液压支架焊接裂纹与控制方法研究

葛洋 黄桂芳 葛蔓

摘 要：液压支架是煤矿采掘工作面的重要支护设备，其结构件复杂，制造要求高，焊接量大，但是由于焊接时容易产生焊接裂纹，影响液压支架的使用寿命。本文针对煤矿液压支架结构件焊接裂纹成因和控制措施进行深入探究，提出了有效的控制焊接裂纹的控制措施，为支架焊接及其焊接裂纹预防提供了借鉴和指导。

关键词：液压支架；焊接裂纹；控制措施

在液压支架中，结构件和油缸多由焊接组对而成，其中结构件包括顶梁、掩护梁、四连杆、底座等箱体结构，这些箱体由顶板、主筋板、立筋板、耳板、盖板等组成；而油缸的缸体与缸底、活柱与活塞也是焊接而成，所以焊接是液压支架制造的关键工艺，焊接的质量将直接影响到液压支架的使用寿命。焊接裂纹是焊接过程中最常见的缺陷之一，焊接裂纹将导致支架承载能力的下降，直接威胁矿山安全。本文主要分析了液压支架在焊接过程中裂纹主要形式，焊接裂纹产生的原因，并针对焊接裂纹产生的原因制定了控制焊接裂纹的有效措施，为液压支架生产过程中的焊接裂纹控制提供借鉴和指导。

1 液压支架焊接裂纹分析

液压支架的部件在焊接过程中容易产生缺陷，主要有焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔和焊缝外观缺陷等。这些缺陷减少焊缝截面积，降低承载能力，产生应力集中，引起裂纹，降低疲劳强度，易引起焊件破裂导致脆断，其中危害最大的是焊接裂纹。

液压支架焊接件产生的破坏事故大部分都是由焊接裂纹所引起的。焊接裂纹不仅减少了焊接接头的工作截面，降低了焊接结构的承载力，也构成了严重的应力集中，降低了结构的疲劳强度，同时容易造成缸体的泄露，为日后使用留下了巨大的隐患。裂纹根据产生的机理可分为：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹等。热裂纹是在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时所产生的裂纹。热裂纹可分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三类，其中结晶裂纹是在液压支架部件焊接过程中经常出现的裂纹。再热裂纹是焊后焊件在一定温度范围内再次加热（消除应力热处理或其它加热过程）而产生的。再热裂纹通常发生在熔合线附近的粗晶区中，从焊趾部位开始，延向细晶区停止。

2 液压支架焊接裂纹产生的原因

液压支架焊接裂纹容易出现在多层多道焊的打底焊缝（第一道焊缝）上，由于裂纹多出现在焊缝内部，且焊后立即出现裂纹，故一般属于热裂纹。此类裂纹主要是焊缝在结晶凝固至固相线附近，由于凝固金属收缩时残余液相不足，导致沿晶开裂而产生的裂纹。当支架所用钢材或焊材中杂质含量较多（特别是硫、磷等）易出现此类裂纹；当焊接预热温度低、拼装间隙过大、焊接参数选择不当时也会增加此类裂纹的产生几率。

液压支架结构件底座、顶梁、前梁、掩护梁等由厚度为12mm-40mm的钢板焊接而成，钢板材料多用16Mn钢，16Mn钢属低合金高强度钢，根据国际焊接学会推荐的低合金结构钢的碳当量的计算公式，16Mn钢的碳当量：

当CE<0.4%时，钢材的塑性良好，通常情况下可焊性较好，但当板厚、焊接应力较大、环境温度较低时，焊接16Mn钢易产生裂纹，且通常产生于首道焊缝中心。属结晶裂纹，裂纹的产生有以下几方面的原因：

第一，焊接应力。焊接过程中焊接接头区域受不均匀加热和冷却的作用，其膨胀和收缩受四周冷金属的约束不能自由进行，因此产生焊接应力和焊接变形；钢板厚度越大，刚性越大，焊后产生的应力就越大，当焊接应力足够大时，导致产生焊接裂纹，甚至造成脆断。

第二，焊接结构设计不够合理。造成焊接裂纹的一个重要原因是焊接结构设计不够合理，有的地方造成应力集中，有的焊缝强度未经过详细核算造成强度不够，在一些构件截面改变的地方，没有设计成平缓过渡，而形成夹角，不同板厚构件的对接接头未能采用圆滑过渡，有些焊缝过大等。

第三，零件加工装配不合理。液压支架装配过程中，有时由于零件尺寸加工误差，板件校平不够，有时强行装配，造成很大的拘束；有时尺寸不够，靠焊缝来填补，造成应力集中，在对接和角接时，由于存在外部作用和拉伸应力时，很容易产生焊道下裂紋。装焊次序十分重要，有时装配工人为了图省事，不按规定顺序来装配，也容易产生焊接裂纹。

3 液压支架焊接裂纹控制措施

第一，液压支架焊前的预热。在液压支架实际焊接过程中，我们为了保障受热均匀，部件装配、点组后，应采取整体预热的方式进行预热，预热温度一般在150℃～200℃。等到预热后要及时焊接，这个温度应该控制在130℃～150℃之间。预热以降低冷却速度，一般冷却速度升高，焊缝金属的应变速率也增大，容易产生热裂纹。预热对于降低热裂纹倾向比较有效，因为预热改变了焊接热循环， 能减慢冷却速度，增加偏析倾向。

第二，从工艺方面减少焊接应力。选择合理的焊接顺序，焊接顺序应尽量使焊缝的纵向收缩和横向收缩比较自由，不受较大拘束拼板时，先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。在焊接中宜采用先焊横向焊缝，再焊纵向焊缝，最后焊垂直角焊缝这个原则，并尽量采用对称中分式方法焊接。在出现收缩应力导致开裂的时候，我们应至少组成两半焊接且方向相反。另外，同时需要注意的是主筋板和盖板的焊缝要压过盖板坡口斜边和主筋的垂直边，在最后一层焊缝应先焊与母材相接的焊道，最后焊中间焊道。

第三，尽量减少应力集中。从焊接结构设计到整个焊接过程中都应尽量减少应力集中。从设计方面应注意坡口形状、配合间隙、壁厚差过渡、便于施焊等，从工艺方面应注意在焊缝交叉处留释放应力孔，长焊道采用分段焊，装配顺序合理，复杂构件要掌握合理的施焊顺序，避免大电流焊接等等。

4 结论

在液压支架焊接时，焊接裂纹是最常见的焊接缺陷，为了把焊接裂纹带来的影响降到最低，通过分析焊接裂纹的类型和产生焊接裂纹的主要原因，制定了控制焊接裂纹的主要措施。在焊前选用合适的焊丝，采用合理的焊接工艺，必要时进行焊前预热或后热；同时，焊接时接头必须干燥，点焊不应该太深，点焊位置应使其在施焊时能够重新熔合，从而为减少焊接裂纹，控制焊接质量，确保液压支架的承载和质量提供了指导和借鉴。

参考文献：

[1] 闫殿华.煤矿液压支架焊接技术的研究[J].工程技术：文摘版，2016（2）：00083-00083.

[2] 厉华.液压支架结构件焊接工艺研究 [J].同煤科技，2014（1）：24-28.

[3] 郭世敬，赵志刚，何志松.液压支架焊接变形及其控制方法[J].金属加工（热加工），2011（12）.