液壓支架焊接坡口角度減小的優(yōu)勢(shì)研究

畢研石

（中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

煤機(jī)行業(yè)是重型機(jī)械行業(yè)，液壓支架在井下采煤扮演著重要角色，主要作用是有效支撐和控制采煤工作面，防止塌方事故的發(fā)生。因此液壓支架的工作阻力要求非常大，同時(shí)為了降低液壓支架的重量和提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證液壓支架工作阻力滿足礦井生產(chǎn)需求，在焊接材料上多采用高強(qiáng)鋼進(jìn)行焊接。隨著高強(qiáng)鋼的不斷應(yīng)用，綜合考慮液壓支架的生產(chǎn)效率、加工成本、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面因素，液壓支架的焊接工藝要進(jìn)行科學(xué)的調(diào)整。目前在液壓支架結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)加工過程中影響焊接性能的主要標(biāo)準(zhǔn)就焊縫質(zhì)量[1]，然而焊接坡口的形式、角度大小等因素又是影響焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵因素。所以在液壓支架生產(chǎn)過程中，優(yōu)化和改進(jìn)焊接坡口對(duì)提高工作效率、改善焊接質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本都顯得尤其重要。

現(xiàn)階段液壓支架的焊接主要分為2種形式，即角焊縫[2]和坡口焊接，支架的結(jié)構(gòu)多為箱體結(jié)構(gòu)，接頭類型多為T型接頭[3]，所以對(duì)于受力較大的位置多采用坡口填平再以角焊縫的形式來進(jìn)行焊接。坡口的設(shè)計(jì)在整個(gè)液壓支架的結(jié)構(gòu)中起著舉足輕重的作用[4]，坡口較小時(shí)，成型系數(shù)隨著熱輸入量的增大而減小，易產(chǎn)生熱裂紋，是非常嚴(yán)重的焊接缺陷。坡口較大時(shí)，焊縫的成型系數(shù)增大，但是坡口底部的熔深減小，焊接的工作量增大，焊后的焊接接頭處的殘余應(yīng)力也會(huì)增加，應(yīng)力的集中會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)件的整體產(chǎn)生破壞性的影響。因此，坡口的接頭性能是減小坡口角度最優(yōu)先的考慮的因素，坡口的正確選擇對(duì)焊接的效率、生產(chǎn)成本都有著重大的影響[5]?；诖?，該文針對(duì)液壓支架蓋板和貼板“V”形坡口角度減小優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析。

1 坡口的定義及作用

1.1 坡口的定義

在進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，要根據(jù)設(shè)計(jì)和工藝要求，在焊件的待焊部位加工成一定的幾何形狀和尺寸的溝槽，叫坡口。

1.2 坡口的作用

坡口主要有3個(gè)作用。1）使熱源（電弧或火焰）能夠到達(dá)焊縫根部，保證焊縫根部位置能夠焊透。2）便于操作和清理焊渣。3）調(diào)整焊縫成型系數(shù)，獲得較好的焊縫成型。調(diào)節(jié)基本金屬與填充金屬比例。

2 坡口的設(shè)計(jì)原則和選擇原則

2.1 坡口的設(shè)計(jì)原則

坡口的設(shè)計(jì)要注意3個(gè)原則。1）要經(jīng)濟(jì)實(shí)用。在滿足強(qiáng)度要求的前提下，要選擇合理的接頭和坡口，減少焊材的填充量，提高焊接效率。2）要容易加工。設(shè)計(jì)焊接坡口時(shí)，要在滿足焊接要求的前提下，優(yōu)先選擇易于加工的坡口，例如“V”形坡口和“X”形坡口。其他類型的坡口相對(duì)比較難加工。3）要避免缺陷。要盡量選擇合適的坡口形式，合理控制坡口的大小，以避免出現(xiàn)焊接缺陷。例如坡口角度過大，會(huì)導(dǎo)致焊接熱輸入量增大，焊件容易變形，再例如坡口鈍邊過高，會(huì)導(dǎo)致不能完全熔透焊接部位。

2.2 坡口的選擇原則

為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)钠驴谛问?。坡口的選擇主要取決于母材厚度、焊接方法和工藝要求。選擇坡口要遵循4個(gè)要求進(jìn)行選擇。1）坡口的形式和大小要合理，焊接時(shí)盡量減少金屬填充量。2）根據(jù)焊接需要，選擇合適的坡口形狀，要易于加工生產(chǎn)。3）有利于電焊工進(jìn)行焊接操作和利于清渣。4）焊后應(yīng)力和變形要盡可能小。

