工業(yè)機械設備加工過程中的焊接工藝分析

郝靜

（兗礦東華重工有限公司煤機裝備制造分公司，山東 濟寧 273500）

在煤礦開采中，液壓支架是很關鍵的機械設備，能夠保障煤礦安全，對煤礦生產(chǎn)意義深遠。近年來，煤礦業(yè)得到了長足的進步，所使用的采煤裝置越來越趨向于大型化。為了滿足發(fā)展需求，采煤設備中運用了許多先進的材料和技術(shù)。立柱系統(tǒng)在礦用液壓支架中承擔關鍵承力角色，必須具有高強度，立柱系統(tǒng)中中缸為關鍵部件，其力學性能要求較高。立柱中缸的結(jié)構(gòu)與其他部件不同，要利用焊接技術(shù)實施加工?，F(xiàn)階段，中缸優(yōu)先選用S890 鋼材進行制造，其強度和韌性都很高，在焊接方面存在一定的困難，若焊接加工工藝使用不合理，就會造成焊接質(zhì)量不合格，使其不能良好地發(fā)揮效用，導致液壓支架在工作時存在安全隱患。

1 液壓支架及其立柱結(jié)構(gòu)

液壓支架結(jié)構(gòu)的形式，可以分為三類：防護式、支架式和支架防護式。但是，無論是哪種類型的液壓支架，其關鍵部件區(qū)別不大，而立柱對液壓支架而言是極其重要的組成部分。從結(jié)構(gòu)來講，立柱頂端接連至液壓支架頂板，下端接連至液壓支架底板。經(jīng)由立柱、液壓支架本身的分量和頂板所負荷的巷道作用力被統(tǒng)統(tǒng)傳送至液壓支架底板，綜上所述，立柱對液壓支架裝置而言是不可或缺的承力部件。立柱系統(tǒng)主要由以下部分組成：底缸、中缸和活桿，三個組件的相對活動能夠完成立柱的伸縮，從而達成液壓支架式樣的變化。因為立柱在運作時要長期經(jīng)受沉重的外部負荷，所以，要求立柱每個組件具備良好的力學性能。若是力學性能達不到標準，又經(jīng)歷了長期的、高強度的負荷，極大程度上會發(fā)生折斷開裂，對液壓支架使用安全造成隱患。中缸是立柱的其中一個組件，其結(jié)構(gòu)繁雜，在生產(chǎn)和加工過程中要使用焊接步驟，務必要求焊接工藝更加嚴謹，保證焊接品質(zhì)。

2 立柱中缸焊接加工缺陷

焊接環(huán)節(jié)在立柱中缸制作和完善流程中是一個主要環(huán)節(jié)，焊接工藝對全部組件的力學功能有直接關系。S890 鋼材中包括許多合金，并且合金種類相當豐富。以碳當量計算方式為準，經(jīng)過計算，得出S890 鋼碳當量是0.63%。進行了有關實驗得出結(jié)果，如果材料的碳當量含量高出0.6%，那么，可焊性則達不到標準。S890 鋼在淬火時硬化能力較差，焊接和冷卻后極易產(chǎn)生裂痕、變軟和變脆。此外，因為立柱結(jié)構(gòu)相對特別，中缸焊接強度要達到大于650 兆帕的條件，必須確保其高質(zhì)量的焊接工藝。

3 立柱中缸焊接加工工藝的改進

3.1 實驗材料的選擇

（1）實驗材料。選用S890 鋼進行實驗，此鋼材用于制造立柱中缸，是無縫鋼管，鋼管直徑401 毫米，長63 毫米。S890 鋼的化學成分表參照表1。將鋼材進行淬火和高溫回火，按照拉伸實驗檢測得出，屈服強度820 兆帕，抗拉強度907兆帕，延伸率19%，零下20℃時，沖擊功為161 焦。

表1 S890 鋼材料的化學成分表 %

（2）保護性氣體。立柱中缸在運作時，因為要承擔的外部負荷比較沉重，所以其韌性要更強，必須能滿足工作要求，大熱輸入的焊接方法并不適用。另外，在焊接工藝的實用效果和經(jīng)濟效益方面，也要多加注意，根據(jù)實際狀況，最后選擇熔化極氣體保護焊焊接工藝。這樣的焊接方法需要用到保護氣體，該焊接中采用的保護氣體成分是φ（CO2）=20%、φ（Ar）=80%。

