提高液壓支架結(jié)構(gòu)件修復(fù)質(zhì)量的途徑

張曉江

（神東集團公司維修中心一廠三部， 陜西 神木 719315）

引言

神東集團公司目前用于礦井服務(wù)的液壓支架有8 000 多臺，數(shù)量如此眾多的支架給維護與維修帶來了巨大的困難和空前的壓力。為了保證工人安全、提升生產(chǎn)效率，務(wù)必要從質(zhì)量著手，狠抓焊接維修質(zhì)量，制定嚴(yán)格的維修工藝措施，保證液壓支架結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量，從而保障礦區(qū)安全生產(chǎn)。

1 做好焊接生產(chǎn)全過程的質(zhì)量管理

焊接修復(fù)整個過程包括原材料、焊接材料、坡口準(zhǔn)備及裝配、焊接和焊后熱處理等工序，因此焊接質(zhì)量保證不僅是焊接施工的自身質(zhì)量管理，而且與焊接之前的各道工序的質(zhì)量控制有密切的聯(lián)系，所以焊接修復(fù)的質(zhì)量控制應(yīng)該是一項全過程的質(zhì)量管理，它應(yīng)包括：焊前質(zhì)量控制、焊接施工過程質(zhì)量控制和焊后最終質(zhì)量檢驗這三個階段[1]。其中焊前質(zhì)量控制和焊接施工過程質(zhì)量控制是保證最終焊接質(zhì)量，減少廢品和降低返修率的保證條件，更是整個焊接質(zhì)量控制過程中不可忽視的重要組成部分。

焊接質(zhì)量控制應(yīng)實行焊工、專職焊接檢驗員和焊接責(zé)任工程師的三級質(zhì)量控制管理責(zé)任制，焊工對違反焊接工藝規(guī)程及操作不當(dāng)?shù)馁|(zhì)量事故承擔(dān)責(zé)任，焊接檢驗員則對漏檢或誤檢所造成的質(zhì)量事故承擔(dān)責(zé)任，焊接責(zé)任工程師應(yīng)對焊接工藝評定，焊接質(zhì)量控制系統(tǒng)失控而造成的質(zhì)量事故負責(zé)。

2 液壓支架損壞原因與焊接工藝

一般液壓支架由底座、四連桿、掩護梁、頂梁、一級護架幫、二級護架幫，前側(cè)護和后側(cè)護等組成，如圖1 所示。支架的任何動作的完成都是通過電磁閥來控制，可以本架操作，也可以鄰架操作。生產(chǎn)實踐中證實最易損壞的部件為底座開裂或底座柱窩壓穿、頂梁焊縫開裂、頂梁彎曲變形、推移框架推頭開裂或斷裂、護幫板變形、側(cè)護板開裂變形、可以看出結(jié)構(gòu)件的損壞大都是開裂或是變形，這些結(jié)構(gòu)件都可以修復(fù)使用。

圖1 JOY 液壓支架結(jié)構(gòu)圖

2.1 產(chǎn)生裂紋斷裂的原因分析

其一為液壓支架超負荷作業(yè)導(dǎo)致變形開裂，這是短時間形成的損壞，有可能是井下頂板瞬間承受巨大壓力所致。其二裂紋的生成是發(fā)生在支架工作時應(yīng)力集中的拐角、開孔，和焊縫金屬內(nèi)部缺陷上。由于液壓支架工作性質(zhì)決定，工作中支架各部件承受較大的負荷，拐角、尖角、開孔處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這些應(yīng)力集中與焊縫金屬中的應(yīng)力相疊加，這樣長時間工作很容易產(chǎn)生疲勞裂紋。疲勞裂紋生成的過程首先是在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋，尤其是在焊接接頭中的缺陷處更易產(chǎn)生疲勞裂紋，因為焊接接頭中焊縫形狀的不連續(xù)性，不僅存在應(yīng)力集中（如焊縫的焊趾處），而且焊接接頭中易產(chǎn)生焊接缺陷，這些缺陷縮短了結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生裂紋的時間[2]。其次是裂紋的穩(wěn)定擴展，有焊接缺陷的存在使接頭中的疲勞裂紋產(chǎn)生階段只占整個疲勞過程中一個相當(dāng)短的時間，主要的時間是屬于裂紋的擴展，甚至于擴展到結(jié)構(gòu)件斷裂。這需要較長時間才能損壞。所以正確補焊液壓支架結(jié)構(gòu)件是提高整體支架使用周期的關(guān)鍵。

