液压支架结构件焊接工艺研究

厉 华

0 引言

随着液压支架设计向技术含量大、自重轻型化、材质高强化的方向发展，液压支架使用的低合金结构钢钢板由七八十年代的Q345（50 kg 级）发展到了九十年代的Q420（55 kg 级）、Q460（60 kg 级）。近几年来，由于大工作阻力液压支架和薄煤层液压支架的快速发展，Q550（70 kg 级）、Q690（80 kg 级）钢材得到了较多采用。这些高强度低合金结构钢材随着强度等级的提高，焊接性能变差，脆性增加，焊接应力较难消除[1]，对焊接作业环境、焊接设备、焊接材料、焊接作业人员等焊接作业条件和焊接电流、焊接电压、预热措施、焊后热处理方法等工艺参数以及焊接过程的控制措施都提出了更高的要求。

大同煤矿集团公司中央机厂从2006 年制造ZY6400/12/28 型液压支架首次使用Q690、Q550 高强度结构钢板开始，到2008 年制造ZF15000/27.5/42 型放顶煤液压支架、2011 年制造ZY6200/9.5/17 型液压支架、ZZ5200/12/23 型液压支架，大幅度使用了强度等级为700 MPa 以上高强度低合金结构钢。面对这种情况，笔者对低合金高强度结构钢焊接工艺进行了反复实验，认真研究，取得了一些成果。

1 焊接工艺试验

为了得到焊接最佳工艺参数，在不同的工作环境，选用不同的焊接设备，采用高强匹配、等强匹配、低强匹配3 种方法，选用不同的焊接材料以及不同的焊接工艺参数制作了大量试件，进行了拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、金相分析，掌握了大量的第一手资料；再结合多年来液压支架结构件焊接经验，制定出了一套行之有效的焊接工艺规范，经过工业性实验效果非常好。

2 焊接工艺确定

2.1 焊接作业环境要求

大同地处高寒区，气候寒冷多风，一年里长时间处于风沙肆虐之中，昼暖夜寒，平时风力也在3～4级，7～8 级大风习以为常。根据多年来的实践及实验证明，液压支架结构件高强度低合金结构钢焊接在该地区必须满足以下工作环境要求：

(1)焊接必须在车间内进行，且工作场地必须距车间大门5 m 以上，以满足气体保护焊风速≤2 m/s的要求。若遇大风天气，焊接工作现场还需设防风棚或其他防风措施，天热使用风扇时气流不得对着施焊处。

(2)焊接作业区温度不得低于5 ℃。若低于5 ℃时，应将构件始焊部位1 m 范围内各方向大于2 倍板厚厚度且不小于100 mm 范围内的母材加热到20℃以上方可施焊，其他部位通过焊接自身温度确保不低于20℃。

(3)焊接作业区相对湿度不得大于90%。当焊件表面潮湿或有冰雪覆盖及雨雪天气不满足要求时，应采取加热去湿措施，即对需要焊接的区域用氧-乙炔火焰进行整体性烘干，除去焊缝两边的水蒸气。

2.2 对焊接作业人员的要求

(1)参与焊接的作业人员必须经培训合格并持有在有效期内的焊工合格证方可从事焊接。

(2)凡未取得焊工合格证或新从事焊接作业的焊工必须签订《师徒合同》，在师傅指导下从事一些非重要零件的焊接（如胶管卡、阀连接板），不得单独顶岗。学徒期满经培训合格后方可单独上岗。