3 坡口角度和形式

坡口主要是為了保證工件的焊接量，增大焊接熔深，提高焊縫截面的有效厚度，保證能夠焊透焊件的根部，從而保證焊接接頭的質(zhì)量。坡口的形式分為：“V”形坡口、帶鈍邊單邊“V”形坡口、“I”形坡口、雙“V”形坡口、“Y”形坡口、雙“Y”形坡口等。液壓支架上采用的坡口多為帶鈍邊的“V”形坡口，坡口角度多為45°，有時(shí)對(duì)接坡口的角度還會(huì)達(dá)90°左右。

液壓支架結(jié)構(gòu)件上采用的焊接形式通常為多層多道焊接。由于要考慮生產(chǎn)成本、加工效率、焊接質(zhì)量和工藝要求等，該文研究的液壓支架蓋板和貼板焊接坡口一般采用“V”形坡口，角度一般為45°。采用不同坡口角度時(shí)，具體的焊接情況如圖1、圖2所示。

具體有4個(gè)焊接要求。1）當(dāng)坡口為20×45°時(shí)，焊接層道為4層10道。2）當(dāng)坡口為20×40°時(shí)，焊接層道為4層10道。3）當(dāng)坡口為20×35°時(shí)，焊接層道為3層6道。4）當(dāng)坡口為20×30°時(shí)，焊接層道為3層6道。

CRSwNP呈現(xiàn)高度異質(zhì)性特征，臨床表型通常無法洞察疾病本質(zhì)，而內(nèi)在型是建立在細(xì)胞、分子和免疫機(jī)制基礎(chǔ)上的分型，也就是CRSwNP的發(fā)病機(jī)制。然而，內(nèi)在型非常復(fù)雜，目前研究尚不透徹，通過CRS內(nèi)在型的探索，可能找到特異性個(gè)體病情發(fā)展的關(guān)鍵因素，即某些特定的生物學(xué)分子標(biāo)識(shí)物，以這些標(biāo)志物為靶標(biāo)可實(shí)現(xiàn)臨床上對(duì)于CRSwNP個(gè)性化的精準(zhǔn)治療[15，17]。

4 焊接坡口減小的效率提高分析

液壓支架蓋板和貼板坡口焊接時(shí)，一般都是“V”形坡口，角度為45°。從上述坡口作用、坡口設(shè)計(jì)原則和選擇原則可知，為了降低成本、滿足需求，坡口大小應(yīng)合適，要盡量減小填充金屬量。所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中，液壓支架蓋板和貼板的坡口角度是可以適當(dāng)減小。隨著坡口角度的減小，焊縫的熔敷金屬也適當(dāng)減小，其多層多道焊的數(shù)量也會(huì)減少。當(dāng)焊接坡口的角度減小到30°時(shí)，進(jìn)行坡口填平的情況下，焊縫的橫截面積減小了42.5%，多層多道焊的道數(shù)可減少3～4道，工作效率可提升近1倍。具體效率對(duì)比，見表1。

表1 坡口角度減小時(shí)焊縫截面積減少比例

圖1 蓋板坡口焊接示意圖

圖2 貼板坡口焊接示意圖

5 坡口減小對(duì)焊接強(qiáng)度的影響

5.1 液壓支架焊接形式

液壓支架上的結(jié)構(gòu)件大多為箱體結(jié)構(gòu)，焊接量非常大，所采用的焊接方式多為MAG焊（熔化極氣體保護(hù)電弧焊），是采用勻速輸送可熔化的焊絲與工件接觸發(fā)生短路，產(chǎn)生電弧來作為熱源迅速熔化焊絲和母材金屬，形成焊縫和熔池的焊接方法。MAG焊有穩(wěn)定的焊接過程，成型也比較美觀。采用的保護(hù)氣體為氬氣和二氧化碳的混合氣體。在焊接過程中使用的焊絲規(guī)格多為Φ1.2mm和Φ1.6mm，由于其可以保證焊絲的干伸長(zhǎng)，所以在坡口適當(dāng)減小的情況下也可以很好地保證熔敷率和熔深。

5.2 坡口減小對(duì)焊接強(qiáng)度的影響

焊接坡口大小影響著焊接熔深，而焊接熔深是保證焊接強(qiáng)度重要因素之一。在強(qiáng)度方面，如果為蓋板進(jìn)行坡口焊接，如圖3所示，可見適當(dāng)減小坡口角度時(shí)，鈍邊L不變，保證了坡口的有效深度，不影響焊接熔深。因?yàn)橛绊懭凵畹闹苯釉蚴钱?dāng)焊絲與工件接觸時(shí)，發(fā)生短路，形成電弧，使焊絲和母材發(fā)生熔化。與埋弧焊不同，液壓支架焊接中常用的為Φ1.2 mm和Φ1.6 mm焊絲，焊接時(shí)干伸長(zhǎng)可達(dá)20 mm～25 mm，焊絲的端部可以與坡口的根部接觸，使焊絲在工件的一側(cè)發(fā)生熔化，不會(huì)發(fā)生離根部距離較大的情況，因此可以有效地保證熔深。由于焊縫的薄弱位置是熱影響區(qū)，焊縫的抗拉強(qiáng)度大于熱影響區(qū)的抗拉強(qiáng)度，加大坡口僅增加了工作量，無法增加坡口焊接時(shí)的有效深度，所以對(duì)焊縫的強(qiáng)度沒有較大影響。而將坡口角度減小后工作量減少了30%～40%，極大地提升了生產(chǎn)效率。如果為貼板進(jìn)行坡口焊接，如圖4所示，坡口角度減小，深度20保持不變，只是改變頓邊L的大小，但是坡口的有效深度不變。同理，蓋板的坡口焊接與貼板類似，坡口角度減小后工作量也減少了約30%～40%，但是對(duì)于焊縫強(qiáng)度沒有多大影響。

