立柱缸筒焊縫收縮的危害與預(yù)防

張 超

山東萊蕪煤礦機(jī)械有限公司 山東濟(jì)南 271100

液壓支架是井下開采的重要支護(hù)設(shè)備，主要用于支撐來自頂板的壓力。立柱則是液壓支架承載頂板壓力的重要部件之一，它將支架頂梁和底座連接起來，用于液壓支架承受頂板載荷和調(diào)節(jié)支護(hù)高度。立柱是支架的承壓部件，由于長期處于高壓受力狀態(tài)，除應(yīng)具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，還必須有足夠的抗壓、抗彎能力及良好的密封性能。所以在立柱的制造與安裝過程中，就必須消除潛在危害對設(shè)備的影響。其中立柱缸筒與缸底的焊縫收縮帶來的危害對立柱的使用影響較大，因此，有必要對此問題進(jìn)行深入研究。

1 數(shù)據(jù)分析

無論何種結(jié)構(gòu)形式的立柱，其中缸體和活柱最后一道導(dǎo)向環(huán)的位置總是靠近缸筒焊縫。山東萊蕪煤礦機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)的立柱，中缸筒最后一道導(dǎo)向環(huán)的位置距缸底焊縫 23 mm，但缸底焊縫的收縮范圍卻在離焊縫中心 30～50 mm，導(dǎo)向環(huán)正好處在焊縫收縮范圍內(nèi)，如圖 1 所示。以缸底焊縫收縮危害與解決措施為目標(biāo)，在制造的 5 個(gè)立柱的中缸筒分別與缸底完成焊接并充分冷卻后，測量其在最后一道導(dǎo)向環(huán)處內(nèi)孔的焊接收縮量，如表 1 所列。

圖1 中缸筒裝配Fig.1 Assembly of middle cylinder

表1 中缸筒焊接后的收縮量Tab.1 Shrinkage amount of welded middle cylinder mm

由圖 1 可知，中缸筒的內(nèi)孔尺寸公差為φ270 H9，活塞導(dǎo)向環(huán)溝槽的尺寸公差為φ265 f9，導(dǎo)向環(huán)的厚度尺寸公差為，因此導(dǎo)向環(huán)處的正常設(shè)計(jì)尺寸間隙為 0.056～0.476 mm。而經(jīng)過焊接中缸底后測量的缸筒的實(shí)際內(nèi)孔平均尺寸為φ269.806，則導(dǎo)向環(huán)處的實(shí)際配合尺寸公差為 -0.138～+0.152。

2 缸底焊縫收縮帶來的危害

2.1 較大的啟動(dòng)壓力

由于中缸底和中缸筒的焊接收縮，可能會導(dǎo)致導(dǎo)向環(huán)與中缸筒配合上產(chǎn)生 13.8 μm 的過盈，致使活柱上的導(dǎo)向環(huán)和中缸筒安裝較緊，增大了活柱的啟動(dòng)壓力。乳化液進(jìn)入外缸后中缸首先伸出，而在中缸的液體壓力達(dá)到底閥的開啟壓力后，底閥打開液體進(jìn)入中缸筒內(nèi)推動(dòng)活柱伸出。在國標(biāo)中規(guī)定立柱在空載無背壓情況下，活塞腔的啟動(dòng)壓力應(yīng)小于 3.5 MPa，而在上述試驗(yàn)的 5 組缸體打壓試驗(yàn)過程中，活柱的啟動(dòng)壓力均在 7 MPa 以上，4 號中缸活柱在達(dá)到了 20 MPa 后才伸出，但伸出的過程中出現(xiàn)不平穩(wěn)的竄動(dòng)現(xiàn)象。

2.2 擠碎導(dǎo)向環(huán)

