液压支架结构件焊接常见缺陷与工艺研究

摘要：针对自动化焊接过程中液压支架部件批量生产时出现的坡口对接焊缝缺陷问题，进行了一系列焊接实验并检查了焊缝的金相结构。实验结果显示，在多层多道焊接的过程中，焊缝内部的板条状结构，如马氏体和贝氏体，被细小的针状铁素体和相互交织的下贝氏体精密地划分开。这是由于每一层焊接在为下一层焊接提供预热的同时，也被下一道焊接过程重新加热，导致微观结构的不均匀性。通过坡口对接焊接缺陷的分析，表明这些缺陷主要是由于在自动化生产线上，零件装配时的间隙不一致导致的未熔合缺陷。因此，提出了一种结合手工部分打磨和机器人焊接的工艺策略，以解决这一问题。这不仅为液压支架部件的焊接方法提供了理论依据，还扩大了焊接机器人的使用范围。

关键词：液压支架结构件焊接常见缺陷焊接工艺

ResearchontheCommonDefectsandProcesstheStructuralComponentWeldingofHydraulicSupports

WANGFeiXIELingLiZHAOYun

ShanxiEngineeringVocationalCollege，Taiyuan，ShanxiProvince，030009China

Abstract：Inordertosolvetheproblemofthebuttweldingdefectsofgroovesinthemassproductionofthecomponentsofhydraulicsupportsintheautomaticweldingprocess，thispaperconductsaseriesofweldingexperimentsandinspectsthemetallographicstructureofwelds.Experimentalresultsshowthatintheprocessofmulti-layerandmulti-passwelding，thelath-shapedstructureinwelds，suchasmartensiteandbainite，isfinelydividedbyfineacicularferriteandstaggeredlowerbainite，whichisbecauseeachlayerofweldingisalsoreheatedbythenextweldingprocesswhileprovidingpreheatingforthenextlayerofwelding，leadingtothenonuniformityofthemicrostructure.Throughtheanalysisofthebuttweldingdefectsofgrooves，itisshownthatthesedefectsaremainlynon-fusiondefectscausedbyinconsistentgapsduringcomponentassemblyonautomaticproductionlines.Therefore，thispaperproposeaprocessstrategythatcombinesmanualpartialpolishingandrobotweldingtoaddressthisissue，whichnotonlyprovidesatheoreticalbasisfortheweldingmethodofthecomponentsofhydraulicsupports，butalsoexpandstheapplicationrangeofweldingrobots.

KeyWords：Hydraulicsupport;Weldingofstructuralcomponents;Commondefect;Weldingprocess

液压支架作为现代煤矿采掘的核心设备，通常采用复杂的箱体结构设计，其焊接部位错综复杂。在这些设备的生产过程中，焊接的品质显得尤为关键，这是因为焊接上的缺陷通常是液压支架故障的主要原因。本研究主要关注由Q690钢制成的高级液压支架顶梁，并采用超声波等高级技术进行焊接缺陷的检测。对Q690钢制液压支架上常见的焊接缺陷进行了详尽的分析，如焊缝未熔合、气孔、裂缝等，探究了这些缺陷产生的原因，并在此基础上提出了有效的预防措施。

1液压支架结构件焊接工艺研究

1.1实验条件及方法

本次实验使用了Q460等级的低合金高强度钢作为试验材料，其板材尺寸规格为200mm长、75mm宽、20mm厚，设定了一个45°的单边V型坡口，其中钝边宽度设为4mm，根部间隙为3mm[1]。为确保焊接区域的清洁，去除水分和油脂，坡口区域需用不锈钢丝刷进行彻底打磨。同时，在焊接过程中，焊缝必须与钢板的轧制方向垂直对齐。在实验中，使用了直径为1.2mm的MK-GHS-60型号焊丝。焊接任务是由华恒品牌的KUKA机器人执行的，使用脉冲焊接电源进行操作，采用气体金属电弧焊（GMAW）技术进行多层多道焊接。焊接保护气体采用80%的氩气和20%的二氧化碳混合气体，流量设置在15～20L/min。焊接前，坡口预热温度需达到100～150℃，且在整个多层焊接过程中，层间温度需保持在100℃以上（如表1所示）。

