盾體焊接中對(duì)接接頭工藝實(shí)驗(yàn)與研究

張烜

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)科技水平的提高，交通行業(yè)和市政建設(shè)的需求推動(dòng)了盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用。盾構(gòu)機(jī)的出現(xiàn)極大了改善了隧道施工的條件和效率，倍受歡迎。盾構(gòu)機(jī)本身就是一個(gè)綜合科技的體現(xiàn)，整機(jī)體積龐大，制作難度很大，盾體均需要焊接成型，因此焊接的需求十分巨大。文章對(duì)盾體中常用的焊接接頭形式對(duì)接接頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究焊接工藝得出合適的焊接規(guī)范參數(shù)，按照此規(guī)范參數(shù)進(jìn)行焊接生產(chǎn)既保證了焊縫的機(jī)械性能又提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：盾體；焊接；工藝；對(duì)接接頭；氣體保護(hù)焊；力學(xué)性能

隨著我國(guó)地鐵和隧道交通的日益發(fā)展，全斷面隧道挖掘機(jī)近兩年迅速的成為我國(guó)重工業(yè)發(fā)展中的新型高科技產(chǎn)品。盾構(gòu)機(jī)外殼的主體部分為焊接結(jié)構(gòu)件，焊接質(zhì)量將直接影響到整機(jī)裝配精度和使用性能。因此選擇合理的焊接工藝，成為順利完成焊接工作的首要問(wèn)題。焊接是制造技術(shù)的重要組成部分，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有不可替代的重要作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，追求焊接生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)質(zhì)、高效和低成本是一個(gè)永恒的主題[1]。文章結(jié)合盾構(gòu)機(jī)常用焊接接頭的特點(diǎn)，進(jìn)行焊接工藝分析，并制定出合理的焊接工藝參數(shù)。

1 焊接方法及參數(shù)的選配

1.1 焊接方法的選擇

結(jié)合工件的實(shí)際情況，結(jié)構(gòu)多為厚板、中厚板，焊接材料填充量較多，需要焊接效率較高的焊接方法，因此選擇氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接生產(chǎn)。

1.2 焊接參數(shù)的選配

對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊而言，其焊接工藝參數(shù)主要包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度、送絲速度和氣體流量[2]。其中焊接電流的大小是通過(guò)送絲速度調(diào)節(jié)的，所以調(diào)節(jié)焊接電流即可確定焊接電壓和送絲速度，焊接速度200-300mm/min，氣體流量為10-15L/min。

2 焊接工藝試驗(yàn)

焊接工藝是焊接生產(chǎn)中至關(guān)重要的技術(shù)文件，它是焊接生產(chǎn)得以順利開(kāi)展的基礎(chǔ)，是工人施焊的技術(shù)依據(jù)，是產(chǎn)品質(zhì)量的有效保證，因此，對(duì)焊接工藝參數(shù)的研究非常重要。文章對(duì)焊接參數(shù)中最重要的參數(shù)——焊接電流進(jìn)行詳細(xì)研究，明確焊接電流對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能影響，最終確定合理焊接電流。

盾體所用材料通常較厚，一般在40mm-120mm，文章在進(jìn)行工藝試驗(yàn)的時(shí)候，對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用20mm厚的板材作用試驗(yàn)板材，這樣既滿足了多道焊的要求，又節(jié)省了材料。對(duì)接接頭的示意圖如圖1所示，焊接材料為Q345B，焊接方法為熔化極氣體保護(hù)焊，焊絲直徑為1.2mm，焊接材料為E7015（美標(biāo)，相對(duì)于國(guó)標(biāo)ER50-6）。以此結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊后對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能和顯微組織進(jìn)行分析，確定最佳焊接工藝參數(shù)。

圖1 對(duì)接接頭示意圖

圖2是焊接接頭抗拉強(qiáng)度隨焊接電流的變化曲線。從圖2可以看出，隨著焊接電流的增大，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，其最大值在焊接電流為230A時(shí)取得，其值為510MPa。但是從整體來(lái)看，焊接接頭抗拉強(qiáng)度的變化較小，其最大變化幅度為12MPa，這一數(shù)值對(duì)于此類材料而言，基本可以忽略不計(jì)，因此，從圖2基本可以推測(cè)出電流在170-250范圍內(nèi)焊接接頭的力學(xué)性能均能滿足工程實(shí)際要求。