(3)工厂应经常对焊工进行新工艺、新设备方面的技术培训，不断提高焊工业务水平和操作能力。未经培训合格不得从事新工艺、新设备方面的操作。

2.3 对生产设备的要求

(1)焊机主机所有金属外壳必须可靠接零或接地，以防触电事故的发生。

(2)焊接主机各调节手把应灵活，焊接条件调节范围广，拥有焊接参数存储、显示功能。

(3)焊接电缆必须绝缘良好，外皮不得有破损，不得用金属体代用地线。

(4)一次电源、二次电源接线柱必须安全可靠。

(5)焊机监视仪表（电流表、电压表、减压器）要求处于校准状态。

(6)为了保证焊接有稳定可靠的焊接性，应优先选用逆变式弧焊机及CO2气体保护焊机[2]。

2.4 对生产工装的要求

(1)焊接工装必须牢固可靠，且可多方向调整。

(2)焊接工装必须满足产品能实现平角焊及平焊的需求。

2.5 对焊接材料的要求

(1)焊接必须使用合格供方产品。供方必须具备生产许可证，产品随行文件齐全，并定期对供方进行评审。

(2)首次使用的焊接新材料或母材，必须进行焊接性能试验及可焊工艺性试验（含拉力试验、弯曲试验），合格后方可投入使用。

(3)焊接材料的防护应采取防潮、防锈措施。使用前必须对焊条进行正确烘干。锈蚀变质的材料不得投入重要焊缝使用[3]。

(4)镀铜焊丝的镀铜层要均匀光滑，不应有脱落现象。焊丝表面不得有毛刺、划痕、锈蚀和氧化皮等[3]。

(5)焊接使用保护气体纯度≥99.5%，水分含量≤0.005%。

(6)钢材焊接材料的选用一般采用等强匹配的原则[2]。

2.6 对施焊工艺的要求

2.6.1 施焊前的准备工作

（1）施焊前必须认真阅读产品图纸及工艺文件，熟记焊接部位及焊接尺寸要求，发现有不理解或不清楚部分，必须及时与班组长及主管技术人员联系，以求得正确解答和必要的更正。

（2）施焊前，必须认真检查施焊现场5 m 范围内有无易燃易爆物体。

（3）施焊前，必须按要求对焊接作业环境、焊接设备、焊接工装等进行必要的检查。

（4）施焊前，必须用钢丝刷或角磨机对焊接部位20 mm 范围内的油污、铁锈进行清理，并用氧乙炔火焰进行局部预热烘干（焊缝周围100 mm 范围）。

2.6.2 焊接作业过程

2.6.2.1 焊机的选用

支架焊接选用CO2半自动焊机，设备规格为500型～600 型。

2.6.2.2 焊丝的选用

①Q345，选用H08Mn2SiA (I)CO2镀铜焊丝（实心）。

②Q420，选用H08MnSiA 药芯焊丝或实心镀铜焊丝。

③Q460，选用GHS-60 高强度CO2实芯焊丝。

④Q550，选用GHS-70 高强度CO2实芯焊丝。

⑤Q690，选用GHS-80 高强度CO2实芯焊丝。根据我厂多年的生产实际需求，支架焊接一般统一选用φ1.2 mm 焊丝。

2.6.2.3 焊前预热方法选择

本着既保证产品质量，又降低成本，改善焊工工作条件的原则，对Q690 与Q690、Q690 与Q550、Q690 与Q460、Q550 与Q550、Q550 与Q460、Q460与Q460 等多种不同强度钢板组焊方式，分别采用了不预热、氧-乙炔火焰局部预热、加热炉整体预热3种工艺方案进行了施焊。

以Q690 为主的钢板焊接，必须入加热炉整体进行焊前预热，预热温度150℃～200℃；且焊接过程中应经常进行点温计监测层间温度，低于100℃时应重新入炉加热至150℃～200℃。Q550 以下强度等级的钢板不必进行入炉预热措施，开始焊接前用氧-乙炔火焰对始焊部位焊缝两侧80 mm～100 mm 范围内预热1.5 m～2 m，温度150℃～200℃，以提高始焊温度，施焊过程通过焊接自身电阻热保证层间温度80℃～100℃之间。

2.6.2.4 焊接过程控制

为了保证预热效果，使焊件层间温度满足焊接要求，焊接过程废弃了过去长期使用的单人包件制，改为作业小组包件制，即3～4 人组成一个作业小组，对同一工件预热后不间断连续焊接，中间采取多人轮换方法，直至该道焊接工序组件全部焊接完毕进入焊后热处理为止。

焊接采用两人对称焊接方法控制焊接变形。且要求加强焊接工艺监控，严格限定焊接电流，防止电流太小产生未熔合，未焊透现象；电流太大导致焊缝热影响区增大，焊缝严重脆化，造成焊缝开裂。

2.6.2.5 焊接电流及电弧电压选定

①δ12 mm 以下钢板，选用240 A～260 A 焊接电流，25 V～27 V 电弧电压。

②δ12 mm～δ20 mm 钢板，选用280 A～320 A 焊接电流，30 V～32 V 电弧电压。

③δ＞20 mm～25 mm 钢板，选用330 A～350 A 焊接电流，33 V～35 V 电弧电压。

④δ＞25 mm 钢板，选用350 A～380 A 焊接电流，36 V～38 V 电弧电压。

打底焊为了保证焊透，盖面焊为了便于钢水流动、表面美观，应采用较大电流；填充焊为了减小焊接热输入，防止变形和减小应力，应采取较小电流。

2.6.2.6 其他工艺参数选定

干伸长度L=17 mm～22 mm；送丝速度V=16 m/min～20 m/min；气体流量1 150 L/h～1 250 L/h。

2.6.2.7 焊接

焊接采用多层多道焊（见图1）。

图1 多层多道焊示意

焊角高12 mm，焊接层数3～4 层，6～10 道；焊角高15 mm，焊接层数4～5 层，10～15 道；焊角高20 mm，焊接层数5～6层，15～20道；焊角高25 mm，焊接层数6～7层，20～26道。其中，打底焊3 mm～4 mm，填充焊每层3 mm～4 mm，盖面焊2 mm～3 mm。