導(dǎo)向環(huán)的使用條件是缸體和它之間有合適的配合間隙，這個(gè)間隙不能太大，太大起不到活塞的導(dǎo)向作用，同樣間隙也不能太小，間隙太小缸筒和導(dǎo)向環(huán)摩擦加劇，降低導(dǎo)向環(huán)的使用壽命。缸底與缸筒焊縫的焊接造成缸筒收縮，使得導(dǎo)向環(huán)與缸筒之間的配合間隙變?yōu)檫^盈配合。這樣不僅造成導(dǎo)向環(huán)的摩擦加劇，而且在中缸、活柱強(qiáng)制縮回過程中，導(dǎo)向環(huán)經(jīng)過缸筒收縮量最大的部位時(shí)，會擠碎導(dǎo)向環(huán)。導(dǎo)向環(huán)失效對立柱的使用是致命的，會造成立柱串液、劃傷缸體等危害。

2.3 嚴(yán)重的收縮會劃傷缸體

活塞密封需要較小的擠出間隙，因此活塞密封兩側(cè)的擋邊尺寸就會設(shè)計(jì)的較大，缸體的內(nèi)徑為φ270，其活柱密封兩側(cè)的擋邊尺寸為φ269.4，其和中缸體內(nèi)孔的安裝間隙很小，同時(shí)擋邊尺寸位置也處在焊縫收縮范圍內(nèi)。在加工過程中，如遇到缸體內(nèi)孔橢圓或活塞密封兩側(cè)擋邊外圓橢圓情況下，再加上缸體內(nèi)孔本身的焊接收縮，活塞密封兩側(cè)擋邊就會對缸體造成劃傷，劃傷的翻出尖銳毛邊同時(shí)會把活塞密封刮傷，導(dǎo)致活塞密封失去應(yīng)有的密封效果。

3 預(yù)防措施

3.1 采用窄間隙焊接

目前缸筒焊縫均采用二保焊的自動(dòng)環(huán)焊機(jī)，缸筒和缸底焊縫均使用普通鈍邊 U 形焊縫，底部園弧半徑為 6 mm，坡口面的角度為 20°，整個(gè)坡口角度較大。因?yàn)楦淄脖谳^厚，在同等角度下焊接坡口寬度達(dá)到了 35 mm。填滿坡口焊縫的焊接量大，焊接熱輸入高，焊接熱影響區(qū)大，導(dǎo)致缸筒焊接應(yīng)力高，焊后變形大。缸筒在焊接冷卻后勢必造成缸筒內(nèi)徑收縮，同時(shí)熱影響區(qū)帶來的脆化現(xiàn)象突出。要解決這一系列問題就需要使用窄間隙自動(dòng)環(huán)焊機(jī)焊接。窄間隙焊接尺寸如 2 所示。窄間隙焊接采用較小的焊接坡口，優(yōu)點(diǎn)是焊縫填充小，可以節(jié)約 30% 以上的焊絲[1]，熱影響區(qū)范圍窄，焊接應(yīng)力小，缸筒變形小。同樣再取 5 組中缸做窄間隙焊縫焊接試驗(yàn)，結(jié)果如表 2 所列。通過和表 1 數(shù)據(jù)對比，采用窄間隙焊接后，最大收縮的 1 號缸和采用普通焊縫最大收縮的 4 號缸減少收縮量 0.18 mm。

表2 中缸筒采用窄間隙焊接的收縮量Tab.2 Shrinkage amount of middle cylinder with narrow-gap welding seam mm

