立柱缸筒焊缝收缩的危害与预防

张 超

山东莱芜煤矿机械有限公司 山东济南 271100

液压支架是井下开采的重要支护设备，主要用于支撑来自顶板的压力。立柱则是液压支架承载顶板压力的重要部件之一，它将支架顶梁和底座连接起来，用于液压支架承受顶板载荷和调节支护高度。立柱是支架的承压部件，由于长期处于高压受力状态，除应具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，还必须有足够的抗压、抗弯能力及良好的密封性能。所以在立柱的制造与安装过程中，就必须消除潜在危害对设备的影响。其中立柱缸筒与缸底的焊缝收缩带来的危害对立柱的使用影响较大，因此，有必要对此问题进行深入研究。

1 数据分析

无论何种结构形式的立柱，其中缸体和活柱最后一道导向环的位置总是靠近缸筒焊缝。山东莱芜煤矿机械有限公司设计的立柱，中缸筒最后一道导向环的位置距缸底焊缝 23 mm，但缸底焊缝的收缩范围却在离焊缝中心 30～50 mm，导向环正好处在焊缝收缩范围内，如图 1 所示。以缸底焊缝收缩危害与解决措施为目标，在制造的 5 个立柱的中缸筒分别与缸底完成焊接并充分冷却后，测量其在最后一道导向环处内孔的焊接收缩量，如表 1 所列。

图1 中缸筒装配Fig.1 Assembly of middle cylinder

表1 中缸筒焊接后的收缩量Tab.1 Shrinkage amount of welded middle cylinder mm

由图 1 可知，中缸筒的内孔尺寸公差为φ270 H9，活塞导向环沟槽的尺寸公差为φ265 f9，导向环的厚度尺寸公差为，因此导向环处的正常设计尺寸间隙为 0.056～0.476 mm。而经过焊接中缸底后测量的缸筒的实际内孔平均尺寸为φ269.806，则导向环处的实际配合尺寸公差为 -0.138～+0.152。

2 缸底焊缝收缩带来的危害

2.1 较大的启动压力

由于中缸底和中缸筒的焊接收缩，可能会导致导向环与中缸筒配合上产生 13.8 µm 的过盈，致使活柱上的导向环和中缸筒安装较紧，增大了活柱的启动压力。乳化液进入外缸后中缸首先伸出，而在中缸的液体压力达到底阀的开启压力后，底阀打开液体进入中缸筒内推动活柱伸出。在国标中规定立柱在空载无背压情况下，活塞腔的启动压力应小于 3.5 MPa，而在上述试验的 5 组缸体打压试验过程中，活柱的启动压力均在 7 MPa 以上，4 号中缸活柱在达到了 20 MPa 后才伸出，但伸出的过程中出现不平稳的窜动现象。

2.2 挤碎导向环

导向环的使用条件是缸体和它之间有合适的配合间隙，这个间隙不能太大，太大起不到活塞的导向作用，同样间隙也不能太小，间隙太小缸筒和导向环摩擦加剧，降低导向环的使用寿命。缸底与缸筒焊缝的焊接造成缸筒收缩，使得导向环与缸筒之间的配合间隙变为过盈配合。这样不仅造成导向环的摩擦加剧，而且在中缸、活柱强制缩回过程中，导向环经过缸筒收缩量最大的部位时，会挤碎导向环。导向环失效对立柱的使用是致命的，会造成立柱串液、划伤缸体等危害。

2.3 严重的收缩会划伤缸体

活塞密封需要较小的挤出间隙，因此活塞密封两侧的挡边尺寸就会设计的较大，缸体的内径为φ270，其活柱密封两侧的挡边尺寸为φ269.4，其和中缸体内孔的安装间隙很小，同时挡边尺寸位置也处在焊缝收缩范围内。在加工过程中，如遇到缸体内孔椭圆或活塞密封两侧挡边外圆椭圆情况下，再加上缸体内孔本身的焊接收缩，活塞密封两侧挡边就会对缸体造成划伤，划伤的翻出尖锐毛边同时会把活塞密封刮伤，导致活塞密封失去应有的密封效果。

