管 杰

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

液壓支架作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行會直接影響煤礦開采的效率和質(zhì)量[1]。頂梁作為液壓支架中直接與煤礦巷道接觸的部位，需要承受比較大的工作壓力，因此對其力學(xué)性能要求相對較高[2-3]。頂梁主要通過Q690鋼板焊接制作而成，焊接質(zhì)量直接決定了其各項力學(xué)性能[4]。為了提升液壓支架頂梁的焊接質(zhì)量，有必要對Q690鋼板開展焊接實(shí)驗(yàn)研究工作，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，保障頂梁焊縫各項力學(xué)性能達(dá)到使用要求[5-6]。本文以ZF13000型液壓支架頂梁焊接工藝過程為例，實(shí)現(xiàn)了焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化。

1 ZF13000型液壓支架整體概述

液壓支架是煤礦開采中的重要機(jī)械設(shè)備，工作過程中要受到很大的工作阻力。ZF13000型液壓支架以其強(qiáng)大的支撐和破碎能力得以廣泛應(yīng)用，液壓支架總體上由兩大系統(tǒng)組成，分別為機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)主要有幫護(hù)裝置、掩護(hù)梁、頂梁、支柱和底座等，見圖1。電氣系統(tǒng)需要對機(jī)械部分進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)液壓支架應(yīng)用的功能。當(dāng)煤層傾角不超過15°、厚度在6～15 m范圍內(nèi)時均可以使用該型號液壓支架，但頂梁承受的最大壓力不得超過13 000 kN。

圖1 ZF13000型液壓支架總體結(jié)構(gòu)示意

ZF13000型液壓支架頂梁主要利用鋼板焊接制作而成，中間設(shè)置多個筋板以強(qiáng)化頂梁的剛度和強(qiáng)度。由于頂梁與煤礦巷道直接接觸，因此對其各項力學(xué)性能提出了相對較高的要求，如果頂梁在工作時出現(xiàn)故障，必然會威脅礦井安全。焊接作為頂梁生產(chǎn)加工中的重要環(huán)節(jié)，對焊接工藝進(jìn)行深入研究，對提升焊接質(zhì)量、保障頂梁性能具有重要意義。

2 頂梁焊接工藝方案設(shè)計

2.1 焊接材料及設(shè)備

目前液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)中使用的材料多為Q690，這種材料具有相對較高的強(qiáng)度，能顯著提升液壓支架工作時的穩(wěn)定性。但該材料的焊接性能一般，因此對焊接工藝過程提出了相對較高的要求。本研究中選擇頂梁結(jié)構(gòu)常用的材料Q690作為研究對象。利用氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，使用的保護(hù)氣體為氬氣和二氧化碳的混合物，其比例分別為80%和20%。焊絲材料型號為MK GHS80，直徑為1.2 mm。另外，焊接過程中用到的焊接設(shè)備主要有四輪驅(qū)動式自動送絲機(jī)，CLoos公司研制的焊接機(jī)器人以及雙絲焊槍。

2.2 焊接工藝過程

本研究中使用的Q690鋼板厚度為30 mm，進(jìn)行對縫焊接實(shí)驗(yàn)，其中一邊采用45°的坡口。焊接過程分為三個步驟，即打底焊—填充焊(兩道)—蓋面。為了保障焊接質(zhì)量，焊接之前需要對母材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100 ℃；對焊接熱量的輸入以及層間溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，以降低焊接過程中的溫差，避免產(chǎn)生開裂的問題，提升焊接質(zhì)量。為了分析不同工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，本研究中分別以焊接電流、焊接電壓、焊接速度、層間溫度、輸入熱量等作為變量，開展焊接實(shí)驗(yàn)工作。具體焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

3 焊接結(jié)果分析與討論

為了分析不同焊接工藝條件下焊接結(jié)構(gòu)的綜合力學(xué)性能，焊接后開展了一系列力學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)，包括室溫拉伸實(shí)驗(yàn)和沖擊實(shí)驗(yàn)。所有實(shí)驗(yàn)全部嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。所得結(jié)果如表2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)對焊縫性能的影響

3.1 熱量輸入對焊縫質(zhì)量的影響分析

對比前面三組實(shí)驗(yàn)即可分析熱量輸入對焊縫質(zhì)量的影響。由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著焊接過程中熱量收入的不斷增加，焊縫結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均出現(xiàn)了不同程度的降低，而焊縫位置的斷后伸長率正好相反，有一定程度的提高，但不管是強(qiáng)度還是塑形，變化幅度均相對較小。進(jìn)一步對比前面三組沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著熱量輸入的不斷增加，沖擊功出現(xiàn)了明顯降低?；谝陨辖Y(jié)果可以得到如下結(jié)論：增加焊縫熱量輸入雖然不會對焊縫結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和塑性產(chǎn)生明顯影響，但是會顯著降低焊縫結(jié)構(gòu)的韌性?；诖?，為了保障Q690鋼板焊接質(zhì)量，有必要采取適當(dāng)措施降低焊縫位置的熱量輸入，比如可以適當(dāng)增加冷卻時間，防止焊縫位置出現(xiàn)溫度急劇降低形成淬硬組織。同時，延長冷卻時間還有利于焊縫位置氫元素的溢出，防止該位置發(fā)生氫脆問題。