由于盾構(gòu)機(jī)在地下工作，其工作溫度可能低于室溫，因此，在做沖擊試驗(yàn)時(shí)，采用低溫試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度時(shí)-20℃，由于所焊板材為20mm厚，沖擊試件加工出10mm×10mm×55mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)沖擊缺口開(kāi)置的位置分兩種，一種是在焊縫區(qū)域，一種是在熔合線上[3]。對(duì)不同焊接電流焊接接頭的沖擊性能匯總，如圖3所示。

圖3 沖擊功隨焊接電流的變化曲線

從圖3可以看出，焊接接頭沖擊功隨焊接電流的變化趨勢(shì)與抗拉強(qiáng)度基本相同，隨著焊接電流的增大，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的沖擊功均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，在焊接電流為230A時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功達(dá)到了最大值，分別為158J和105J，但是從整體看，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功變化并不明顯。此外發(fā)現(xiàn)，焊縫的沖擊功要整體高于熱影響區(qū)，這一結(jié)果基本反映了焊接過(guò)程特點(diǎn)，因?yàn)?，焊接接頭中的薄弱環(huán)節(jié)就是熱影響區(qū)，在焊接熱源的作用下，此區(qū)域基本不發(fā)生相變，這就使得吸收的熱源用于組織長(zhǎng)大上，最終導(dǎo)致組織粗化，性能下降。

通過(guò)對(duì)焊接接頭顯微硬度的測(cè)定去反映出焊接接頭不同組織的性能變化[4]。在硬度測(cè)試過(guò)程中將焊接接頭分為三部分：焊縫、熱影響區(qū)和母材，取點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 焊接接頭硬度取點(diǎn)分布圖

由于試驗(yàn)所用的母材相同，所以其硬度值基本一致，經(jīng)測(cè)定其值為160HV。熱影響區(qū)和焊縫的硬度值隨焊接電流的變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著焊接電流的增大，焊縫和熱影響區(qū)的硬度隨焊接電流的增大表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，都是隨著焊接電流的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，其最大值也都在焊接電流為230A處取得，此時(shí)焊縫和熱影響區(qū)的硬度分別為172HV和159HV。此外，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，雖然焊縫和熱影響區(qū)的硬度隨焊接電流有所變化，但是變化幅度并不是很大，焊縫硬度的變化幅度為14HV，熱影響區(qū)硬度的變化幅度為10HV，這說(shuō)明焊接接頭的硬度變化較小，基本都能滿足實(shí)際工程需要。

圖5 硬度隨焊接電流的變化曲線

綜合上述各圖表的數(shù)據(jù)可以得出，在焊接電流為170-250A時(shí)，焊接接頭的力學(xué)性能基本都能滿足實(shí)際工程需要，這說(shuō)明在此范圍內(nèi)焊接電流基本都是合適的，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，還要結(jié)合焊接效率進(jìn)行綜合考慮，如果焊接電流較小則焊接效率相應(yīng)就較低，若焊接電流較高則焊接效率相應(yīng)就較高，但是對(duì)于打底焊縫，由于底層頓邊較小，其焊接電流不易過(guò)大，過(guò)大將出現(xiàn)燒穿或下塌現(xiàn)象。因此，打底焊縫的焊接電流可以較小，選為170A，填充焊縫的焊接電流可以適當(dāng)大，選為220-230A。

3 焊接工藝規(guī)程的制定

結(jié)合盾構(gòu)機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及工藝典型性，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定出相應(yīng)的工藝規(guī)程，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 對(duì)接接頭工藝規(guī)程

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于對(duì)接接頭而言，若采用熔化極氣體保護(hù)焊，焊接電流在170-250A范圍內(nèi)，焊接接頭的力學(xué)性能均滿足要求，在焊接電流為230A時(shí)，焊接接頭的力學(xué)性能得到最佳值，硬度為172HV，抗拉強(qiáng)度為510MPa，沖擊功為158J；但結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行考慮，焊接電流為170A-190A適合于打底焊接，焊接電流為210A-250A適合填充和罩面。

焊接接頭的顯微組織基本都是鐵素體F和珠光體P組成的，隨著電流的增大鐵素體有一定的細(xì)化趨勢(shì)，但是焊接電流過(guò)大，焊縫中出現(xiàn)大量片狀珠光體。

參考文獻(xiàn)

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