焊接裂紋對刀盤的影響及裂紋的控制工藝

陳曉民，王秀冬，王小強(qiáng)

焊接裂紋對刀盤的影響及裂紋的控制工藝

陳曉民，王秀冬，王小強(qiáng)

（中船重工（青島）軌道交通裝備有限公司，山東青島266000）

對硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)件的焊接裂紋進(jìn)行研究，綜述焊接裂紋的分類、產(chǎn)生、焊接裂紋對刀盤疲勞壽命的影響以及裂紋的控制措施。研究過程中結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，制定出一套有效控制裂紋產(chǎn)生的工藝規(guī)程，對研制國產(chǎn)化TBM刀盤打破國外壟斷提供了技術(shù)支持。

硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)；刀盤；焊接裂紋；疲勞壽命

硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（Hard-rock Tunnel Boring Machine，簡稱TBM）具有自動(dòng)化程度高、施工速度快、施工過程中對地面建筑物及交通影響小等優(yōu)點(diǎn)。刀盤作為TBM的關(guān)鍵部件是破巖的直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有開挖、攪拌碴土等功能。其主體采用焊接結(jié)構(gòu)，刀盤上的連接焊縫是其結(jié)構(gòu)的薄弱部位，焊接接頭區(qū)域的焊縫質(zhì)量和強(qiáng)度對刀盤的壽命有重要影響。刀盤的加工質(zhì)量和使用壽命直接影響施工進(jìn)度和工程質(zhì)量。隨著焊接技術(shù)的不斷成熟以及各種金屬探傷手段的發(fā)展，已經(jīng)可以保證焊縫中不會(huì)或者極少出現(xiàn)焊接裂紋、虛焊、漏焊等缺陷，但是焊接質(zhì)量問題仍是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及壽命的重要因素之一，因此，TBM刀盤焊接裂紋的研究以及裂紋控制工藝的編制具有重要的意義。

1 焊接裂紋的分類

根據(jù)焊接裂紋的溫度范圍、成因及本質(zhì)特征可將其分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂四大

類[1]。

熱裂紋是高溫下產(chǎn)生的，焊縫凝固時(shí)，在相線附近的高溫區(qū)，沿奧氏體晶界開裂。產(chǎn)生的主要原因是焊接時(shí)熔池內(nèi)存在低熔點(diǎn)的雜質(zhì)。熱裂紋的特點(diǎn)是焊后立即可見，多發(fā)生在焊縫中心，并沿焊縫長度方向分布。

冷裂紋是指焊接接頭冷卻到較低溫度時(shí)產(chǎn)生的裂紋。其主要產(chǎn)生原因是在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)形成了淬硬組織，焊縫中存在過量的擴(kuò)散氫，且具有濃集的條件，接頭承受有較大的拘束應(yīng)力。冷裂紋的特點(diǎn)是斷口處發(fā)亮且有金屬光澤的脆性斷裂，無氧化特征，大多是縱向裂紋。

再熱裂紋是合金結(jié)構(gòu)鋼焊后在去應(yīng)力退火過程中，加熱到一定溫度在熱影響區(qū)產(chǎn)生的裂紋，通常沿融合線方向。

層狀撕裂是高強(qiáng)度鋼在焊接時(shí)，在焊接熱影響區(qū)域或遠(yuǎn)離熱影響區(qū)域的母材中形成的平行和垂直于鋼板軋制方向的臺(tái)階式層狀裂紋。

2 焊接裂紋的產(chǎn)生

TBM刀盤采用箱型焊接結(jié)構(gòu)，失效形式主要有刀具磨損、刀盤的開裂或斷裂。刀盤結(jié)構(gòu)的開裂和斷裂大多情況下是由焊接疲勞裂紋導(dǎo)致。通常，疲勞裂紋一般產(chǎn)生于應(yīng)力集中點(diǎn)，特別是有缺陷的焊接部位。

斷裂力學(xué)認(rèn)為焊接疲勞裂紋的萌生擴(kuò)展一般分為三個(gè)階段，如圖1所示。第一階段為裂紋萌生到擴(kuò)展，該區(qū)域的斜率較大。圖中可以看出曲線的起點(diǎn)為Kth，該值為界限強(qiáng)度因子幅，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅大于此值時(shí)，裂紋便會(huì)擴(kuò)展。第二階段是裂紋臨界擴(kuò)展區(qū)域，是決定裂紋擴(kuò)展壽命的主要區(qū)域，這一區(qū)域中d a/d N與K基本為線性關(guān)系。著名科學(xué)家P.Pairs和Erdongan通過裂紋的擴(kuò)展試驗(yàn)，并對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后總結(jié)出裂紋擴(kuò)展公式[2]：

式中：a為裂紋長度；N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；d a/d N為裂紋擴(kuò)展速率；△K為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅；C、m為材料常數(shù)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)大部分材料的m值約為2～4.