（3）焊材的選用。立柱中缸是關鍵的承力結(jié)構(gòu)，不但要有充分的強度，還必須具有較好的韌性。但是，材料的強度和韌性的標準卻是相互沖突的，材料的強度較大時，韌性一般不好；反之，如果材料的韌性優(yōu)異，強度值則達不到標準，若想使焊縫強度和韌性完美契合，防止產(chǎn)生一項標準很高，另一項標準很低的問題出現(xiàn)，所以，最后選用了低強度焊接材料。該焊材的運用，會將焊縫部分的碳含量和碳當量限定在合理范圍內(nèi)，保證焊縫強度不但可以達到設計需求，而且在一定程度上提高其抗變形能力，優(yōu)良的塑性是增強抗裂性能的根本。對各種焊材屬性進行分析比較，最后選擇了GHS-70 焊絲。焊絲的屈服強度是645 兆帕，抗拉強度是735兆帕，延伸率高達21%，零下40℃時沖擊功為91 焦。經(jīng)過實驗可以看出，GHS-70 焊絲材料與20%CO2+80%Ar（φ（CO2）=20%、φ（Ar）=80%）的保護氣體聯(lián)合運用，焊接質(zhì)量良好，焊縫部分的強度和韌性均達到了有效保證。

3.2 焊接工藝設計

（1）焊前準備。焊接前，要先把焊縫部位加工成“U”形，還要把焊縫周邊位置打掃干凈，清除殘渣，使其展現(xiàn)出金屬光澤。S890 鋼碳當量含量較大，并且在焊接過程中較易發(fā)生裂痕，因而，在開始焊接時，務必把準備用來焊接的焊料先加熱，為了使焊接更加方便快捷，初次焊接時的預熱溫度設定位125 ～150℃。經(jīng)過預熱處理，可以防止S890 鋼材料溫度發(fā)生快速改變，從而導致熱裂紋。

（2）焊接流程。本次所采用的焊接樣本是環(huán)形部件，因而運用環(huán)縫焊缸機實施焊接，采用保護性氣體20%CO2+80%Ar（φ（CO2）=20%、φ（Ar）=80%），通常運作情況下，氣體流量維持在16 至20 升/分鐘之間。

如果需要焊接區(qū)域偏廣，則有必要實施多道次焊接，道次為20 次，焊接過程中，每道次的把控溫度都必須嚴謹，每層的溫度不能超過250℃，焊接速度為0.5 毫米/秒，電流強度設置在315 安，電弧電壓設定為30 伏上下。完成全部的焊接步驟后，千萬不要水淬，使用棉被包裹住焊接部位，保持兩小時，采用此種方法可以有效減緩焊縫部位的冷卻速度。

4 立柱中缸焊接工藝優(yōu)化的效果研究

等到焊縫位置溫度與室內(nèi)溫度一致時，可依據(jù)相關準則，察看焊縫的焊接效果，焊縫部位沒有鮮明的瑕疵，表明焊接質(zhì)量出色。經(jīng)過48 小時后，使用超聲波無損探傷技術(shù)觀測焊縫區(qū)域，重點檢查焊縫內(nèi)部是不是有問題，檢查后，全部焊縫部位都沒有欠缺和瑕疵，質(zhì)量優(yōu)異。對焊縫位置的力學功能進行探討，按照相關規(guī)定，把焊縫部位鋼材制作成拉伸樣本和沖擊樣本，并遵循相關規(guī)定進行拉伸和沖擊測試。經(jīng)過室溫拉伸檢測，得出焊縫位置的抗拉強度高達730 兆帕，并且斷裂部位為焊縫區(qū)域；零下20℃時，焊縫中央部位沖擊功為100 焦，熱影響區(qū)部位沖擊功為95 焦上下。通過對立柱中缸進行焊接工藝加工，焊縫部位的抗拉強度大于650 兆帕，滿足相關標準，并且沖擊韌性較好。因而能夠確定焊接工藝設計良好，可以保證立柱中缸焊縫部位的強度和韌性，從而確保液壓支架的綜合使用效果。

5 結(jié)語

工程機械焊接工藝與普通焊接工藝相比，具有專業(yè)性強的特點，可以將機械焊接設備作為基礎，設計焊接工藝和焊接構(gòu)件，以滿足焊接的需求。液壓支架是煤礦開采過程中極其關鍵的機械設備，對煤礦的安全保障具有重要意義。先進焊接加工工藝的運用保證了焊接質(zhì)量，加強了液壓支架的使用性能，以達到使用安全的目的。