矿用液压支架顶梁焊接特性分析

尉建辉

（同煤集团机电装备公司中央机厂，山西大同 037000）

0 引言

随着国家对煤矿的大量开采，越来越多的煤矿设备被应用到了煤矿开采中，液压支架作为煤矿开采中的重要支撑设备，已在煤矿开采中起到至关重要的作用。液压支架的结构相对复杂，主要由钢结构、液压系统、电气控制系统等组成，而顶梁则是液压支架钢结构中的关键部件，其结构的综合性能好坏直接影响着液压支架的支撑效果。顶梁在焊接生产中，由于工件尺寸、焊接工艺、焊接顺序等诸多因素影响，导致顶梁在焊接过程中发生了较明显的结构变形，严重影响着液压支架的正常作业。因此，有必要对顶梁的焊接特性开展分析研究[1-3]。以液压支架顶梁变形分析为基础，建立了液压支架顶梁的仿真模型，从焊接过程温度场变形、结构变形量等方面开展了顶梁的焊接过程分析，并由此提出了控制顶梁发生较大焊接变形的措施。该研究对降低顶梁的焊接变形量、提高其焊接质量具有重要意义。

1 液压支架顶梁焊接变形分析

结构液压支架顶梁的结构特点，可确定顶梁的结构主要由顶板、底板、4根支撑梁等结构组成。液压支架顶梁焊接过程中，受工件结构尺寸、零件材料属性及焊接工艺等影响，导致其在焊接过程中发生了一定程度的焊接变形[4-6]。而由于顶梁的支撑梁与顶板、底板等部件之间的焊接采用的是角焊接，因此，整个顶梁的焊接变形主要为角变形，该种变形属性为外部变形。顶梁焊接时发生角变形的主要原因为：工件焊接过程中，在焊接点处产生了较高的热量集中，而在焊接后部位处的热量则出现缓慢降低趋势，受热胀冷缩影响，顶梁在焊接正面出现较大的变形，而在焊接背面则出现较小的变形，由此，使顶梁整体在焊接平面内或平面外发生了不同程度的结构变形，变形也随焊接温度及位置的变化而呈无规则的变形。当焊缝处温度降低至常温后，工件的变形基本才停止变形。同时，在顶梁焊接过程中，其变形量也受焊接坡口的大小、焊缝宽度及高度、焊接顺序、操作人员焊接水平等因素影响。在整个变形过程中，支撑梁在加热、冷却过程中，其结构收缩方向主要向一侧进行收缩，因此，支撑梁基本未发生波浪、翘曲等变形，而顶板则向横向发生收缩现象。由此，预测了液压支架顶梁焊接后的变形示意图，如图1所示。

图1 液压支架顶梁焊接变形预测图

图2 单条焊缝的顶梁模型图

2 液压支架顶梁模型建立

2.1 三维模型

由于顶梁结构主要由顶板、底板、4根支撑梁等部件组成，且整体采用焊接方式进行连接。因此，采用Solidworks软件，对液压支架顶梁进行三维模型建立。由于顶梁的结构为上下及左右对称，且整体结构的焊接量相对较大，而在焊接过程中，主要采用的是自动化焊接，每条焊缝的焊接质量及稳定性基本相同。为缩短后期的仿真时间，仅选择了一条焊缝来代替顶梁的所有焊缝，在对结构上圆角、倒角进行模型简化后，建立了简化后的单条焊缝顶梁三维模型，如图2所示。

2.2 仿真模型

结合建立的简化后顶梁三维模型，将其导入ANSYS软件中，对其进行了仿真模型建立。在建模过程中，采用了Plane77单元类型，对顶梁进行网格划分，并对焊缝周边区域网格大小设置为6 mm，较远区域焊缝网格大小设置为10 mm，顶梁的网格划分图如图3所示，以此来缩短仿真时间。同时，将顶梁模型的材料设置为Q345材料，并在软件中建立了材料的工程数据库，通过插值法，对材料焊接过程中热值参数进行计算和设置，顶梁焊接时的材料及热值参数如表1所示。另外，结合顶梁的时间焊接情况，对此条焊缝焊接时间设置为220 s，针对焊接区的焊接热源温度加热到1 500℃，工件上的预热温度设置为90℃，并将双椭球热源函数加载到顶梁的焊缝上，由此完成了顶梁焊接的仿真模型。

