液压支架顶梁焊接变形控制研究.pdf

煤矿现代化 2 0 1 5 耳第4 期 总第1 2 7 期 液压支架顶梁焊接变形控制研究 吴 娟 大 垌 山西省霍州煤 电鑫钜煤机研 究所，山西 霍州 0 3 1 4 1 2 摘要液压支架在煤矿采掘中起着支撑工作 面的作用， 是开展煤矿机械化综采的重要设备之一。 液压 支架的制造工艺多以焊接为主 ， 但是焊接过程中由于结构件受热不均等其他因素的影响 ， 容易造成焊接 变形 ， 从而影响焊接质量 ， 进而影响焊接支架的使用性能。其中， 顶梁是液压支架中承力的关键部件 ， 其 焊接质量直接影响着焊接支架的使用性能，因此对液压支架顸梁焊接变形控制的研 究能够有效地提高 煤矿生产效率及其安全性。笔者将根据多年在霍t ,1 1 煤电鑫钜煤机研究所的工作经验， 对液压支架顶梁焊 接变形的原因进行分析 ， 并进一步控制液压支架顶梁焊接变形的操作技巧及相关的工艺措施。 关键词液压支架 ； 顶梁； 液压支架顶梁； 焊接 变形； 控制 中图分类号 T D 3 5 5 ． 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 9 0 7 9 7 2 0 1 5 0 4 0 0 5 2 0 3 液压支架顶梁制造生产 中， 焊接是最重要的制造 工艺。 虽然焊接工艺能够保证液压支架顶梁与各结构 件 的有效联接 ， 并且能够保证液压支架顶梁的刚性指 标 ， 但是在施 焊过程中由于焊接热 的产生 ， 这种不均 匀 的受热环境会破坏金属的金相结构并产生焊接变 形 ， 如扭曲变形 、 弯曲变形及收缩变形等。 这种焊接变 形不仅影响着液压支架顶梁的外部质量 ， 也会影响到 顶梁后期的装配工作， 对液压支架的整体质量造成危 害， 而且结构件一旦产生变形， 在焊接工序完成后很 难矫正。因而， 在焊接过程中必须通过合理的焊接手 段以及工艺措施严格控制焊接结构件产生变形。 1 焊接变 形的产 生原理 、 特点及表现 形式 1 ． 1 焊接内应力的概述及对焊接变形的影响 一 般来说 ， 金属在没有外力作用的情况下， 其本 身也存有 内应力以保证金属处于平衡状态 ，即当金 属结构处 于 自由状态 ， 受到一定 的温度应力影 响时 ， 虽然金属结构暂时会膨胀或伸长，但是当温度应力 消失 以后 ，金属结构 的内应力会保证 金属外形结构 不会 出现变化 ，这种 内应力普遍存在于各类金属结 构 中。 金属结构的变形原理为 当金属结构受到外界 约束力时 ， 此时金属再次受 到温度应力 的影响 ， 金属 结构 由于受到外界约束力的影响则无法恢复到 自由 形 态 ， 进 而金属的形 态会发生变化 ， 产生塑性 变形 。 液压支架顶梁机构在焊接工艺完成后 ，出现塑性变 形的原理与上述金属结构 的变形原理是相 同的 ， 在 焊接过程 中顶梁结构件主要受到 了温度应力以及残 余应力 的影 响才会发生变形。具体分析如下 当液压 支架顶梁结构受到焊接热时 ， 由于受热不均匀 ， 处于 受热区域 的金属结构会 随着温度的升高而产生伸长 变形 ，但是这种变形趋势会受到两端非受热 区的约 5 2 束力的影响， 从而金属 内部 的平衡状态被破坏 。当温 度应力不高 低 于金属屈服强 度 时 ， 金属不会发生 变形 ， 但是当温度应力高于金属屈服强度时 ， 金 属就 会产生一定的塑性变形。 产生塑性变形后， 金属恢复 自由状态时就会产生新 的内应力 ，此 时金属内部便 会存有残余应力 ， 这种残余应力得不到有效 的释放 ， 金属的塑性变形就会一直存在 。按照应力产生原因 来 区分 ， 焊接应力主要包括热变力 、 相变应力 、 塑变 应力 、 焊接瞬时应力等 。