焊機群控管理與盾構刀盤焊接變形控制技術

郜衛(wèi)鵬/GAO Weipeng

（中鐵工程裝備集團盾構制造有限公司，河南 鄭州 453600）

隨著我國城市基礎設施建設的快速發(fā)展，開發(fā)與利用城市地下空間已成為新世紀城市發(fā)展的必然[1]。在打通地下通道，尤其在跨江、跨海隧道工程建設中，超大直徑盾構在工程中得到越來越多的應用[2]。為適應高水壓、復雜地質環(huán)境，以及同時具備較高的施工效率、可靠性和換刀安全性，刀盤的成型質量對盾構施工十分重要[3]。

本文所涉及刀盤現(xiàn)場組焊變形主要是指刀盤邊塊焊后受焊接應力作用，導致其向刀盤中心平移，也稱邊塊焊后收縮。本文通過對數(shù)學模型的優(yōu)化，來準確預測刀盤邊塊焊后收縮量，量化焊接電流對焊接變形的影響，并利用焊機群控管理系統(tǒng)控制焊接電流，最終將刀盤邊塊焊接收縮量控制在預期范圍內(nèi)。大直徑常壓刀盤結構一般由1 個中心塊和6 個邊塊組成，如圖1 所示。由于刀盤整體直徑太大，為方便運輸，刀盤都是拆解后由制造廠分塊運送到施工現(xiàn)場[4]，在施工現(xiàn)場完成中心塊與邊塊的組焊，徐震[5-6]，運用經(jīng)驗設計和仿真分析等方法做過比較分析，雖然邊塊質量比中心塊小得多，但每個邊塊也重達幾十噸，刀盤在施工現(xiàn)場組對調平以后，由于待焊部位鋼板較厚（90～100mm），且為全熔透探傷焊縫，焊縫填充量大，焊縫橫向收縮應力較大，所以邊塊焊后主要變形方向便是向刀盤中心平移，且平移量難以控制，再加上刀具軌跡半徑設計公差較為嚴格，所以常壓刀盤邊塊組焊的焊接收縮變形控制一直都是難題。

圖1 常壓刀盤結構示意圖

常用的焊接變形控制方法[7-8]有以下4 點：①設計焊接順序；②剛性固定；③增加反變形；④控制焊接參數(shù)。其中焊接順序可以根據(jù)理論知識進行設定，剛性固定可以在保證焊接可操作性的基礎上鉚焊碼板加固，而反變形的量化和焊接參數(shù)的過程控制問題一直較難解決。

反變形是機械行業(yè)控制焊接變形常用的方法，然而在增加反變形量之前需要對工件焊后的變形量做出準確的預測。在其他機械行業(yè)曾出現(xiàn)過以下兩種數(shù)據(jù)模型。

其中，y為焊接收縮變形量；x為母材板厚；e=2.718282。

其中，ΔS為焊接收縮變形量；Aw為焊縫橫截面積；t為母材板厚；d為根部間隙。

第一種數(shù)據(jù)模型僅考慮母材板厚因素，應用于刀盤焊接顯然行不通。第二種數(shù)據(jù)模型充分考慮了母材板厚、焊縫填充量和根部間隙的影響因素，但忽略了焊接參數(shù)對焊接收縮的影響。為充分考慮各種因素對焊接收縮變形產(chǎn)生的影響，亟需一種新的數(shù)據(jù)模型來適應常壓刀盤邊塊組焊的焊接變形量預測，并對以后常壓刀盤邊塊組焊提供參考。

焊接參數(shù)在傳統(tǒng)的焊接過程中是動態(tài)變量，對于焊工的操作難以實時監(jiān)控，多臺焊機同時施焊的過程更難得到監(jiān)控，且其對焊接變形的影響至今沒有一個量化的定論，焊接參數(shù)定的太小影響焊道熔合質量，焊接參數(shù)定的太大又擔心過量變形。若想通過焊接參數(shù)來控制焊接變形，首先需要將焊接參數(shù)融入數(shù)據(jù)模型，準確預判焊后收縮量。其次需要控制焊接參數(shù)使其上下浮動盡量小，減小焊工技能水平的不同等人為因素對焊接參數(shù)的影響，焊機群控管理系統(tǒng)恰能解決此問題。

1 方案提出

1.1 常壓刀盤

大直徑常壓刀盤由于不能實現(xiàn)整體運輸，所以需要分塊運輸，并在施工現(xiàn)場完成刀盤中心塊與六個邊塊的整體組焊，邊塊連接焊縫分布位置見圖2，焊縫坡口型式見圖3。焊接方法選用二氧化碳氣體保護焊（GMAW），單個邊塊和整體組焊均采取對稱位置同時施焊。

圖2 常壓刀盤邊塊連接焊縫

1.2 模型優(yōu)化

刀盤邊塊焊接前，需根據(jù)數(shù)據(jù)模型推測出邊塊焊后收縮量，并將收縮量提前向外釋放，達到反變形的目的。本項目以式（2）為基礎數(shù)據(jù)模型作為參考。數(shù)據(jù)模型充分考慮了母材板厚、焊縫填充量和根部間隙的影響因素，在此基礎上通過融入焊接電流變量并結合以往經(jīng)驗，來對模型進行優(yōu)化和驗證。

2 設計方案研究

2.1 數(shù)據(jù)模型優(yōu)化

基于有限元理論分析預測[9-10]及歷年常壓刀盤現(xiàn)場組焊測量數(shù)據(jù)得知，刀盤邊塊焊后收縮變形量基本在3～6mm 之間，由于仰焊位置（PE）、和立焊位置（PF）受焊接位置影響，其焊接電流和可調范圍較小，熱輸入低。而平焊位置（PA）往往焊接電流調節(jié)范圍較寬，且PA 位置焊縫填充量和焊接熱輸入量較大，對邊塊焊后變形影響較大，但工藝要求不允許擺動焊接，所以本項目可將平焊位置（PA）焊接電流作為主要變量融入數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化。優(yōu)化后的數(shù)據(jù)模型如下。

