復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機刀盤焊接工藝

任 潔 劉曙光 李 偉

（濟南重工股份有限公司，濟南 250109）

盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由刀盤、盾體、螺旋輸送機、管片拼裝機等多部分組成，采用先進的科學(xué)技術(shù)，涉及巖土、力學(xué)、機械、電氣、液壓、控制、測量等多門科學(xué)，集機、電、液壓、傳感器、信息等于一體，實現(xiàn)盾構(gòu)機整體的運行。

其中，刀盤設(shè)置在盾構(gòu)機的最前方，其功能是掘削底層土體，又能對掘削面起到支撐作用，從而保證盾構(gòu)機穩(wěn)定前進，因此，刀盤在整個盾構(gòu)機的工作過程中起著至關(guān)重要的作用。刀盤（以下指刀盤焊接件）的材料選擇、焊接工藝、以及后期的保養(yǎng)維修工作等均關(guān)系到刀盤的使用性能及壽命，其中，刀盤的焊接難度較大，且實踐中要避免焊縫缺陷、裂紋等的產(chǎn)生，因此，刀盤焊接工藝要明確且要求較為嚴(yán)格。下面以復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機的刀盤焊接為例，對刀盤的焊接工藝做詳細描述。

1 刀盤焊接件材料

盾構(gòu)機刀盤焊接件零件大多為Q345B材料，極少數(shù)零件使用Q235D材料，刀盤大圓環(huán)支撐切削面的周邊以及攪拌棒等受到摩擦的部位采取焊接耐磨層的方式來提高機械零件的耐磨性及耐腐蝕性。受摩擦力較大的部位，如刀盤大圓環(huán)外周采用材料為HARDOX的高強耐磨板；受摩擦較小的部位，如攪拌棒表面采取堆焊耐磨層的方式提高耐磨性?？傊侗P整體材料較為統(tǒng)一，為刀盤焊接提供方便。

2 焊接工藝

考慮到盾構(gòu)機刀盤的重要性、實際工作效率以及對環(huán)保的要求，采用二氧化碳氣體保護焊的焊接方式，如圖1、圖2所示，使用含脫氧劑的焊絲，可獲得無內(nèi)部缺陷的高質(zhì)量焊接接頭。此焊接方式操作簡單，可實現(xiàn)自動焊接和全方位焊接，比較適合刀盤這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件。

圖1 CO2氣體保護焊焊接現(xiàn)場

圖2 焊接現(xiàn)場

2.1 焊前準(zhǔn)備及注意事項

刀盤焊接前，首先清除焊接部位表面的鐵銹、油污等，如圖3所示，將焊接處零件表面打磨呈金屬光澤后再進行焊接，否則焊縫會出現(xiàn)氣孔、夾渣、包砂等缺陷，影響焊縫質(zhì)量，進而需要對焊縫修復(fù)，降低工作效率。由于盾構(gòu)機刀盤直徑較大，焊接時大多采用堆焊的焊接方式，如圖4所示，在堆焊第二條焊縫時，需熔化第一條焊道的1/3～1/2寬度，使各條焊道緊密連接，并能防止產(chǎn)生夾渣或者未焊透等缺陷。每道焊縫焊接完成后都需進行探傷，探傷合格后繼續(xù)焊接，若探傷結(jié)果出現(xiàn)氣孔等缺陷，采用碳弧刨將缺陷部分去除，重新焊接至探傷結(jié)果合格。

圖3 焊接部位打磨呈金屬光澤

圖4 法蘭與牛腿堆焊圖

多層多道焊時，由于后一道焊縫相當(dāng)于是對前一道焊縫和熱影響區(qū)進行加熱，相似于正火作用，可改善組織、細化晶粒以及焊縫的塑性和韌性。在多層多道焊時，每焊完一道，要用風(fēng)槍將焊縫表面的藥皮清除，避免產(chǎn)生夾渣，同時減少焊接應(yīng)力。

