焊接質量對液壓支架質量的影響分析

張 鈺

（西山煤電（集團）有限責任公司機電修造園區分公司， 山西 太原 030053）

引言

采煤機、刮板輸送機、液壓支架號稱綜采工作面的“三機”，其是實現綜采工作面自動化生產的基礎。近年來，隨著采煤技術和采煤工藝的不斷進度，對工作面綜采設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設備，在煤礦生產中的應用大大提升了工作面的安全性，為作業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構，導致多處需要焊接，由于焊縫尺寸較大，最終導致支架的應力集中且殘余應力分布復雜，進而使得在實際生產中液壓支架結構件的焊接變形和開裂問題一直影響著支架的質量和性能[1]。因此，需通過優化焊接工藝控制焊接質量繼而保證液壓支架的性能和質量。

1 液壓支架焊接質量現狀

液壓支架的結構件開裂是導致其性能和支護強度下降的關鍵原因。經分析可知，導致液壓支架結構件開裂的原因主要包括有材料件選型不合格、結構件應力集中、焊接缺陷以及焊接工藝所導致的。其中，50%液壓支架結構件的開裂是由于焊接缺陷和殘余應力所導致，15%液壓支架的結構件開裂是由于應力集中和焊接工藝問題所導致。因此，65%液壓支架結構件的開裂均是由于焊接質量不合格所導致的[2]。因此，需對導致液壓支架焊接質量不合格的原因進行分析。

1.1 殘余應力導致結構件開裂

由于焊接工藝導致結構件中存在殘余應力，當其各處的殘余應力總和大于材料的屈服強度時，此時該區域就會產生塑形變形，甚至導致零部件區域發生開裂現象。一般地，焊接所產生的殘余應力會對液壓支架的剛度、穩定性、靜載強度、疲勞強度、加工硬度等造成影響。此外，殘余應力還會加劇液壓支架的腐蝕[3]。

目前，針對焊接過程中所引起的殘余應力，常通過錘擊焊縫區、預熱法、高溫回火、溫差拉伸法以及振動時效法實現對殘余應力的消除。

1.2 應力集中導致結構件開裂

結構設計導致結構件開裂是由于設計安全系數過低，導致焊縫位置設計不合理，進而導致應力集中或者焊縫無法焊接，致使某些部位的局部強度過低，最終導致結構件開裂。

1.3 焊接缺陷導致支架結構件開裂

經調研可知，實際焊接中常出現的缺陷主要表現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人員在操作過程中操作不當所造成的缺口效應引起的。具體分析為：焊縫中的氣孔是由于焊接速度過快、保護氣體流量過小或者焊絲質量不合格所導致的；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其焊縫進行處理所導致的。

2 焊接質量的控制

經研究可知，影響液壓支架結構件焊接質量的因素包括所采用的焊接方式、相關工藝參數、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焊。綜合分析二者的優劣勢，選擇最佳、應用最為廣泛的焊接方式為熔化極混合氣體保護焊中的CO2氣體保護焊。

相關工藝參數包括有焊接電流、電弧電壓、焊接速度、保護氣體的成分和流量、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，會導致焊絲插入熔池的現象發生；選取合理的（既不能最大也不能最小）焊接速度使得焊縫熔深最大。經研究，采用陰極焊槍可獲得更大的發熱量，能夠提高生產率，有利于熔敷金屬。保護氣體的流量一般在5～50 L/min，其具體值根據焊接電流、焊接速度以及作業環境確定[4]。

焊槍的操作方法主要有前進焊和后退焊等。由于前進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設計

結合液壓支架實際應用中常見的開裂部位及開裂原因，著重對危險性最高結構件的焊縫進行改進設計。因此，首先采用有限元分析方法確定液壓支架結構件上的危險部位和區域，并對該位置的焊接方法進行改進設計，對其焊接質量進行控制。

3.1 液壓支架結構的有限元分析

基于SolidWorks 軟件對液壓支架的模型進行搭建，并根據ZY9600/25.5/55 型掩護式液壓支架參數對模型的參數進行針對性設置。所搭建的不同工況下的簡化結合模型如圖1 所示。

圖1 不同工況下的幾何模型

如圖1 所示，單側載荷工況下液壓支架的頂梁高度為3 175 mm，扭轉加載工況下液壓支架的頂梁高度為5 295 mm。，其對應的有限元模型如圖2所示。

經仿真分析可知，針對液壓支架在扭轉加載工況下，應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；針對液壓支架在單側載荷工況下，應力最大的位置為支架的頂梁后部和掩護梁。

3.2 焊接工藝的改進設計

液壓支架由于焊接工藝不合理所導致的應力集中在很大程度上是由于其安全系數選擇不合理所引起的。因此，需對液壓支架結構件的安全系數進行重新確定。結合有限元分析結果及實際工況，推薦支架頂梁的安全系數為1.2，掩護梁的安全系數為1.5，連桿和后連桿及底座的安全系數為1.1[5]。

針對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梁焊接工藝從以下幾個方面進行改進。

1）針對可采用一次裝配即可完成的焊接任務主要采用雙面角焊縫；

2）相鄰的箱體和腔室之間的筋板應當錯開80 mm以上，從而有效避免了主筋板的應力集中導致材料性能降低；

3）不在頂梁及掩護梁彎曲和扭轉截面上布置焊縫；

4）針對焊縫選擇較為困難的位置，應盡量將焊縫布置在外側，而非箱體腔內。

5）針對需采用V 型焊縫的位置，應將焊縫坡口角度設定為40°。

6）對于結構件強度不足的位置，可通過增加箱體的圍成面積和增加頂板和蓋板提高其強度。

圖2 不同工況下的有限元仿真模型

4 結語

液壓支架作為綜采工作面的主要支護設備，其在煤礦生產中的應用大大提升了工作面的安全性，為作業人員的人身安全提供了保障。在實際支護過程中經常發現其結構件出現開裂的現象。經分析可知，60%的結構件開裂是由于焊接質量不佳所導致的，因此對焊接質量進行控制，并提出相應的改進焊接工藝的原則，為后續的焊接工作提供指導。