圖1 裂紋擴(kuò)展曲線圖

其中，可由△K求得。

式中：f為應(yīng)力強(qiáng)度因子修正系數(shù)；Kmax為裂紋處應(yīng)力強(qiáng)度因子最大值；Kmin紋處應(yīng)力強(qiáng)度因子最小值；△σ為裂紋處應(yīng)力幅。

最后一個(gè)階段是裂紋快速擴(kuò)展階段，△K增加到一定值以后，裂紋會(huì)產(chǎn)生快速失穩(wěn)擴(kuò)展直至構(gòu)件的破壞[2]。因其裂紋擴(kuò)展壽命較短，故工程中一般不予考慮。

以上是焊接疲勞裂紋形成的理論分析。此外，焊接母材中含有的雜質(zhì)以及焊縫坡口表面存在未除凈的油污、雜質(zhì)等都會(huì)增大裂紋產(chǎn)生的趨勢。TBM刀盤的箱型焊接結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在焊接過程中可能會(huì)存在內(nèi)應(yīng)力、外部約束應(yīng)力、裝配應(yīng)力以及組織應(yīng)力等，在諸多應(yīng)力的共同作用下也會(huì)產(chǎn)生裂紋。施焊過程中的焊接缺陷如咬邊、氣孔、夾砂、未融合及未焊透等都會(huì)埋下裂紋隱患。

3 焊接裂紋對刀盤的影響

刀盤是TBM在掘進(jìn)過程中的直接受力部件，開挖過程中受力復(fù)雜，工作條件也相當(dāng)惡劣。在循環(huán)應(yīng)力作用下會(huì)大大降低刀盤的疲勞壽命，甚至導(dǎo)致刀盤的斷裂失效。焊接結(jié)構(gòu)由于自身工藝所限，難免會(huì)產(chǎn)生一些殘余應(yīng)力和焊接缺陷。因此，焊縫連接區(qū)域的疲勞壽命問題，工程中歷來都十分重視。一些學(xué)者認(rèn)為，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命是由裂紋萌生階段的壽命和裂紋擴(kuò)展階段的壽命兩部分組成[3]。裂紋萌生階段包括微裂紋的產(chǎn)生和微觀范圍內(nèi)裂紋的增長。裂紋擴(kuò)展階段包括宏觀裂紋穩(wěn)定的擴(kuò)展和裂紋快速失穩(wěn)直至斷裂。

針對刀盤焊接箱體可根據(jù)其受力模型利用數(shù)值模擬法求得最大應(yīng)力應(yīng)變值以及平均應(yīng)力應(yīng)變值，再通過局部應(yīng)力應(yīng)變法來估算焊縫裂紋萌生階段的疲勞壽命。局部應(yīng)力應(yīng)變法中應(yīng)變—壽命曲線通常用Manson—Coffin公式表達(dá)：

式中：△ε為總應(yīng)變；△εe為彈性階段應(yīng)變；△εp為塑性階段應(yīng)變；σ'f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；ε'f為疲勞塑性系數(shù)；Nf為疲勞壽命；E為彈性模量；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；e為疲勞塑性指數(shù)。

然而，焊接結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作過程中的平均應(yīng)力不會(huì)為零，當(dāng)考慮平均應(yīng)力時(shí)上式修正為：

上式中σm為平均應(yīng)力，可由下式計(jì)算出：

式中：R為應(yīng)力比；σmax為最大循環(huán)應(yīng)力；σR為焊接殘余應(yīng)力（一般取σR=0.6σs，σs為材料屈服極限）。

考慮殘余應(yīng)力和平均應(yīng)力后應(yīng)變壽命擬合公式可修正為：

對于裂紋擴(kuò)展階段的疲勞壽命采用斷裂力學(xué)法估算。目前，國內(nèi)外的現(xiàn)有技術(shù)無法檢測初始裂紋的尺寸，往往假定一個(gè)數(shù)值或根據(jù)檢測技術(shù)的精度和分辨率來定[4]。裂紋尺寸由初始裂紋長度a0擴(kuò)展到ac的壽命即為：