重要構(gòu)件、合金鋼及較厚部件的焊接，需要在焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度通常在150～200℃。當(dāng)?shù)侗P焊接環(huán)境溫度較高時，部分零部件焊接可不預(yù)熱；當(dāng)焊接環(huán)境溫度較低時，必須在焊前預(yù)熱。其中，重要零部件在較高環(huán)境溫度下依然需要焊前預(yù)熱，如刀盤法蘭，預(yù)熱能緩解焊后結(jié)構(gòu)的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋；除此之外，預(yù)熱還能降低焊接應(yīng)力，避免產(chǎn)生焊接裂紋。值得注意的是，預(yù)熱要保證預(yù)熱溫度在鋼板厚度方向和焊縫區(qū)域的均勻性，更好地降低焊接應(yīng)力，反之，不但不能減少焊接應(yīng)力，反而增加焊接應(yīng)力。

2.2 焊接參數(shù)及焊接注意事項

CO2氣體保護焊焊接參數(shù)包括焊絲直徑、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、氣流量等。

2.2.1 焊絲直徑

焊絲直徑是根據(jù)焊件的厚度、施焊位置以及效率等要求進行選擇的，通常采用φ0.8～φ1.6mm的焊絲，濟南重工股份有限公司（以下簡稱“我公司”）刀盤焊接焊絲直徑統(tǒng)一采用φ1.2mm的索力得焊絲，具體焊絲選擇參考表1。

表1 CO2氣體保護焊焊絲直徑選取參考表

2.2.2 焊接電流

電流大小取決于送絲速度，速度越快所需焊接電流越大，短路過渡時焊接電流一般在50～230A內(nèi)選擇，粗滴過渡時焊接電流在250～500A內(nèi)選擇，具體焊接電流根據(jù)焊工師傅實際操作能力在該范圍內(nèi)選取。

2.2.3 電弧電壓

電弧電壓的大小決定了電弧的長短和熔滴的過渡形式，它對焊縫的形成、飛濺、焊接缺陷以及焊縫的力學(xué)性能有很大影響。短路過渡CO2氣體保護焊焊接時焊接電流與電弧電壓的最佳配合如表2所示。

表2 短路過渡CO2氣體保護焊焊接時焊接電流與電弧電壓的最佳配合表

2.2.4 注意事項

刀盤焊接時首先將六主梁與刀盤大圓環(huán)焊接完整，主梁焊接時要求六條主梁由六人同時焊接，減少焊接變形；后焊接牛腿與法蘭，由于牛腿與法蘭質(zhì)量、體積較大，若先將其焊接在主梁上再進行主梁的焊接則會增加主梁的焊接難度，降低焊接精度，主梁焊后變形較大，影響刀具的安裝和盾構(gòu)機的使用性能。

3 焊后處理與結(jié)果分析

刀盤主梁與大圓環(huán)焊接時先點焊將其固定，再采用堆焊的方式將主梁與大圓環(huán)完全焊接，然后將此結(jié)構(gòu)進行機加工處理。為確保結(jié)構(gòu)焊縫無缺陷，在機加工前對結(jié)構(gòu)進行探傷，確保結(jié)構(gòu)無缺陷后，再對其進行振動時效處理，目的是降低結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，防止結(jié)構(gòu)變形或開裂，提高結(jié)構(gòu)尺寸的精度，增強結(jié)構(gòu)的抗變形能力和提高疲勞壽命。

為避免工件焊后開裂，堆焊完成后，對焊縫進行保溫處理，減少焊縫整體快速冷卻而造成的變形和收縮應(yīng)力。尤其在冬季環(huán)境溫度較低時，刀盤主梁與大圓環(huán)焊接完成后，要在焊縫處包覆保溫棉（通常使用巖棉）保溫。使焊縫緩慢冷卻，降低裂紋出現(xiàn)的幾率，從而達到焊接質(zhì)量要求。

4 結(jié)語

本文以我公司自主研發(fā)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機為例，描述了盾構(gòu)機刀盤焊接前的準(zhǔn)備工作、焊接參數(shù)和注意事項以及焊后處理工作，總結(jié)如下：（1）焊前對工件進行磨光、去污、預(yù)熱，以保證焊縫質(zhì)量，降低焊接應(yīng)力；（2）堆焊時焊接與探傷結(jié)合進行，避免產(chǎn)生焊接缺陷；（3）刀盤主梁與大圓環(huán)采用先點焊固定再整體焊接的方式，焊后通過振動時效工藝減小結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的存在，并作保溫處理，防止裂紋產(chǎn)生。