2.6.2.8 焊接顺序及形式

为了防止焊接变形，降低焊接应力，焊接采用先焊立焊缝、后焊横焊缝，先焊短焊缝、后焊长焊缝的顺序。在液压支架焊接中按下列顺序进行。

①为使支架形成一个整体框架，在整体施焊前应对顶（底）板与主（立）筋焊缝平焊4 mm～5 mm 一层，防止在调运过程造成定位焊缝开裂。

②采用平角焊方法焊接各立筋板与主筋板的立向焊缝，即图2 中的H1（采用两次反转方法分别施焊筋板两侧焊缝）。

③采用平角焊方法焊接主筋与顶（底）板宽度方向的焊缝，即图2 中的H2（采用两次反转方法分别施焊主筋板两侧焊缝）。

④采用平角焊方法焊接主筋与顶（底）板长度方向焊缝，即图2 中的H3。

图2 焊缝位置类型示意

①②③④焊接工序完成后，转铆工组点区盖盖板。

⑤采用平焊方法施焊盖板与主筋板填平焊缝，先焊宽度方向，再焊长度方向。

⑥采用平角焊方法施焊盖板与主筋板角焊缝，先焊宽度方向，再焊长度方向。

⑦采用平焊方法施焊盖板其他焊缝。

⑧转机加工镗削连接孔。

⑨焊接其他附属零件后交验。

2.6.2.9 焊后热处理方法选用

应执行以下措施：

①Q690 钢板为主要母材制成的工件，每一道工序焊接完毕都必须马上入炉进行焊后热处理，加热温度450℃～500℃，保温2.5 h 后将工件运至避风部位空冷至常温再进入下一道工序组点。

②Q550 钢板为主要母材制成的工件，主要零件焊接时，重要焊缝必须立即入炉进行焊后热处理，加热温度450℃～500℃，保温2.5 h 后将工件运至避风部位空冷至常温。

2.6.2.10 焊接过程自检与互检

①施工前，应认真检查定位焊质量（焊点长度15 mm～20 mm，间隔250 mm～300 mm，组点间隙≤2 mm），若发现定位焊质量不合格，需及时找有关人员进行处理（返修或更换零件）。

②施焊前，必须认真检查验证铆工组点合格验收标识，无标识者不得投入施焊。

③焊工每焊完一道一层，必须认真清理焊缝周围的焊瘤、飞溅物，若发现有焊接缺陷，必须用角磨机将不合格部位清理后重新施焊。

④焊工每焊完一道工序，经自检合格后交付专职检验员验收合格并做出标识后方可转入下道工序组点、施焊。

⑤整件产品焊接完毕，焊工必须在规定部位用电弧烧出焊工编号后方可交付检验以便于追溯。

⑥产品完工后必须经专职检验人员验收合格方可出厂，对于图3 所示的重要焊缝还需进行探伤处理。焊缝质量要求达到GB 3323-87 规定的Ⅱ级以上焊缝要求[4]。

图3 液压支架重要焊缝示意

3 结论

该工艺自2006 年以来，经过反复实践，多次修改，已逐步趋向完善，先后用于大板厚、大采高、大吨位、大工作阻力液压支架焊接及小板厚、超轻型薄煤层液压支架焊接，均取得了良好的效果。但是高强度低合金结构钢的焊接情况复杂多变，裂纹及强韧性问题尤为突出，控制各种焊接因素使焊接区形成高强度高韧性焊接接头，金属药芯焊丝具有调整母材合金金属成分的优点，是高强度焊材的发展方向。

[1]王笑天.金属材料学[M].西安：西安交通大学出版社，1989.

[2]俞尚知.焊接工艺人员手册[M].上海：上海科学技术出版社，1991.

[3]杨道明，朱勋.金属力学性能与失效分析[M].北京：机械工业出版社，1991.

[4]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2001.