由于这些焊接应力的影响促 使液压支架顶梁结构在焊接过程 中容易 出现变形或 开裂 ， 如 当液压支架顶梁 中存有焊接残余应力时 ， 其 结构 内部所承受的压应力和外载压应力叠加之和可 能会达到材料的屈服极限 ，造成顶梁稳定性下降产 生变形，可见残余应力会直接影响到液压支架顶梁 结构的质量及性能。当然， 焊接残余应力对于金属结 构来说 ， 也并非完全是有 害的， 根据钢结构在工程 中 的受力情况 、 材料 的选用 、 不 同的结构设计等 ， 正确 选择焊接工艺， 可将不利的因素变为有利的因素。 1 ． 2 焊接变形的特点及表现形式 基于上述分析可知 ，焊接变形与焊接残余应力 有着直接 的关 系 ， 而焊接的变形量则与工件 的尺寸 、 材料性能 、 受热条件有直接的关系。金属结构在焊接 过程 中， 受到不均匀的焊接热的作用 ， 由于这种热能 仅集中于焊接位置，使得金属受到局部热应力的影 响 ， 就会产生平面内或平面外的变形 。 这种变形是 自 焊接工序初始时就已产生 ，同时变形状态会随着焊 接热的移动以及焊件温度分布的变化而变化，即当 焊件的施焊处会受 到焊接热影响而 出现膨胀变形 ， 但也会随着金属的冷却而产生收缩变形，这种变形 的过程在焊接工序完成后才能结束 。 一 般来说 ，我们所研究 的焊接变形所指的是焊 接残余变形 ，焊接残余变形 的主要表现形式为横 向 煤矿现 代化 2 0 1 5 年第4 期 总第1 2 7 期 收缩变形 、 纵 向收缩变形 、 回转变形 、 横 向弯 曲变形 、 纵向弯曲变形、 波浪弯曲变形等等。这些焊接残余变 形的产生与焊件 的形态 、 尺寸 、 焊缝在焊件上的位置 、 焊缝坡 口的几何形状等 因素有关 。 液压支架顶梁焊接 工序 中， 顶板与主筋板之间的焊缝多为角焊缝 ， 容易 产生角变形 ， 因此对于角变形 的研究 ， 可 以有效地控 制液压 支架顶梁焊接变形 ， 这对于液压支架顶梁质量 及结构的使用性能具有重要的意义 。 液压支架顶梁焊 接工序 中， 顶板与主筋板之间的焊接量较大 ， 且两者 之间为 T形联接。在实际生产中， 工人多采用双侧 自 动焊 的方法进行焊接 。焊接过程 中， 焊件的平面在焊 缝周 围发生角位移 ， 因此顶梁结构 的焊接多发生角位 移。但焊接角变形多发生在焊接平面外 ， 其根本原 因 是焊缝的横 向收缩 。液压支架顶梁顶板的钢件较厚 ， 焊缝在收缩过程中 ，在厚度方向上横 向收缩力不均 匀 ， 焊缝正面的收缩量高于焊接背面。从而造成后面 平面发生角变形偏差。由于主筋板的存在 ， 焊缝的纵 向收缩力受到 了一定的限制 。 焊接角变形的大小取决 于熔化 区的宽度和深度以及熔深与板厚之 比、 接头类 型 、 焊道次序 、 材料性能 、 焊接过程参数等因素。 2 控制焊 接变形 的焊 接手段及 工艺措施 霍州煤电鑫钜煤机研究所承接的放顶煤液压支 架顶梁 的焊接结构工艺的规程 的设计 ，顶梁结构属 多隔板焊接结构件 ，主要部件采用 Q 5 5 o与 Q 6 9 o高 强度板 ，板厚约为 1 2 ～ 3 0 mm，交叉 与双面角焊缝较 多 ， 焊接量较大 。顶梁作为液压支架 的基础支撑件 ， 与相 关结构 件 的配 合 以及 对 自身形位公 差要 求较 高 ，因而需要研究 出一套可行性 的焊接操作规程 以 及工艺措施 以控制焊接变形 ，进而有效的保证液压 支架顶梁结构的质量 。 2 ． 1 焊接准备过程中补偿及控制焊接变形的措施 一 般来说 ， 液压支架顶梁施焊之前 ， 要先进行下 料 ，也要确定好相关 的焊接工艺并且对焊件进行测 试 ，分析出在焊接过程 中可能出现焊接变形的位置 及方 向， 并进行预先控制。如在下料过程 中 ， 需要严 格控制好各连接件的尺寸及其公差 ，为了防止各种 横 向收缩 ， 在点装 中间筋板 时 ， 可以人 为地将各档档 距之间的尺寸加大 ，这样焊好后各 档距收缩正好达 到所需要 的尺寸 ， 满足了零件 的各种尺寸要求 ， 保证 零件的使用和后续装配的进行。 