焊接质量对液压支架质量的影响分析

张 钰

（西山煤电（集团）有限责任公司机电修造园区分公司， 山西 太原 030053）

引言

采煤机、刮板输送机、液压支架号称综采工作面的“三机”，其是实现综采工作面自动化生产的基础。近年来，随着采煤技术和采煤工艺的不断进度，对工作面综采设备的性能提出了更高的要求。液压支架作为综采工作面的主要支护设备，在煤矿生产中的应用大大提升了工作面的安全性，为作业人员的人身安全提供了保障。由于液压支架是由板材和型材组成的多腔室箱体梁结构，导致多处需要焊接，由于焊缝尺寸较大，最终导致支架的应力集中且残余应力分布复杂，进而使得在实际生产中液压支架结构件的焊接变形和开裂问题一直影响着支架的质量和性能[1]。因此，需通过优化焊接工艺控制焊接质量继而保证液压支架的性能和质量。

1 液压支架焊接质量现状

液压支架的结构件开裂是导致其性能和支护强度下降的关键原因。经分析可知，导致液压支架结构件开裂的原因主要包括有材料件选型不合格、结构件应力集中、焊接缺陷以及焊接工艺所导致的。其中，50%液压支架结构件的开裂是由于焊接缺陷和残余应力所导致，15%液压支架的结构件开裂是由于应力集中和焊接工艺问题所导致。因此，65%液压支架结构件的开裂均是由于焊接质量不合格所导致的[2]。因此，需对导致液压支架焊接质量不合格的原因进行分析。

1.1 残余应力导致结构件开裂

由于焊接工艺导致结构件中存在残余应力，当其各处的残余应力总和大于材料的屈服强度时，此时该区域就会产生塑形变形，甚至导致零部件区域发生开裂现象。一般地，焊接所产生的残余应力会对液压支架的刚度、稳定性、静载强度、疲劳强度、加工硬度等造成影响。此外，残余应力还会加剧液压支架的腐蚀[3]。

目前，针对焊接过程中所引起的残余应力，常通过锤击焊缝区、预热法、高温回火、温差拉伸法以及振动时效法实现对残余应力的消除。

1.2 应力集中导致结构件开裂

结构设计导致结构件开裂是由于设计安全系数过低，导致焊缝位置设计不合理，进而导致应力集中或者焊缝无法焊接，致使某些部位的局部强度过低，最终导致结构件开裂。

1.3 焊接缺陷导致支架结构件开裂

经调研可知，实际焊接中常出现的缺陷主要表现为未融合和在焊缝中存在夹渣和气孔等。上述焊接缺陷主要是由于作业人员在操作过程中操作不当所造成的缺口效应引起的。具体分析为：焊缝中的气孔是由于焊接速度过快、保护气体流量过小或者焊丝质量不合格所导致的；焊缝未融合是由于焊接速度过快或者采用下坡焊的操作；焊缝中存在夹渣主要是在焊接过程中未按照工艺要求对其焊缝进行处理所导致的。

2 焊接质量的控制

经研究可知，影响液压支架结构件焊接质量的因素包括所采用的焊接方式、相关工艺参数、焊枪的操作方法以及焊接位置等。

可采用的焊接方式有手工电弧焊和熔化极混合气体保护焊。综合分析二者的优劣势，选择最佳、应用最为广泛的焊接方式为熔化极混合气体保护焊中的CO2气体保护焊。

相关工艺参数包括有焊接电流、电弧电压、焊接速度、保护气体的成分和流量、极性、焊丝直径以及焊丝的干伸长等。其中，随着焊接电流越大对焊缝熔深的影响越大。电弧电压越大，焊缝熔宽越大；电弧电压越低，会导致焊丝插入熔池的现象发生；选取合理的（既不能最大也不能最小）焊接速度使得焊缝熔深最大。经研究，采用阴极焊枪可获得更大的发热量，能够提高生产率，有利于熔敷金属。保护气体的流量一般在5～50 L/min，其具体值根据焊接电流、焊接速度以及作业环境确定[4]。

焊枪的操作方法主要有前进焊和后退焊等。由于前进焊的焊道较宽且熔深较小，因此采用后退焊的操作方式。

3 液压支架焊缝的改进设计

结合液压支架实际应用中常见的开裂部位及开裂原因，着重对危险性最高结构件的焊缝进行改进设计。因此，首先采用有限元分析方法确定液压支架结构件上的危险部位和区域，并对该位置的焊接方法进行改进设计，对其焊接质量进行控制。

3.1 液压支架结构的有限元分析

基于SolidWorks 软件对液压支架的模型进行搭建，并根据ZY9600/25.5/55 型掩护式液压支架参数对模型的参数进行针对性设置。所搭建的不同工况下的简化结合模型如图1 所示。

图1 不同工况下的几何模型

如图1 所示，单侧载荷工况下液压支架的顶梁高度为3 175 mm，扭转加载工况下液压支架的顶梁高度为5 295 mm。，其对应的有限元模型如图2所示。

经仿真分析可知，针对液压支架在扭转加载工况下，应力最大的部位为柱窝处的主筋处、端板和顶板与盖的连接位置处；针对液压支架在单侧载荷工况下，应力最大的位置为支架的顶梁后部和掩护梁。

3.2 焊接工艺的改进设计

液压支架由于焊接工艺不合理所导致的应力集中在很大程度上是由于其安全系数选择不合理所引起的。因此，需对液压支架结构件的安全系数进行重新确定。结合有限元分析结果及实际工况，推荐支架顶梁的安全系数为1.2，掩护梁的安全系数为1.5，连杆和后连杆及底座的安全系数为1.1[5]。

针对液压支架顶梁主筋位置处、短板和顶板与盖的连接位置处以及掩护梁焊接工艺从以下几个方面进行改进。

1）针对可采用一次装配即可完成的焊接任务主要采用双面角焊缝；

2）相邻的箱体和腔室之间的筋板应当错开80 mm以上，从而有效避免了主筋板的应力集中导致材料性能降低；

3）不在顶梁及掩护梁弯曲和扭转截面上布置焊缝；

4）针对焊缝选择较为困难的位置，应尽量将焊缝布置在外侧，而非箱体腔内。

5）针对需采用V 型焊缝的位置，应将焊缝坡口角度设定为40°。

6）对于结构件强度不足的位置，可通过增加箱体的围成面积和增加顶板和盖板提高其强度。

图2 不同工况下的有限元仿真模型

4 结语

液压支架作为综采工作面的主要支护设备，其在煤矿生产中的应用大大提升了工作面的安全性，为作业人员的人身安全提供了保障。在实际支护过程中经常发现其结构件出现开裂的现象。经分析可知，60%的结构件开裂是由于焊接质量不佳所导致的，因此对焊接质量进行控制，并提出相应的改进焊接工艺的原则，为后续的焊接工作提供指导。