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設備，其結構件復雜，制造要求高，焊接量大，但是由于焊接時容易產生焊接裂紋，影響液壓支架的使用壽命。本文針對煤礦液壓支架結構件焊接裂紋成因和控制措施進行深入探究，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防提供了借鑒和指導。

關鍵詞：液壓支架；焊接裂紋；控制措施

在液壓支架中，結構件和油缸多由焊接組對而成，其中結構件包括頂梁、掩護梁、四連桿、底座等箱體結構，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鍵工藝，焊接的質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，焊接裂紋產生的原因，并針對焊接裂紋產生的原因制定了控制焊接裂紋的有效措施，為液壓支架生產過程中的焊接裂紋控制提供借鑒和指導。

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，產生應力集中，引起裂紋，降低疲勞強度，易引起焊件破裂導致脆斷，其中危害最大的是焊接裂紋。

液壓支架焊接件產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，降低了焊接結構的承載力，也構成了嚴重的應力集中，降低了結構的疲勞強度，同時容易造成缸體的泄露，為日后使用留下了巨大的隱患。裂紋根據產生的機理可分為：熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋等。熱裂紋是在焊接過程中，焊縫和熱影響區金屬冷卻到固相線附近的高溫區時所產生的裂紋。熱裂紋可分為結晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋三類，其中結晶裂紋是在液壓支架部件焊接過程中經常出現的裂紋。再熱裂紋是焊后焊件在一定溫度范圍內再次加熱（消除應力熱處理或其它加熱過程）而產生的。再熱裂紋通常發生在熔合線附近的粗晶區中，從焊趾部位開始，延向細晶區停止。

2 液壓支架焊接裂紋產生的原因

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

液壓支架結構件底座、頂梁、前梁、掩護梁等由厚度為12mm-40mm的鋼板焊接而成，鋼板材料多用16Mn鋼，16Mn鋼屬低合金高強度鋼，根據國際焊接學會推薦的低合金結構鋼的碳當量的計算公式，16Mn鋼的碳當量：

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

第一，焊接應力。焊接過程中焊接接頭區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行，因此產生焊接應力和焊接變形；鋼板厚度越大，剛性越大，焊后產生的應力就越大，當焊接應力足夠大時，導致產生焊接裂紋，甚至造成脆斷。

第二，焊接結構設計不夠合理。造成焊接裂紋的一個重要原因是焊接結構設計不夠合理，有的地方造成應力集中，有的焊縫強度未經過詳細核算造成強度不夠，在一些構件截面改變的地方，沒有設計成平緩過渡，而形成夾角，不同板厚構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，有時強行裝配，造成很大的拘束；有時尺寸不夠，靠焊縫來填補，造成應力集中，在對接和角接時，由于存在外部作用和拉伸應力時，很容易產生焊道下裂紋。裝焊次序十分重要，有時裝配工人為了圖省事，不按規定順序來裝配，也容易產生焊接裂紋。

3 液壓支架焊接裂紋控制措施

第一，液壓支架焊前的預熱。在液壓支架實際焊接過程中，我們為了保障受熱均勻，部件裝配、點組后，應采取整體預熱的方式進行預熱，預熱溫度一般在150℃～200℃。等到預熱后要及時焊接，這個溫度應該控制在130℃～150℃之間。預熱以降低冷卻速度，一般冷卻速度升高，焊縫金屬的應變速率也增大，容易產生熱裂紋。預熱對于降低熱裂紋傾向比較有效，因為預熱改變了焊接熱循環， 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力。選擇合理的焊接順序，焊接順序應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。在出現收縮應力導致開裂的時候，我們應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，在最后一層焊縫應先焊與母材相接的焊道，最后焊中間焊道。

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

4 結論

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，必要時進行焊前預熱或后熱；同時，焊接時接頭必須干燥，點焊不應該太深，點焊位置應使其在施焊時能夠重新熔合，從而為減少焊接裂紋，控制焊接質量，確保液壓支架的承載和質量提供了指導和借鑒。

參考文獻：

[1] 閆殿華.煤礦液壓支架焊接技術的研究[J].工程技術：文摘版，2016（2）：00083-00083.

[2] 厲華.液壓支架結構件焊接工藝研究 [J].同煤科技，2014（1）：24-28.

[3] 郭世敬，趙志剛，何志松.液壓支架焊接變形及其控制方法[J].金屬加工（熱加工），2011（12）.