焊接作业完成之后，对Q460级别的焊接试验钢板没有执行任何热处理程序，而是让其在常温下自然冷却，并静置24h。之后，采用机械方式截取了用于金相分析的试样，这些试样经过砂轮磨平，再对样品进行抛光和腐蚀处理，为在金相显微镜下进行观察和微观结构变化分析做好准备。在抛光过程中，使用了氧化铬和悬浮液作为抛光剂，而腐蚀处理则采用了5%硝酸酒精溶液作为腐蚀剂。

1.2金相试验结果与分析

低合金钢焊缝的微观结构主要包括以下组成部分：一是共析铁素体；二是针状铁素体、侧板状铁素体；三是贝氏体和马氏体。研究指出，以针状铁素体为主体并含有微量M-A相的焊缝显示出优异的机械性质（如图1所示）。本实验制作的多层多道焊接样品焊缝形成良好，底层焊接区域的微观组织以贝氏体为主，且结构细腻。这是因为底层焊接时的热输入相对较低，导致奥氏体化过程中晶粒增长不显著，而后续的焊接过程相当于对这些区域进行了回火，进而细化了这些组织。对于顶层焊接区域，由于热输入较大，奥氏体化晶粒显著增长，热影响区内铁素体含量增多，结构较粗[2]。

底部焊缝由于后续的焊接步骤中的加热作用，在靠近顶部的地方经历了第二次的固态相变，呈现出明显的结构变化。图2（a）显示了底部焊缝的微观结构，以下贝氏体和针状铁素体为主，具有较小的晶粒大小。图2（b）揭示了靠近顶层的底部焊缝的微观结构，主要由下贝氏体和针状铁素体构成，夹杂着少量的板条状马氏体，晶粒较粗大。这种现象的主要原因是在焊接过程中，再次加热导致峰值温度超过了Ac3点，从而引发了这种结构变化。随着接近顶层的距离逐渐减少，晶粒尺寸也相应增大[3]。在焊接顶层区域，由于之前的焊道预热作用，导致在冷却阶段高温停留的时间相对较长，使得焊缝中的贝氏体和针状铁素体交错分布，如图2（c）所示。

在多层多道焊接的过程中，焊缝内的板条状马氏体和贝氏体等结构被均匀地分散和细化，形成了针状铁素体和交错排列的下贝氏体。底层焊接对顶层焊接区域起到了预热作用，而顶层焊接对底层焊接区域则有再加热作用，造成了微观组织的不均一性。底层焊接对顶层热影响区的预热减少了顶层粗晶区中板条马氏体的生成，降低了淬硬倾向；而顶层焊接对底层热影响区的再加热和缓冷作用，使底层粗晶区形成更多的贝氏体结构[4]。在进行顶层焊接时，选择较低的热输入旨在保证填充焊缝的同时，确保了焊接的成型质量。因此，控制焊道数量和熔接宽度成为焊接过程中的关键考虑因素。

2常见液压支架结构件焊接缺陷与解决措施

2.1支架结构件焊接常见缺陷

2.1.1未熔合

未熔合主要表现为焊缝的根部未熔透和道间未熔合。根部未熔透通常是由以下因素引起的：拼接间隙过小，导致液态金属无法充分填充；焊接电流设置过低或焊接速度过快，造成热量不足，无法使母材完全熔化；焊缝根部存在氧化皮或未清除的油污；焊丝的摆动角度不正确，使液态金属无法正确地流入焊缝。对于液压支架顶梁体盖板，由于其多为压型部件，压型精度不足可能导致与主筋的拼装间隙不均匀，进而引发根部未熔透[6]。在焊接过程中，道间未熔合的原因包括焊接电流过低、焊接速度过快、焊道清理不充分等，或由于焊工的不当操作，如前一道焊缝产生深的凹槽或下一道焊缝位置选择不合适[7]。