圖2 窄間隙焊縫尺寸Fig.2 Dimension of narrow-gap welding seam

3.2 缸底止口配合采用過盈配合

為便于獲得缸底和缸筒較高的同軸度，缸底和缸筒裝配形式為止口配合安裝。缸底止口伸入缸筒內(nèi)形成間隙配合安裝[2]，這樣能夠保證缸底和缸筒的同軸度。缸筒的尺寸為φ270 H9，缸底止口外圓的尺寸為φ270 g7，二者配合最小間隙為 0.017 mm，最大間隙為 0.199 mm。止口部位是焊縫的中心，同時(shí)缸筒存在缺口效應(yīng)，止口處缸筒存在間隙在焊接熱應(yīng)力影響下變形收縮，帶動(dòng)缸筒熱影響區(qū)域內(nèi)的收縮。為減少變形量，我們可以把缸底止口配合設(shè)計(jì)為過盈配合。缸底過盈裝配如圖 3 所示。由圖 3 可知，缸底止口尺寸為φ270 s8，這樣缸底就和缸筒的配合最小過盈量為 0.028 mm，最大過盈量為 0.239 mm。裝配前把缸筒裝配部位加熱脹大，把缸底裝入缸筒，用銅棒把缸底敲入缸筒到底。裝配完成后采用普通自動(dòng)環(huán)焊機(jī)進(jìn)行缸筒焊接，同樣通過 5 組數(shù)據(jù)分析，對比采用間隙配合焊縫的最大收縮量。通過對比可知，減少配合間隙為 0.20 mm，焊接后可取得更小的缸筒收縮量。

圖3 缸底過盈裝配Fig.3 Interference fit assembly of cylinder bottom

3.3 預(yù)留焊縫收縮間隙

在防焊縫收縮措施中，一種行之有效的方式是增加防焊縫收縮變形的錐孔。錐孔裝配如圖 4 所示。缸底的止口外圓為φ271 g7，缸筒止口配合處內(nèi)孔為φ271 H9，同時(shí)在缸筒內(nèi)車削 30～50 mm 長不等的錐孔，錐孔的長度為 50 mm。在缸底與缸筒的配合仍然為間隙配合，最小間隙為 0.017 mm，最大間隙為 0.199 mm。在后續(xù)焊接后缸筒的收縮靠 1/100 斜度的錐孔來抵消。在焊接非影響區(qū)的缸筒內(nèi)孔尺寸還是φ270 H9，保證導(dǎo)向環(huán)的正常使用。同樣通過 5 組數(shù)據(jù)分析，采用預(yù)留焊接收縮錐孔焊接后，測量缸筒內(nèi)孔尺寸，均在φ270 H9 設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)。

圖4 錐孔裝配Fig.4 Assembly of taper hole

3.4 增大導(dǎo)向環(huán)槽尺寸公差

圖5 導(dǎo)向環(huán)尺寸公差示意Fig.5 Sketch of dimensional tolerance of guide ring

3.5 合理的焊接工藝

合理的焊接工藝可以減小焊接變形，在缸底組裝后進(jìn)行 4 點(diǎn)點(diǎn)焊固定，利用小電流進(jìn)行打底，之后實(shí)行分層焊接，每層焊接完成后停機(jī)進(jìn)行清渣，減少焊接夾渣與氣孔，同時(shí)還可以讓焊縫冷卻，以減少內(nèi)孔的焊接變形。

4 結(jié)語

合理的焊接工藝可以減少焊接變形，但缸筒的變形量仍然會較大，同時(shí)不利于提升焊接效率；最后一道導(dǎo)向環(huán)槽尺寸公差增大的方法能解決掉導(dǎo)向環(huán)摩擦加劇乃至擠碎的風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)帶來的弊端是在缸筒的非焊接變形影響區(qū)內(nèi)，導(dǎo)向環(huán)與缸筒的配合間隙變大，削弱了活塞的導(dǎo)向作用；缸底與缸筒止口采用過盈配合裝配的方法，在裝配過程中操作較為麻煩，必須添置對缸筒內(nèi)孔加熱的設(shè)備，同時(shí)裝配時(shí)缸底會對缸筒內(nèi)已經(jīng)電鍍的表面形成擠壓破壞；窄間隙焊接在解決焊接變形方面優(yōu)勢明顯，但需要購置窄間隙環(huán)焊機(jī)，窄間隙焊機(jī)的焊槍屬于易耗件，而且價(jià)格較高，對企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)較重；缸筒增加焊接收縮錐孔的方法目前來說比較好操作，但在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意在加工過程中保證缸筒的缸底安裝止口、焊接收縮錐孔與缸筒基準(zhǔn)孔的同軸度。