2 ． 2 优化焊接工序 ， 采用合理的焊接手段控制变形 事实上 ，合理的焊接顺序 以及 焊接工艺参数对 于焊接变形的影响也较 为显著 。就 目前焊接工艺的 发展情况来说 ，手工电弧焊过程 中对于焊件 的变形 难以进行合理的控制 ， 因此 ， 液压支架顶梁结构的焊 接中已经逐步淘汰了电弧焊接工艺。一般采用二氧 化碳保护焊以及其他气体保护焊，或者采用自动焊 机进行施焊。由此可见焊接手段的优化 ， 可以有效的 控制焊件的弯 曲及变形。 除了选取合理 的焊接手段外 ，焊接顺序对于焊 件的变形也有一定 的影响。进行液压支架顶梁焊接 时， 为控制焊接变形可按照 以下焊接顺序进行 按照 分层 、 分段 、 由内向外与对称施焊 的原则 ， 首先要按 照工艺及使用要求 ， 在专用工装平 台上 ， 对主筋 、 底 板 、 间隔筋板进行组对 ， 并施点焊 以定位 ， 而后在进 行 由内而外全位置打底焊 ，然后先焊主筋与加强筋 板的角焊缝 ， 再焊与底板连接 的横焊缝 ， 最后焊纵焊 缝 。此外 ， 对于焊接工艺的控制来说 ， 在保证板件接 头处 良好熔合 的前提下 ， 尽量减少焊接电流 ， 并且遵 循多层多道焊的技术规范 。 2 ． 3 采用反变形工艺措施来保证焊接变形的控制 钢件焊接过程 中，采用合理的反变形工艺措施 同样可 以在一定程度上控制焊件 的变形。当然 ， 采用 反变形措施之前 ， 需要对焊件进行相应的焊接测试 ， 以确定出采用反变形措施的类型 ，如薄板零件焊接 反变形措施与厚板零件焊接反变形措施有着本质上 的差别。对于薄板零件来说 ， 容易 出现波浪形变形 。 薄板焊接反变形措施主要是在焊接之前 ，对薄板零 件进行预加热或预拉伸 以控制变形 ，同时也可 以采 用强制施加外力的方式 ， 即薄板钢材焊接时 ， 可 以将 焊缝两侧进行紧压固定 ，加压位置与焊缝之间 的距 离最好保持在 1 5 ～ 2 0 e m， 压力要保证均匀。对于类似 液压支架顶梁 的大型零件来说 ，为 防止焊缝横 向收 缩产生角变形 ，在施焊之前可在重要不封闭位置处 做刚性支撑 以抵抗焊接变形 ，同时也可以设计专 门 的工装夹具将焊件进行预先 固定后再进行焊接 。由 于反变形工艺措施的操作方法较 为简单 ，因而在液 压支架焊接变形 的控制 中应用较为广泛。 3 采用 T A N D E M双 丝 自动焊 的变形控 制 高端液压支架顶梁 中主筋板与顶板焊接时工作 量较大 ，现在液压支架顶梁焊接生产多 以手工焊接 模式为主 ，这种焊接模式生产效率较低且焊缝质量 不高 ， 对于焊接变形也较难控制。高端液压支架顶梁 装配是先将主筋板 、顶板 、立板安装成方格网状结 构 ， 然后在进行人工焊接 ， 虽然这种焊接装配方式可 通过方格 网状结构 的约束效果来控制主筋板与顶板 焊接过程中的焊接变形 ， 但是此种生产模式的效率不 高 ， 不利于主筋板与顶板之间自动焊接生产模式的构 建。为了实现主筋板与顶板 自动化焊接 、 同时提高焊 下转 第 5 6页 5 3 煤矿 现代化 2 0 1 5 年第4 期 总第1 2 7 期 深度增大 ， 瓦斯含量也线性增大。 2 通过分析煤炭开采时瓦斯的分布运移规律 得 出瓦斯抽采原则和抽采方法 ，通过在王坪煤矿采 取与该矿实际情况相结合 的本煤层预抽 、邻近层裂 隙带抽采 、掘进工作面抽采和全封闭采空 区抽采 四 种方法相结合的工程实践 ， 抽采效果明显， 在提高回 采安全性的同时 ， 经济效益也十分显著。 参考文献 【 l 1 陈东科， 王璐， 金龙哲， 等． 煤矿防治瓦斯技术的发展特征 [ J 】 ． 煤矿安全 ， 2 0 0 5 9 6 1 6 2 ． 【 2 ] 陈静 ， 王继仁， 贾宝山． 低透 气性煤层 瓦斯抽采技 术与应 用 f J 】 ． 