2.1.2裂纹

在液压支架的焊缝中，裂纹是最严重的缺陷，它常导致焊接接头的疲劳断裂。这类裂纹多出现在多层多道焊接的底层焊缝处。这些裂纹通常是热裂纹，是由于焊缝在结晶和凝固过程中金属收缩而造成的。当钢材或焊材中含有较高比例的杂质，尤其是硫和磷等元素时，会增加裂纹产生的可能性。此外，低预热温度、过大的装配间隙以及不适当的焊接参数选择也会提高裂纹形成的风险。预防措施：控制母材和焊材中硫、磷含量低于0.025%[8]；确保装配间隙不超过2mm；为了保证焊接质量，必须采取措施来正确选择预热温度和焊接参数。例如：在处理Q690钢时，需要确保将预热温度控制在150～200℃之间，并限制焊接电流不超过300A。

2.1.3气孔

气孔生成是液压支架结构件在进行CO₂气体保护焊接时的一个常见问题，其原因主要包括气体供应不稳定、气体含水量高、电弧保护不充分、电弧过长、焊缝未彻底清洁或焊材氧化。这些因素都可能导致空气进入熔池，形成气孔。气孔会降低焊接区域的实际承载面积，破坏焊缝的连续性，从而严重影响液压支架的焊接质量和可靠性。为了预防气孔的形成，在进行液压支架焊接时，应避免使用带有锈蚀的焊材，并确保在焊接之前将焊缝两侧20mm范围内的油污、水分、锈迹、氧化层及其他杂质进行彻底清理。

2.2解决措施

为避免焊接缺陷，在液压支架构件焊接时，应确保组装间隙控制在1～2mm范围内；焊接前需清除焊缝两侧20mm内的油污、水分、锈蚀、氧化层及杂质。焊接前对顶梁体进行预热至150～200℃，并在焊接后加温至250℃，保持3h以进行消氢。焊接应从顶梁中心向两侧展开，以均衡应力分布；焊缝与母材的连接处应尽量平滑过渡，适当调整焊枪的角度以达到最佳位置，确保焊丝的摆动适中，并且密切观察焊缝坡口两侧的熔化状况。底部焊接时的电流应设定在260～280U/R之间，而填充焊接阶段的电流则应在280～300U/R范围内。焊接速度维持在350～450mm/min之间。使用80%氩气加20%二氧化碳的混合保护气，流量控制在18～20L/min，确保气体的干燥度。焊接环境应保持空气流动平稳，避免风扰。在焊接过程中，为了确保电弧的正确性，需要及时调整焊丝的角度，并在必要时清理焊接的不同层次。

3结语

液压支架作为一种包含复杂厚板箱体结构的重要设备，在运行中主要面临动态负荷，其中焊接部分的缺陷极易导致疲劳断裂，从而缩短了其使用寿命。通过深入分析并采取一系列改进措施，我们成功地提升了这些结构件的焊接质量，在实践中显著提高了其性能，这些经验对于公司未来同类产品的制造和质量控制具有极大的参考价值。

参考文献

[1]王跃功，李奎.高端液压支架结构件焊接质量控制及研究[J].煤矿机械，2023，44（7）：98-99.

[2]张晓江.提高液压支架结构件修复质量的途径[J].机械管理开发，2022，37（10）：300-302.

[3]马宇，胡增光，崔磊.液压支架焊接质量影响因素分析与控制措施分析[J].现代制造技术与装备，2022，58（8）：185-187.

[4]常彦鹏.液压支架结构件焊接工艺水平研究[J].当代化工研究，2022（10）：150-152.

[5]张雅洁.探析液压支架结构件制造的工艺[J].当代化工研究，2020（1）：123-124.

[6]邢磊.液压支架制造工艺技术初探[J].当代化工研究，2019（14）：101-102.

[7]董菲菲.液压支架各部件常见故障及维修分析[J].机电工程技术，2019，48（1）：140-142.

[8]刘峰.液压支架结构件生产的过程控制探究[J].内燃机与配件，2019（1）：85-86.