3.2 層間溫度對焊縫質(zhì)量的影響分析

對比第二、四、五、六組這4個組的實(shí)驗(yàn)可以分析焊接過程中層間溫度對焊縫質(zhì)量的影響。由表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著層間溫度的不斷提升，焊接結(jié)構(gòu)焊縫部位的強(qiáng)度值隨之降低，相反的其延伸率有一定程度的提升。且當(dāng)層間溫度在250 ℃時焊縫結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度已經(jīng)處在一個相對較低的水平，無法滿足實(shí)際使用需要?；诖?，為了保障焊縫位置的質(zhì)量，要求層間溫度不得超過200 ℃。進(jìn)一步分析層間溫度對焊縫結(jié)構(gòu)沖擊功的影響發(fā)現(xiàn)，隨著層間溫度的升高，焊縫金屬的沖擊功逐漸降低，但是降低幅度并不是非常大。當(dāng)層間溫度在100～200 ℃范圍時，其沖擊韌性處在一個相對較高的水平，不會影響頂梁的正常使用。

3.3 焊后熱處理對焊接接頭質(zhì)量的影響

為研究焊后熱處理工藝參數(shù)對焊接接頭質(zhì)量的影響，以第四組實(shí)驗(yàn)為例，在完成焊接工作后，對其進(jìn)行不同參數(shù)的熱處理。準(zhǔn)備3組試樣，分別將其加熱到250 ℃、350 ℃和580 ℃后保溫2 h，然后進(jìn)行空冷處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，保溫溫度分別為250 ℃、350 ℃和580 ℃時，對應(yīng)的屈服強(qiáng)度分別為720 MPa、750 MPa和770 MPa，抗拉強(qiáng)度分別為835 MPa、820 MPa和840 MPa，斷后伸長率分別為20%、20%和21%?？梢钥闯龊附雍笤龠M(jìn)行熱處理并不會對焊接接頭的強(qiáng)度和塑性產(chǎn)生明顯的影響。但隨著保溫溫度的升高，3組試樣對應(yīng)的沖擊韌性卻出現(xiàn)了一定程度的降低，對應(yīng)的數(shù)值分別為117 J、104 J和80 J。焊接后進(jìn)行熱處理有利于焊縫位置氫元素的析出，但同時也會使該部位組織增大，降低其沖擊韌性。當(dāng)保溫溫度分別為250 ℃和350 ℃時，對焊縫位置的沖擊韌性影響并不是很大。但當(dāng)保溫溫度增加到580 ℃時可以發(fā)現(xiàn)，焊接接頭的沖擊韌性出現(xiàn)了明顯降低，已然無法滿足實(shí)際使用需要?；谝陨戏治隹梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：焊接后進(jìn)行熱處理雖然可以起到消氫的目的，但同時也會使焊接接頭部位組織增大，進(jìn)而降低焊縫位置的沖擊韌性，尤其是當(dāng)溫度增加到一定程度時，會使焊接接頭部位沖擊韌性急劇降低。因此，必須對焊后熱處理溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

4 液壓支架頂梁焊接工藝參數(shù)的確定

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到合適的液壓支架頂梁焊接工藝參數(shù)。為了降低焊接過程中不同部位的溫度差，需要在焊接前對焊接接頭進(jìn)行預(yù)熱處理，其中預(yù)熱溫度不得低于100 ℃。過高的層間溫度會顯著降低焊縫的沖擊韌性，要求層間溫度不得超過200 ℃。為控制焊縫熱量輸入，需要對焊接電流和電壓進(jìn)行控制，焊接電流和焊接電壓分別在230～270 A和25～30 V范圍內(nèi)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可。

5 結(jié) 語

本文對ZF13000型液壓支架頂梁使用材料Q690的焊接工藝進(jìn)行了研究和分析，所得結(jié)論主要有：①焊縫熱量輸入、層間溫度及焊后熱處理等工藝過程均會對焊接接頭質(zhì)量產(chǎn)生一定程度的影響，尤其是對沖擊韌性的影響較為顯著；②為保障 Q690材料焊接質(zhì)量要求，焊接前的預(yù)熱溫度不得低于100 ℃，焊接過程中的層間溫度不得超過200 ℃，焊接電流和焊接電壓分別控制在230～270 A和25～30 V范圍內(nèi)。