煤 炭技 术 ， 2 0 0 9 3 7 0 7 3 ． 【 3 ]荀杰， 孙雪琳， 田传强． 付村煤矿综采工作面瓦斯基本参数 的测定及应用[ J 1 。 煤矿现代化 ， 2 0 1 2 2 2 9 3 1 ． [ 4 ] 王峰 ， 张 明杰， 窦 书川 ． 鹤 煤九矿 二 。 煤层 综合 瓦斯抽放 技 术浅析[ J ] ． 煤矿现代化 ， 2 0 1 1 2 6 7 6 9 ． 【 5 1李付涛， 杨胜强， 徐全 ， 等． 瓦斯综合抽放技术的应用【 J 1 ． 煤 炭技术 ， 2 0 1 0 1 2 9 9 1 0 1 ． 作者简介 张建武 1 9 7 0 ． 1 0 一 ， 男， 山西省 朔州市怀仁县 人 ， 工程 师 ， 1 9 9 6年毕业 于山西矿业 学院采矿 工程 系采矿工程 专业 ， 现在 大同煤矿集团朔州朔煤王坪煤电有限责任公司从事采掘及接 替 管理工作。 收稿 日期 2 0 1 5 6 5 Th e Ga s Dr a i n a g e Re s e a r c h a nd Ap pl i c a t i o n i n Hi g h Ga s M i ne Z h a n g J i a n wu Abs t r a c t Th e g a s i s t he r o o t c a us e o f c o a l mi n e a c c i de n t s ，a n d a t t he s a me t i me i t i s a l s o a k i n d o f c l e a n g r e e n e ne r g y ． I n t h e p r o c e s s o f c o a l mi n i n g ， r e a s o n a b l e a n d s y s t e ma t i c e x t r a c t i o n a n d c o mp r e h e n s i v e u t i l i z a t i o n o f g a s ， o n t h e o n e h a n d ， c a n r e d u c e t h e g a s a c c i d e n t s ， o n t h e o t h e r h a n d c a n r e d u c e t h e e n e r g y wa s t e a n d e n v i r o n me n t a l p o l l u t i o n ． T h i s a r t i c l e t h r o u g h t h e a n a l y s i s o f t h e d i s t rib u t i o n of c o al mi n i n g i n t h e g a s mi g r a t i o n l a w p r i n c i p l e s a n d e x t r a c t i o n me tho d ， i t i s c o n c l u d e d t h a t t h e g a s e x t r a c t i o n i n W a n g - p i n g mi n e c o mp a n y o f t h i s c o a l s e a m d r a i n a g e ， a d j a c e n t l a y e r fi s s u r e z o n e e x t r a c t i o n ， e x t r a c t i o n o f d r i v a g e f a c e a n d f u l l y e n c l o s e d m i n e d - o u t a r e a e x t r