圖3 蓋板坡口角度變化

6 坡口減小對(duì)焊接應(yīng)力和變形的影響

6.1 焊接應(yīng)力和變形

焊接過程是一個(gè)先局部加熱，然后再冷卻的過程。焊件在焊接時(shí)產(chǎn)生的變形稱為熱變形，焊件冷卻后產(chǎn)生的變形稱為焊接殘余變形，這時(shí)焊件中的應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。焊接應(yīng)力包括沿焊縫長(zhǎng)度方向的縱向焊接應(yīng)力、垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向焊接應(yīng)力和沿厚度方向的焊接應(yīng)力。

6.2 坡口減小對(duì)焊接應(yīng)力的影響

對(duì)于一些構(gòu)件截面厚大、焊接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、拘束度大、鋼材強(qiáng)度級(jí)別高以及使用條件惡劣的重要結(jié)構(gòu)，要注意焊接應(yīng)力的控制。對(duì)于焊接應(yīng)力的控制措施有很多，但是與焊接坡口相關(guān)的只有一條，那就是盡量減小焊縫尺寸。焊接內(nèi)應(yīng)力是由局部加熱循環(huán)而引起的，為此，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，不應(yīng)增加焊縫尺寸和層高，要轉(zhuǎn)變焊縫越大越安全的觀念。所以控制焊接應(yīng)力的主要措施就是合理選擇坡口，當(dāng)坡口角度減小，焊縫尺寸也會(huì)隨之減小。所以，焊接坡口的減小有利于控制焊接應(yīng)力。

6.3 坡口減小對(duì)焊接變形的影響

焊接變形與焊縫截面積、焊接熱輸入、焊接方法、焊接接頭形式、焊接層數(shù)等均有關(guān)系。但是與焊接坡口大小相關(guān)的影響因素就是焊縫截面積。焊縫截面積是指熔合線范圍內(nèi)的金屬面積。焊縫面積越大，冷卻時(shí)收縮引起的塑性變形量越大，焊縫面積對(duì)縱向、橫向及角變形的影響趨勢(shì)是一致的，因此，在板厚相同時(shí)，坡口尺寸越大，收縮變形越大。同時(shí)，由于焊接坡口選擇不合適，導(dǎo)致焊接變形概率增加。當(dāng)出現(xiàn)焊接變形后需要進(jìn)行矯正，焊接變形的矯正費(fèi)時(shí)費(fèi)工，所以減小焊接坡口角度可以有效控制焊接變形。

7 坡口減小對(duì)焊縫外觀質(zhì)量的影響

7.1 對(duì)坡口自身質(zhì)量的影響

目前，坡口的加工方法主要有機(jī)械剪邊、刨邊等加工方式以及碳弧氣刨、氣體切割等方式。一般情況下，液壓支架坡口的加工形式多為氧氣丙烷的氣體切割。坡口加工時(shí)使用坡口機(jī)進(jìn)行切割，當(dāng)坡口角度較大，則坡口橫截面積增大，導(dǎo)致坡口切割量越大，此時(shí)無法保證坡口的平面度和切割質(zhì)量。在進(jìn)行大坡口切割時(shí)，坡口表面易形成火焰切割所產(chǎn)生的溝槽，溝槽內(nèi)部的氧化物在焊接時(shí)易形成氣孔、夾渣等焊接缺陷。而減小坡口角度可以減小坡口橫截面積，減小下料時(shí)的切割量，進(jìn)而降低表面溝槽和氧化物，在節(jié)約氣體消耗的同時(shí)提升了坡口的切割質(zhì)量。

圖4 貼板坡口角度變化

7.2 對(duì)焊縫外觀質(zhì)量的影響

8 對(duì)于節(jié)約成本的分析

8.1 對(duì)于降低電量的分析

通常液壓支架焊接采用MAG焊，焊絲選用Φ1.2 mm規(guī)格的情況較多，焊接電流為290 A～350 A，焊接電壓在30 V～40 V，一般電焊機(jī)的功率為42 kVA、36 kVA和30 kVA等。就按照一臺(tái)電焊機(jī)功率30 kVA，選取功率因素為0.8，則電焊機(jī)的有功功率為30×0.8=24 kW。如果電焊機(jī)的暫載率為75%，每臺(tái)電焊機(jī)每臺(tái)工作16 h，每日耗電量約為24×75%×16=288 kWh。如果坡口角度減小，焊接層道減少4道，每日電能節(jié)省約為115 kWh。