3 预防措施

3.1 采用窄间隙焊接

目前缸筒焊缝均采用二保焊的自动环焊机，缸筒和缸底焊缝均使用普通钝边 U 形焊缝，底部园弧半径为 6 mm，坡口面的角度为 20°，整个坡口角度较大。因为缸筒壁较厚，在同等角度下焊接坡口宽度达到了 35 mm。填满坡口焊缝的焊接量大，焊接热输入高，焊接热影响区大，导致缸筒焊接应力高，焊后变形大。缸筒在焊接冷却后势必造成缸筒内径收缩，同时热影响区带来的脆化现象突出。要解决这一系列问题就需要使用窄间隙自动环焊机焊接。窄间隙焊接尺寸如 2 所示。窄间隙焊接采用较小的焊接坡口，优点是焊缝填充小，可以节约 30% 以上的焊丝[1]，热影响区范围窄，焊接应力小，缸筒变形小。同样再取 5 组中缸做窄间隙焊缝焊接试验，结果如表 2 所列。通过和表 1 数据对比，采用窄间隙焊接后，最大收缩的 1 号缸和采用普通焊缝最大收缩的 4 号缸减少收缩量 0.18 mm。

表2 中缸筒采用窄间隙焊接的收缩量Tab.2 Shrinkage amount of middle cylinder with narrow-gap welding seam mm

图2 窄间隙焊缝尺寸Fig.2 Dimension of narrow-gap welding seam

3.2 缸底止口配合采用过盈配合

为便于获得缸底和缸筒较高的同轴度，缸底和缸筒装配形式为止口配合安装。缸底止口伸入缸筒内形成间隙配合安装[2]，这样能够保证缸底和缸筒的同轴度。缸筒的尺寸为φ270 H9，缸底止口外圆的尺寸为φ270 g7，二者配合最小间隙为 0.017 mm，最大间隙为 0.199 mm。止口部位是焊缝的中心，同时缸筒存在缺口效应，止口处缸筒存在间隙在焊接热应力影响下变形收缩，带动缸筒热影响区域内的收缩。为减少变形量，我们可以把缸底止口配合设计为过盈配合。缸底过盈装配如图 3 所示。由图 3 可知，缸底止口尺寸为φ270 s8，这样缸底就和缸筒的配合最小过盈量为 0.028 mm，最大过盈量为 0.239 mm。装配前把缸筒装配部位加热胀大，把缸底装入缸筒，用铜棒把缸底敲入缸筒到底。装配完成后采用普通自动环焊机进行缸筒焊接，同样通过 5 组数据分析，对比采用间隙配合焊缝的最大收缩量。通过对比可知，减少配合间隙为 0.20 mm，焊接后可取得更小的缸筒收缩量。

图3 缸底过盈装配Fig.3 Interference fit assembly of cylinder bottom

3.3 预留焊缝收缩间隙

在防焊缝收缩措施中，一种行之有效的方式是增加防焊缝收缩变形的锥孔。锥孔装配如图 4 所示。缸底的止口外圆为φ271 g7，缸筒止口配合处内孔为φ271 H9，同时在缸筒内车削 30～50 mm 长不等的锥孔，锥孔的长度为 50 mm。在缸底与缸筒的配合仍然为间隙配合，最小间隙为 0.017 mm，最大间隙为 0.199 mm。在后续焊接后缸筒的收缩靠 1/100 斜度的锥孔来抵消。在焊接非影响区的缸筒内孔尺寸还是φ270 H9，保证导向环的正常使用。同样通过 5 组数据分析，采用预留焊接收缩锥孔焊接后，测量缸筒内孔尺寸，均在φ270 H9 设计公差范围内。

图4 锥孔装配Fig.4 Assembly of taper hole

3.4 增大导向环槽尺寸公差

图5 导向环尺寸公差示意Fig.5 Sketch of dimensional tolerance of guide ring

3.5 合理的焊接工艺

合理的焊接工艺可以减小焊接变形，在缸底组装后进行 4 点点焊固定，利用小电流进行打底，之后实行分层焊接，每层焊接完成后停机进行清渣，减少焊接夹渣与气孔，同时还可以让焊缝冷却，以减少内孔的焊接变形。

4 结语

合理的焊接工艺可以减少焊接变形，但缸筒的变形量仍然会较大，同时不利于提升焊接效率；最后一道导向环槽尺寸公差增大的方法能解决掉导向环摩擦加剧乃至挤碎的风险，但同时带来的弊端是在缸筒的非焊接变形影响区内，导向环与缸筒的配合间隙变大，削弱了活塞的导向作用；缸底与缸筒止口采用过盈配合装配的方法，在装配过程中操作较为麻烦，必须添置对缸筒内孔加热的设备，同时装配时缸底会对缸筒内已经电镀的表面形成挤压破坏；窄间隙焊接在解决焊接变形方面优势明显，但需要购置窄间隙环焊机，窄间隙焊机的焊枪属于易耗件，而且价格较高，对企业的经济负担较重；缸筒增加焊接收缩锥孔的方法目前来说比较好操作，但在实际应用中应注意在加工过程中保证缸筒的缸底安装止口、焊接收缩锥孔与缸筒基准孔的同轴度。