图3 顶梁焊接过程网格划分图

表1 顶梁Q345材料的主要性能参数表

3 液压支架顶梁焊接过程仿真分析

3.1 焊接过程温度场变化

根据前文开展的液压支架顶梁焊接过程仿真分析，得到了焊接过程温度场的变化图，如图4所示。由图可知，焊接过程中，在支撑梁与底板焊接的左右焊接部位，出现了较高的温度集中现象，且在整个稳定焊接过程中，焊缝处的温度冷却速度相对较慢，基本保持在同一高温环境。另外，在焊缝周边的温度随距离的变大而呈逐渐降低趋势，在底板两侧基本无温度集中现象，支撑梁上温度相对较高。由此，找到了液压支架顶梁焊接过程的温度变化规律，因此，在焊接过程中，为提高焊缝处的焊接质量，可待工件焊接结束后，对焊缝进行统一的淬火、调质等处理。此现象与实际焊接过程基本吻合。

3.2 焊接过程结构变形

图4 液压支架顶梁焊接过程温度场变化图

图5 液压支架顶梁焊接过程结构变形图

鉴于液压支架顶梁焊接过程为高度的非线性过程，因此，采用塑性分析焊缝对液压支架顶梁进行焊接分析，得到了液压支架顶梁焊接过程中结构的变形结果，如图5所示。由图可知，在整个焊接过程中，工件的左后侧、支撑梁后上端等部位发生了较大程度的结构变形，并沿焊缝处呈逐渐减小的变化趋势，而工件焊缝处的焊接变形量则相对较小，同时，支撑梁的前端及底板右后侧的变形量也相对较小，分析其原因为：工件的焊接顺序是从后端向前端进行，工件在焊接应力及温度场影响下，导致了先焊接部位发生了较为明显的变形，而后焊接部位变形量则相对较小。由此，找到了液压支架顶梁焊接过程的变形规律，而其他支撑梁处的焊接变形基本相同。

4 液压支架顶梁焊接变形的控制措施

结合前文对液压支架顶梁焊接过程的分析可知，在其焊缝处出现了较高温度的集中现象，且在顶板左后侧出现了较明显的结构变形，严重影响着液压支架顶梁的支撑效果[7-8]。因此，针对顶梁的焊接问题，制定了如下焊接控制措施：

（1）顶梁焊接过程中，可采用先焊中部支撑梁，再分别焊接左右两端支撑梁，最后焊接剩余2根支撑梁的顺序进行焊接，同时，单根支撑梁焊接时，可采用左右交替焊接方式进行焊接，保证工件在收缩过程中具有相当均匀的收缩结构；

（2）顶梁焊接时，可先将地板与焊接平台进行点焊接固定，并在适当位置焊接压块结构，固定位置尽量选在焊缝附近，以此来保证底板具有较小的变形量；

（3）顶梁焊接时，可选用合理的焊接方式，最常用的是等离子氩弧焊、二氧化碳保护焊等，同时，设置适当的焊接工艺参数，以此来控制焊接件的结构变形；

（4）在刚完成焊缝焊接部位，采用冷水方式对焊缝进行散热处理，缩小焊缝处的焊接热场，减小结构的变形；

（5）设计合理的焊接工装夹具，通过对焊接工件进行锁紧固定，以此来降低结构的变形量。

5 结束语

顶梁的焊接变形已直接影响着液压支架的支撑性能，有效控制顶梁的焊接变形，已成为当下的重点工作。因此，分析了液压支架顶梁的变形特点，采用Solidworks及ANSYS软件，建立了液压支架顶梁的仿真模型，以焊接过程温度场变形、结构变形量等方面为切入点，开展了顶梁的焊接过程分析，找到了顶梁焊接过程的温度场及结构变形规律，并由此提出了控制顶梁发生较大焊接变形的控制措施。该研究对降低顶梁的焊接变形量、提高其焊接质量具有重要意义，也为后期进一步开展液压支架其他部件焊接性能的研究提供了参考。