在焊接結(jié)構(gòu)中，危害最大的焊接缺陷是裂紋，其次是未焊透、未熔合和咬邊等缺陷。這些缺陷減少了焊接接頭的有效工作截面，因而降低了焊接結(jié)構(gòu)的承載能力，形成了嚴(yán)重的應(yīng)力集中。在制定焊接工藝時應(yīng)從控制焊接接頭不產(chǎn)生焊接缺陷、不產(chǎn)生淬硬組織入手。液壓支架裂紋所在位置剛性都很大，在焊補大厚度、大剛性低合金結(jié)構(gòu)鋼部件時，除了預(yù)熱外，還應(yīng)采用控制線能量的方法焊接；焊后減慢冷卻速度，可有效避免產(chǎn)生淬硬組織和裂紋。焊縫金屬產(chǎn)生裂紋可分為熱裂紋和冷裂紋兩大類別；熱裂紋的預(yù)防就是控制焊接材料中的硫等雜質(zhì)含量，降低焊縫中的碳含量；焊前預(yù)熱以降低冷卻速度，控制焊縫形狀，避免得到窄而深的焊縫。冷裂紋大都是氫致裂紋，是由于焊接熔池中溶解了大量的氫，在焊接過程中焊縫產(chǎn)生了較大的約束力，由于熔池金屬冷卻速度過快，沒能全部析出所致。而氫的主要來源是焊條藥皮中的水分和有機物的分解、焊件和焊絲表面上的油污鐵銹、焊接區(qū)域空氣中的水分等。通過烘干焊條，使用低氫型焊條，清除焊絲和焊件表面油污、鐵銹等措施來控制焊縫金屬中的氫含量。

2.2 制定合理適用的焊接工藝

為提高焊接效率和有效控制氫對焊縫金屬的影響，推薦使用CO2氣體保護焊。CO2氣體保護焊最大的特點是低氫焊且易控制熱輸入。例如幾種焊接方法測擴散氫含量平均值為：手工電弧焊酸性焊條為21.9 mL/100 g，堿性焊條為 3.15 mL/100 g，CO2氣體保護焊為 1 mL/100 g，埋弧焊為2.17 mL/100 g。CO2氣體保護焊已成為焊接碳鋼和低合金高強度鋼的主要工藝方法。這不僅因為它比手工焊的效率最少提高一倍以上，而且最易保證高強度鋼的焊接質(zhì)量。尤其是CO2氣體保護焊藥芯焊絲屬于氣渣聯(lián)合保護，兼有CO2氣體保護焊和手工焊兩方面的優(yōu)點，CO2氣體保護焊藥芯焊絲高效，冶金反應(yīng)完善，工藝性能好，低氫、電弧穩(wěn)定、飛濺小、熔敷速度高，而且可以采用大電流進行全位置焊接。用CO2氣體保護焊焊補支架結(jié)構(gòu)件裂紋等缺陷是合適的，能滿足使用要求。焊接電源選擇KRII-500 型焊機，焊絲選用合金藥芯焊絲E71T-1，焊絲直徑1.2 mm、1.0 mm 均可以。選用藥芯焊絲因其電弧穩(wěn)定、飛濺小，可使用的焊接電流范圍廣，藥芯焊絲合金元素含量高，可補償焊接過程中焊縫金屬的燒損量，改善焊接金屬組織性能，且焊接熔渣對焊道金屬具有保溫緩冷作用，有利于避免淬硬組織的產(chǎn)生和氣體逸出。

目前所選用液壓支架，有北煤、平煤、DBT 等多個廠家品牌，每個廠家使用鋼材材質(zhì)略有不同，強度等級卻大致一樣，鋼材的抗拉強度為500～600 MPa，屈服強度為345 MPa，所選用的CO2氣體保護焊焊絲E71T-1 能滿足使用要求。