式中：a0為初始裂紋長度，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，初始裂紋長度一般取5 mm[5-6]；ac為裂紋擴(kuò)展的臨界尺寸。對于ac通常有兩條原則可循，第一是結(jié)構(gòu)件的凈截面應(yīng)力小于等于材料的屈服極限σs；第二是利用材料的平面應(yīng)變斷裂韌性KIC值來確定ac.考慮系統(tǒng)的安全性，選用兩者中較小ac.

綜上所述，利用局部應(yīng)力應(yīng)變法和斷裂力學(xué)法研究了刀盤焊接結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的理論推導(dǎo)及計(jì)算，可以有效估算其壽命和巡檢周期，對工程具有一定的指導(dǎo)意義。

4 焊接裂紋的控制措施

通過以上對裂紋的分析，總結(jié)出焊接裂紋的控制方法如下所示：

首先，嚴(yán)格控制所用鋼板的質(zhì)量及雜質(zhì)含量，在確保所供鋼板化學(xué)元素含量、力學(xué)性能及Z向性能達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步削減雜質(zhì)含量，尤其要最大程度地防止鋼板內(nèi)產(chǎn)生帶狀組織。

其次，焊前預(yù)熱和焊后保溫可以有效地減少焊接裂紋，還可以在一定程度上減少刀盤焊接件的殘余應(yīng)力，降低其淬硬性。焊后保溫可以減緩刀盤焊接件的冷卻速度，延長冷卻時(shí)間，使氫可以充分釋放，避免冷裂紋的產(chǎn)生。

第三，刀盤分塊部件焊接組對時(shí)，避免出現(xiàn)過大錯(cuò)邊和過大的裝配間隙。盡量不使用夾具等強(qiáng)行裝配，防止出現(xiàn)過大的約束應(yīng)力和裝配應(yīng)力。

第四，焊接坡口的設(shè)計(jì)也會(huì)影響焊接裂紋的產(chǎn)生，焊接熔深較大的焊縫抗裂性較差。坡口設(shè)計(jì)時(shí)要減少單側(cè)焊縫的熔深量，有效地降低焊接產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，避免裂紋的產(chǎn)生。

最后，焊接完成后認(rèn)真處理刀盤箱體焊接結(jié)構(gòu)中存在溝槽、臺(tái)階、尖角以及截面形狀突變處的焊縫，也可有效地減少焊接裂紋。

5 裂紋控制工藝規(guī)程的制定

TBM刀盤主結(jié)構(gòu)由四個(gè)邊塊和一個(gè)中心塊組裝后焊接而成，其中每個(gè)邊塊和中心塊分別各自作為部件焊接。除組對焊接時(shí)的焊接順序不同，其余焊接工藝基本相同?？刂频侗P焊接裂紋的工藝規(guī)程主要內(nèi)容如下所示：

5.1 焊前檢驗(yàn)

刀盤制造所用板材須提供各項(xiàng)檢測報(bào)告，要求符合國標(biāo)規(guī)定。嚴(yán)格按照圖紙檢查刀盤備料板材的尺寸及坡口。

5.2 焊前準(zhǔn)備

（1）清理焊接平臺(tái)，對平臺(tái)進(jìn)行水平測量，平面度應(yīng)達(dá)到2 mm/10 m2.

（2）仔細(xì)閱讀圖紙技術(shù)要求，選取焊接電流為225～286 A，電壓為24～32 V保護(hù)氣體為100%CO2，電源直流反接，焊接層間溫度為60～300℃之間。焊接采用ER50-6實(shí)心焊絲，在組對焊接時(shí)選用J507低氫焊條。

（3）施焊前焊條、焊絲按說明書進(jìn)行烘干，烘干溫度為200～300℃，烘干后存放于保溫桶內(nèi)，隨取隨用；焊道要打磨干凈，將油污、銹和水等雜物清理干凈后，檢查確認(rèn)方可進(jìn)行焊接。

