所示方式進(jìn)行固定，可以有效避免自動(dòng)焊接過(guò)程中頂板發(fā)生變形。圖中已經(jīng)將主筋板通過(guò)點(diǎn)焊的方式固定在了頂板上。

圖2 工裝安裝示意

3.2 焊接實(shí)驗(yàn)過(guò)程

利用自動(dòng)化焊接工藝進(jìn)行施工時(shí)，首先需要對(duì)主筋板和頂板進(jìn)行焊接，再對(duì)隔板進(jìn)行裝配焊接。如果前期對(duì)主筋板和頂板進(jìn)行焊接時(shí)，發(fā)生了如圖1所示的翹曲變形且變形量較大，勢(shì)必會(huì)對(duì)后續(xù)焊接產(chǎn)生不利影響，最終影響頂梁的焊接質(zhì)量。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通常要求在完成第一道工序的焊接工作后，相鄰主筋板之間的距離誤差不得超過(guò)4 mm。焊接實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要如下：

1) 焊前準(zhǔn)備。首先根據(jù)ZF13000型液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸下料，然后在鋼板表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)就是測(cè)量點(diǎn)。在對(duì)主筋板和頂板進(jìn)行點(diǎn)焊裝配后，可以通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器對(duì)頂板的平面度進(jìn)行測(cè)量，利用塞尺對(duì)主筋板之間的間距進(jìn)行測(cè)量，使之滿足基本要求。完成測(cè)量工作后，將頂板和主筋板按圖2所示安裝到胎架上進(jìn)行固定。焊接之前還需要對(duì)待焊接部位進(jìn)行徹底清理，重點(diǎn)是除銹，確保焊縫部位干凈整潔。為了避免正式焊接過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)大的溫差而增加焊縫部位的內(nèi)應(yīng)力，需要對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱處理，要求預(yù)熱溫度不得低于100 ℃，預(yù)熱寬度為焊縫位置兩側(cè)各40 mm，通過(guò)氧乙炔火焰對(duì)焊縫進(jìn)行加熱。

2) 焊接工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中用到的設(shè)備主要包括數(shù)字化焊接電源、雙絲焊槍?zhuān)吞?hào)分別為QINEO PULSE 600和ZMW640-31，還有自動(dòng)送絲結(jié)構(gòu)。焊絲材料為HS-80。整個(gè)焊接過(guò)程需要完成四道工序：第一道為打底焊，第二、三道為填充焊，第四道為蓋面焊。層間溫度控制約在150 ℃，打底焊的焊接速度和焊接線能分別控制在700 mm/min和1.495 kJ/mm，填充焊和蓋面焊對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別為500 mm/min和2.094 kJ/mm。焊接電流和電壓方面，所有焊接工序前絲的電流和電壓分別為300 A和30 V，后絲的電流和電壓分別為260 A和29 V。焊接時(shí)，要求同時(shí)在主筋板的兩邊進(jìn)行焊接，且兩邊的焊接速度保持一致。

3) 自動(dòng)化焊接后的變形情況分析。完成所有焊接工作待鋼板徹底冷卻后，將其從胎架上取下，用塞尺對(duì)相鄰主筋板之間的距離進(jìn)行測(cè)量，所得結(jié)果如表1所示。

表1 焊接變形測(cè)量結(jié)果分析 mm

表中，H1、H2、H3表示4塊主筋板兩兩之間的距離，每?jī)蓧K板中間，分別在左中右、上中下取點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)間距共取9個(gè)點(diǎn)。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，所有測(cè)量點(diǎn)的變形大小均沒(méi)有超過(guò)4 mm，完全能夠滿足焊接工藝要求?？梢?jiàn)，利用本文所述的自動(dòng)焊接工藝對(duì)液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接是完全可行的。

4 結(jié) 語(yǔ)

ZF13000型液壓支架以其顯著的優(yōu)勢(shì)在煤礦領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。本文主要對(duì)該型號(hào)液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化焊接工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：①焊接過(guò)程會(huì)導(dǎo)致頂梁結(jié)構(gòu)整體受熱不均勻，焊縫位置溫度較高，承受壓應(yīng)力，焊縫兩側(cè)位置溫度相對(duì)較低，承受拉應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致頂梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，影響其使用性能；②利用自動(dòng)化焊接工藝對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)最大變形量控制在了4 mm，不僅顯著提升了焊接效率，同時(shí)也保障了焊接質(zhì)量。