8.2 焊絲消耗量的減少

當(dāng)焊接坡口從45°減小到35°時(shí)，焊接時(shí)焊縫層道減少，焊縫截面積就會(huì)減少42.5%。將會(huì)大大減少焊縫的填充量，減少焊絲的消耗。

8.3 對(duì)混合氣、氧氣、丙烷氣體的降低分析

當(dāng)坡口角度減小時(shí)，多層多道焊減少，焊絲的填充量也減少，在焊接過程中混合氣的消耗量也會(huì)大大降低。同樣在坡口加工過程中，由于坡口角度的減小，坡口的截面積就會(huì)減小，坡口的切割量就會(huì)降低，用于切割坡口的氧氣、丙烷氣體就會(huì)減少。

8.4 對(duì)時(shí)效要求降低的分析

當(dāng)坡口角度減小時(shí)進(jìn)行焊接，焊后的金屬填充量減少，焊接殘余應(yīng)力較小。在時(shí)效去應(yīng)力方面可以適當(dāng)降低去應(yīng)力溫度或者時(shí)間，有效降低了時(shí)效去應(yīng)力的費(fèi)用和時(shí)間。

9 焊接坡口角度減小的優(yōu)勢(shì)總結(jié)

9.1 提高坡口質(zhì)量

坡口角度減小，坡口橫截面積減小，坡口加工時(shí)的切割量減小。坡口表面由于火焰切割所產(chǎn)生的溝槽以及內(nèi)部的氧化物隨之減少，降低了焊接氣孔、夾渣等焊接缺陷，提高了坡口自身的質(zhì)量。

9.2 提升焊縫外觀質(zhì)量

坡口角度減小，蓋面焊縫層道減少，也適當(dāng)減小了焊縫寬度。在實(shí)際焊接過程中由于焊接產(chǎn)生的飛濺和藥皮等也會(huì)減少，從而減小焊縫缺陷發(fā)生的概率，使得結(jié)構(gòu)件的焊道質(zhì)量更加可靠。

9.3 提高焊接效率

在保證強(qiáng)度的前提下，多層多道焊接的焊道數(shù)量明顯減少，例如上文提到的20×45°坡口相比于20×35°坡口，焊接的層道減少了1層4道，隨著坡口角度的減小，焊縫的截面積減小，熔深保持不變，可節(jié)約30%～40%的焊絲量，使得焊接效率得到很大提升。

9.4 降低生產(chǎn)成本

由于減小了坡口角度，就會(huì)減少在焊接過程中的金屬填充量，同時(shí)減少了多層多道焊，所以電能消耗、焊絲消耗、混合氣消耗都會(huì)隨之降低。另外由于坡口角度減小，坡口截面積減小，所以切割量減小，氧氣和丙烷的消耗就會(huì)降低。同時(shí)，由于減小焊接坡口后應(yīng)力的減小，也減少時(shí)效溫度和時(shí)間，降低成本。

9.5 降低焊接應(yīng)力

結(jié)構(gòu)件的焊接應(yīng)力是破壞焊道的原因之一，焊接量越大，結(jié)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力也越大，所以結(jié)構(gòu)件在焊后往往需要進(jìn)行時(shí)效處理，防止焊道產(chǎn)生裂紋。而適當(dāng)?shù)販p小坡口后，焊接量減少，有效降低焊接應(yīng)力。

9.6 降低焊接變形

減小焊接坡口大小，焊縫截面積就會(huì)減小，降低焊接金屬填充量，焊縫冷卻時(shí)收縮引起的塑性變形量隨之降低，同時(shí)降低了焊接變形的矯正工時(shí)工費(fèi)。

9.7 降低在勞動(dòng)強(qiáng)度

隨著坡口的減小，焊接量是大幅降低，電焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度也隨之降低。

10 結(jié)語

根據(jù)該文對(duì)液壓支架蓋板以及貼板“V”形坡口角度減小的研究，在一般的焊接工藝和質(zhì)量控制要求下，坡口的角度適當(dāng)減小是非?？尚泻透咝У摹Ｔ诓挥绊懞缚p強(qiáng)度的情況下，可以有效地降低工作量和工作強(qiáng)度，對(duì)坡口的質(zhì)量、焊縫的外觀質(zhì)量、焊接效率、節(jié)約焊材、節(jié)約能源消耗、降低焊接應(yīng)力和變形等方面都有較大的提升。