a c t i o n f r o m f o u r w a y s o f c o mb i n i n g t h e e n g i n e e ri n g p r a c t i c e ， e x t r a c t i o n e ff e c t i s r e ma r k a b l e ， i n i mp r o v i n g t h e s a f e t y o f mi n i n g a t t h e s a n l e t i me ， t h e e c o n o mi c b e n e fi t i s s i g n i fi c a n t ． Ke y wo r d s Ga s ， Gr e e n e n e r g y ， Mo v e me n t r u l e ， Dr a i n a g e a n d e x t r a c t i o n p ri n c i p l e s ， Dr a i n a g e a n d e x t r a c t i o n me t h o d s 上 接 第 5 3页 接生产效率 ， 高端液压支架 自动化焊装生产线项 目拟 先将主筋板与顶板点装后采用 T A N D E M双丝焊接工 艺进行焊接 ， 然后采用全 自动 MA G焊接工艺再将立 板与主筋板 、 顶板焊接一起而形成方格 网状结构。由 于 T A N D E M双丝焊接独具的共熔池推挽式脉冲焊接 电弧 ， 使焊接温度场和电弧力 的分布得到改善 ， 从而 改善焊缝成形 、 细化焊缝晶粒 ； 推挽式脉 冲焊接电弧 可消除两个电弧之间的电磁干扰 、提高焊接规范参 数 ， 从而可显著提高熔敷效率 ； 另一方 面由于首先 焊 接主筋板与顶板 ， 使焊缝长度大大增加且焊接操作可 行性 良好 ， 可有效 的控制焊接变形的产生。 稳定性， 可进行热处理工艺以消除焊接残余应力。 参考 文献 [ 1 】 王罡． 浅析煤矿 液压 支架结构件 焊接 工 艺【 J 】 ． 煤 ， 2 0 0 8 1 9 9 1 0 3 ． [ 2 】 【 3 】 [ 4 ] [ 5 1 4 总 结 【 6 】 总的来说 ，液压支架顶梁焊接变形的控制可提 高液压支架的使用性能。 对焊接变形的控制， 要综合 控制影响焊接变形的相关 因素 ，在下料阶段就需要 严格控制好各连接件的公差尺寸 ，并且合理选择焊 接手段， 控制好相关的焊接工艺参数、 焊接顺序 ， 才 能够有效地控制焊件变形 ，促使工件尺寸公差符合 下一道工序的装配标准，并且能够符合技术图纸的 规范要求 。此外 ， 在焊接完成后 ， 为保证支架的使用 5 6 孙洪 霞． Z Y 8 6 0 0 ／ 2 5 ／ 5 3型液压 支架结构件 焊接 工艺研 究f J 1 ． 山 东煤炭科技 ， 2 0 1 1 1 2 1 4 2 1 6 ． 张为群． Q 6 9 0低合 金 高强度 钢的 焊接 工 艺分析l j 】 ． 金 属加 工 热 加 工 ， 2 0 0 8 2 2 1 3 4 1 3 6 ． 丁农 ． 液 压 支架 结构 件 焊接 质 量控 制 [ J ] ． 煤矿 机 械 ， 2 0 1 0 9 2 6 2 8 ． 师 志亮 ． 液 压 支架 长顶 梁焊 接 变形 的控 制 l J I． 同煤科 技 ， 2 01 0 0 3 5 0 51 ． 史莉． 煤矿液压 支架焊接技 术的研 究【 j 】 ． 能源 与节能 ， 2 0 1 4 1 1 1 5 5 1 5 6， 1 7 6 ． 作者简 介 吴娟 1 9 7 9 一 ， 女 ， 山西省太谷县人 ， 2 0 0 4年毕业于河南 科技 大学工业设计 专业， 工程师 ； ， 学士， 研 究方 向 矿 山机 电。 收稿 日期 2 0 1 5 6 1 9