其中，ΔS為邊塊預測焊后收縮變形量；Aw為焊縫理論設計橫截面積；t為前面板厚度；d為邊塊放量前的前面板根部間隙；k為與PA 位置焊接電流相關的系數(shù)，k=1.22ln（i）-5.91；i為PA位置焊接電流。

2.2 焊機群控管理系統(tǒng)構建

在確定了數(shù)據(jù)模型之后，需要控制PA 位置焊接電流浮動范圍盡量小，此時需要將所有數(shù)字化焊機接入群控系統(tǒng)，除了可以實現(xiàn)對多臺焊機進行實時監(jiān)控[11]，而且可以設定焊接電流及可調范圍。智能化焊機群控管理系統(tǒng)大致由以下3 個模塊組成。

2.2.1 系統(tǒng)構成

焊機群控管理系統(tǒng)主要由“人機交互”、“群控系統(tǒng)服務器”、“無線網(wǎng)絡”、“車間焊機+無線控制器”四部分組成，硬件包含工控機一臺、具有群控功能的奧太數(shù)字化焊機若干、USB 轉RS485 接口一個、2×0.5mm2護套雙絞線若干[12]。系統(tǒng)結構框架如圖4 所示。

圖4 焊機群控管理系統(tǒng)結構框架圖

2.2.2 通訊方式的選擇

為不影響焊機的便攜性和可移動性，同時避免線路繁雜的布置，減少成本，本系統(tǒng)的通訊方式選擇了簡單易行的無線通訊方式[13-15]，連接方式見圖5。

圖5 “無線網(wǎng)絡”焊機群控示意圖

3 設計方案驗證

3.1 數(shù)據(jù)模型驗證

本項目以已竣工的中鐵某常壓刀盤組焊測量數(shù)據(jù)來對模型進行驗證，其邊塊預測焊后收縮量與實測值見表1，注：因中鐵某刀盤焊接時，焊機未接入群控管理系統(tǒng)，焊接電流值可能存在較大波動。

表1 中鐵某刀盤模型預測值與實測值對比表

由表1 數(shù)據(jù)對比分析可知，該模型預測邊塊收縮量與實測值相差僅在1mm 以內(nèi)，如刀盤邊塊按預測值進行放量，則刀具軌跡半徑偏差完全可以控制在設計公差范圍內(nèi)。

3.2 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

本次工藝參數(shù)優(yōu)化以焊機群控管理系統(tǒng)作為輔助工具，充分利用其工藝管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計的功能。工藝管理可限定焊接工藝參數(shù)，在焊接過程中，焊機自動匹配當前焊接工藝限定，焊工只能在當前工藝允許范圍內(nèi)進行焊接作業(yè)，保證了焊接工藝參數(shù)的穩(wěn)定性。如圖6 所示，焊接電流設定280A，微調范圍30A，那么實際焊接電流則為280±30A（250～310A），焊工只能在這個范圍內(nèi)工作。數(shù)據(jù)統(tǒng)計可在線顯示焊材消耗量，對于相同焊縫，通過不同參數(shù)下的焊材消耗量數(shù)據(jù)對比，可從側面反映出不同參數(shù)下焊接飛濺的大小。本次選取6 臺焊機作為研究對象，分別用于焊接常規(guī)刀盤上的6 組完全相同的扭腿焊縫，如圖7、圖8 所示。

圖6 工藝參數(shù)設定界面

圖7 刀盤扭腿

圖8 扭腿接頭形式

6 臺焊機在WPS 許可范圍內(nèi)分別設定焊接電流220A、240A、260A、280A、300A、320A，微調范圍10A，在不同的焊接電流下，對電弧穩(wěn)定性、焊接飛濺量、焊道熔合情況以及焊絲熔覆率有不同的影響，最終導致焊縫探傷合格率和焊絲消耗量不同。焊后做UT 探傷統(tǒng)計各組扭腿焊縫合格率，并在群控管理系統(tǒng)后臺統(tǒng)計焊絲消耗量，焊后統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 扭腿不同參數(shù)焊后數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

通過焊接6 組扭腿統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可知，限定焊機電流范圍后，電流值在280A 時，焊接1 個扭腿的焊縫探傷合格率比6 組平均值高出4.5 個百分點，焊絲消耗量比平均值少1.8kg。綜合以上數(shù)據(jù)，并充分考慮焊接效率、質量和經(jīng)濟性，對于常壓刀盤邊塊PA 位置的焊接電流選擇范圍宜在260～280A 之間。

4 結論與建議

1）根據(jù)模型驗證和中鐵某常壓刀盤的實用結果可以看出，本項目所建數(shù)學模型在融入了焊接電流這一變數(shù)后，提高了其精確性。該模型的使用完全可以滿足刀盤邊塊焊后變形量的公差要求，可以很好地解決常壓刀盤現(xiàn)場組對時邊塊放量的問題。

2）該數(shù)據(jù)模型實用的精確性離不開智能化焊機群控管理系統(tǒng)的輔助，焊機群控系統(tǒng)在焊接實踐中實現(xiàn)了工件焊接過程工藝參數(shù)的信息化搜集和智能控制，提高了焊接數(shù)據(jù)的真實可靠性。鑒于該系統(tǒng)集成焊機管理、設備信息監(jiān)控、設備維保、規(guī)范管理、焊工管理、生產(chǎn)任務管理，報警管理、焊接數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等功能于一體，為焊接管理體系提供了一種全新的模式，值得全面推廣。