2.3 制定返修與補強工藝

2.3.1 缺陷的返修

1）首先確定裂紋的所在位置，使用碳弧氣刨去除缺陷，刨削深度大于裂紋深度，刨削長度等于裂紋等缺陷長度加其兩端各50 mm，碳棒直徑Φ7 mm～Φ9 mm。開槽底部應(yīng)圓滑寬度適當(dāng)，避免窄而深的坡口，因為窄而深的坡口焊后根部殘余應(yīng)力很大，且焊接時不便運條，不能充分攪動熔池讓熔渣和氣體及時浮出，容易產(chǎn)生焊接缺陷。

2）清理刨削后待焊部位及兩側(cè)各20 mm 范圍內(nèi)的氧化物和碳化物，打磨光滑見金屬光澤。

3）預(yù)熱、待焊處及其周圍150 mm 范圍內(nèi)預(yù)熱到150～180 ℃，使用工具為火焰加熱器或烤槍。

4）補焊，采用多層道補焊，嚴(yán)格控制層間溫度，層間溫度控制在200～250 ℃，層間用小錘輕擊焊道。焊接工藝見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

5）后熱，用火焰加熱器和烤槍加熱焊道兩側(cè)各150 mm（不得長時間在一點上加熱），后熱溫度控制在250～350 ℃，保持此溫度10 min 左右。

6）保溫緩冷：用石棉被覆蓋補焊部位，緩冷至室溫的保溫措施，改善焊縫組織。

7）修整補焊部位：打磨平滑，降低焊趾處的應(yīng)力集中，使焊縫與母材平滑過渡，不能留有尖角溝槽等缺陷。如果在修整推拉框架推頭時，可以使用電弧整形法，即使用鎢極氬弧焊代替機械加工，在焊接接頭的過渡區(qū)再熔一次，使焊縫與基本金屬之間平滑過渡，同時減少該部位的微小非金屬夾雜物，提高接頭疲勞強度。

2.3.2 補強

對于結(jié)構(gòu)件薄弱部位應(yīng)該補強，不能因為沒有發(fā)生裂紋或變形而忽視加強焊接，尤其是在底座、頂梁的開孔處，柱窩焊縫處、頂梁與煤壁碰撞處均應(yīng)補強焊接。補強可分為焊道補強和使用加強板補強。

1）清理待焊部位，除去煤渣、油漆、銹、焊渣等污物，使焊接處20 mm 范圍內(nèi)露出金屬光澤。

2）預(yù)熱使用烤槍將待焊部位及其周圍300 mm范圍烘烤加熱至150～180 ℃。

3）施焊：焊前檢查加強板的定位焊有無開裂，如開裂需打磨重新點焊。

4）焊后用石棉被覆蓋保溫緩冷，若裂紋補焊后需補強處理的部位，在缺陷補焊后20 min 之內(nèi)立即進行補強焊接，可不必再預(yù)熱。

3 液壓支架結(jié)構(gòu)件的檢驗

支架結(jié)構(gòu)件焊接完成后應(yīng)進行外觀檢查，用肉眼檢查焊縫外觀有無焊瘤、夾渣、未焊透、咬邊、未熔合，以及裂紋等，焊縫余高應(yīng)控制在0～2 mm 范圍之內(nèi)，即焊道金屬要和母材齊平或略高于母材表面。如有焊瘤、余高過高缺陷，應(yīng)使用角磨機打磨平滑，如有夾渣、未融合、裂紋應(yīng)使用碳弧氣刨開槽進行返修，直至焊道合格為止。應(yīng)注意結(jié)構(gòu)件同一部位的返修不得超過4 次。之后移交質(zhì)檢組檢查驗收。

4 結(jié)語

以上質(zhì)量管理措施和嚴(yán)格的焊接工藝的技術(shù)水平提升規(guī)程是液壓支架修復(fù)工作的基礎(chǔ)，通過焊接隊伍，有力保障了公司所有液壓支架的修復(fù)工作質(zhì)量，減少結(jié)構(gòu)件依靠外委修復(fù)量，節(jié)約維修成本，為企業(yè)創(chuàng)造更大效益。