5.3 焊前預(yù)熱

施焊前采用火焰加熱法對焊縫周圍板材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為60～100℃，預(yù)熱范圍至少為焊接板厚的5倍。

5.4 焊接過程

（1）每次焊接、挪動(dòng)前后都要將部件墊平墊實(shí)，對稱焊接，防止焊接變形。

（2）每道焊縫焊接完工后，應(yīng)清除焊縫兩側(cè)的飛濺物。厚板焊接過程中，每焊接一遍后應(yīng)使用風(fēng)鏟錘擊焊縫，消除焊接應(yīng)力、減少焊接變形。

（3）焊接部件第一次焊接的焊接量達(dá)到1/3時(shí)需要對其進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)，將部件翻轉(zhuǎn)焊接背面，控制焊接變形。

（4）每道焊接工序完成后需由質(zhì)檢人員確認(rèn)合格后，方可進(jìn)行下一工序，如發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

5.5 焊后保溫

焊接完成后為了有效防止冷裂紋的發(fā)生，將對其進(jìn)行保溫緩冷處理。采用氧乙炔對焊縫及周圍進(jìn)行加熱，保溫一定時(shí)間后用石棉蓋上進(jìn)行保溫緩冷。

5.6 焊后熱處理

在熱處理之前刀盤內(nèi)的焊接支撐不允許拆除。刀盤箱體焊接結(jié)構(gòu)件采用整體熱處理法，要求如下所示：

退火溫度：退火溫度要求滿足580℃±20℃；加熱階段：加熱至溫度達(dá)到250℃之后，升溫速率要≤50℃/h，直至達(dá)到規(guī)定的退火溫度；

保溫時(shí)間：計(jì)算公式為H=2·tmax，其中t max為最大板厚（當(dāng)板厚＜15mm，保溫30 min）；

冷卻階段：從保溫溫度到250℃，采用爐冷，降溫速率不得超過50℃/h.從250℃到常溫，在靜止空氣中冷卻。

此外，刀盤結(jié)構(gòu)件的熱處理過程中需要注意以下要求：

（1）焊件進(jìn)爐時(shí)爐內(nèi)溫度不得高于400℃；

（2）升溫時(shí)，加熱區(qū)內(nèi)任意4 600 mm長度內(nèi)的溫差不得大于140℃；

（3）保溫時(shí)加熱區(qū)內(nèi)最高與最低溫度差不宜超過80℃；

（4）升溫及保溫時(shí)應(yīng)控制加熱區(qū)氣氛，防止焊接表面過度氧化。

6 結(jié)束語

本文對刀盤焊接裂紋全面分析，研究了裂紋對刀盤疲勞壽命的影響，得出焊接裂紋的控制措施，并制定了一套完整的可應(yīng)用于生產(chǎn)制造的工藝規(guī)程。該工藝規(guī)程為制造高可靠性TBM刀盤提供了理論基礎(chǔ)，為工程施工提供了技術(shù)支持，同時(shí)為TBM盾體及其他大型結(jié)構(gòu)件的焊接提供了借鑒基礎(chǔ)。

通過對TBM刀盤焊接裂紋的研究逐步掌握刀盤國產(chǎn)化技術(shù)，相信經(jīng)過不懈努力，并結(jié)合各方面理論及實(shí)踐知識(shí)，終將會(huì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)TBM的國產(chǎn)化。本文研究了焊接疲勞裂紋對TBM刀盤疲勞壽命的影響，分析過程與實(shí)際工作載荷有一定的差距，按照此方法計(jì)算的疲勞壽命具有一定的保守性。

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The Control Effect of Welding Process and Crack Cutter

CHEN Xiao-min，WANG Xiu-dong，WANG Xiao-qiang
（CSIC（Qingdao）Rail Transit Equipment Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266000，China）

This paper on hard rock tunnel boring machine cutter welding crack structure of the in-depth study，summarizing the influence of classification，welding cracks，crack fatigue life of welding cutter and control measures of cracks.In the course of the research，combined with the actual production，a set of effective process rules for crack control is developed，which provides technical support for developing domestic TBM cutter to break the foreign monopoly.

hard rock tunnel boring machine；cutter head；welding crack；fatigue life

TG44

A

1672-545X（2017）02-0107-04

2016-11-11

陳曉民（1987-），男，山東青島人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。