盾體焊接中對接接頭工藝實驗與研究

張烜

摘 要：隨著社會經濟的發展和工業科技水平的提高，交通行業和市政建設的需求推動了盾構機的發展和應用。盾構機的出現極大了改善了隧道施工的條件和效率，倍受歡迎。盾構機本身就是一個綜合科技的體現，整機體積龐大，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。文章對盾體中常用的焊接接頭形式對接接頭進行實驗，研究焊接工藝得出合適的焊接規范參數，按照此規范參數進行焊接生產既保證了焊縫的機械性能又提高了生產效率。

關鍵詞：盾體；焊接；工藝；對接接頭；氣體保護焊；力學性能

隨著我國地鐵和隧道交通的日益發展，全斷面隧道挖掘機近兩年迅速的成為我國重工業發展中的新型高科技產品。盾構機外殼的主體部分為焊接結構件，焊接質量將直接影響到整機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題。焊接是制造技術的重要組成部分，在國民經濟建設中具有不可替代的重要作用。隨著科學技術的發展，追求焊接生產過程的優質、高效和低成本是一個永恒的主題[1]。文章結合盾構機常用焊接接頭的特點，進行焊接工藝分析，并制定出合理的焊接工藝參數。

1 焊接方法及參數的選配

1.1 焊接方法的選擇

結合工件的實際情況，結構多為厚板、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，因此選擇氣體保護焊進行焊接生產。

1.2 焊接參數的選配

對于熔化極氣體保護焊而言，其焊接工藝參數主要包括焊接電流、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送絲速度調節的，所以調節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

焊接工藝是焊接生產中至關重要的技術文件，它是焊接生產得以順利開展的基礎，是工人施焊的技術依據，是產品質量的有效保證，因此，對焊接工藝參數的研究非常重要。文章對焊接參數中最重要的參數——焊接電流進行詳細研究，明確焊接電流對焊接接頭的力學性能影響，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，文章在進行工藝試驗的時候，對材料結構進行了簡化，采用20mm厚的板材作用試驗板材，這樣既滿足了多道焊的要求，又節省了材料。對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焊，焊絲直徑為1.2mm，焊接材料為E7015（美標，相對于國標ER50-6）。以此結構形式進行焊接試驗，焊后對焊接接頭的力學性能和顯微組織進行分析，確定最佳焊接工藝參數。

圖1 對接接頭示意圖

圖2是焊接接頭抗拉強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，焊接接頭的抗拉強度呈現出先增大后減小的變化趨勢，其最大值在焊接電流為230A時取得，其值為510MPa。但是從整體來看，焊接接頭抗拉強度的變化較小，其最大變化幅度為12MPa，這一數值對于此類材料而言，基本可以忽略不計，因此，從圖2基本可以推測出電流在170-250范圍內焊接接頭的力學性能均能滿足工程實際要求。

由于盾構機在地下工作，其工作溫度可能低于室溫，因此，在做沖擊試驗時，采用低溫試驗，試驗溫度時-20℃，由于所焊板材為20mm厚，沖擊試件加工出10mm×10mm×55mm的標準試樣進行試驗，試驗時沖擊缺口開置的位置分兩種，一種是在焊縫區域，一種是在熔合線上[3]。對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與抗拉強度基本相同，隨著焊接電流的增大，焊縫區和熱影響區的沖擊功均呈現出先增大后減小的變化趨勢，在焊接電流為230A時，焊縫和熱影響區的沖擊功達到了最大值，分別為158J和105J，但是從整體看，焊縫和熱影響區的沖擊功變化并不明顯。此外發現，焊縫的沖擊功要整體高于熱影響區，這一結果基本反映了焊接過程特點，因為，焊接接頭中的薄弱環節就是熱影響區，在焊接熱源的作用下，此區域基本不發生相變，這就使得吸收的熱源用于組織長大上，最終導致組織粗化，性能下降。

通過對焊接接頭顯微硬度的測定去反映出焊接接頭不同組織的性能變化[4]。在硬度測試過程中將焊接接頭分為三部分：焊縫、熱影響區和母材，取點位置如圖4所示。

圖4 焊接接頭硬度取點分布圖

由于試驗所用的母材相同，所以其硬度值基本一致，經測定其值為160HV。熱影響區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，焊縫和熱影響區的硬度隨焊接電流的增大表現出相同的變化規律，都是隨著焊接電流的增大呈現出先增大后減小的變化趨勢，其最大值也都在焊接電流為230A處取得，此時焊縫和熱影響區的硬度分別為172HV和159HV。此外，從圖中還可以發現，雖然焊縫和熱影響區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，熱影響區硬度的變化幅度為10HV，這說明焊接接頭的硬度變化較小，基本都能滿足實際工程需要。

圖5 硬度隨焊接電流的變化曲線

綜合上述各圖表的數據可以得出，在焊接電流為170-250A時，焊接接頭的力學性能基本都能滿足實際工程需要，這說明在此范圍內焊接電流基本都是合適的，但是在實際生產過程中，還要結合焊接效率進行綜合考慮，如果焊接電流較小則焊接效率相應就較低，若焊接電流較高則焊接效率相應就較高，但是對于打底焊縫，由于底層頓邊較小，其焊接電流不易過大，過大將出現燒穿或下塌現象。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大，選為220-230A。

3 焊接工藝規程的制定

結合盾構機實際結構的特點以及工藝典型性，根據試驗結果制定出相應的工藝規程，具體參數見表1。

表1 對接接頭工藝規程

4 結束語

對于對接接頭而言，若采用熔化極氣體保護焊，焊接電流在170-250A范圍內，焊接接頭的力學性能均滿足要求，在焊接電流為230A時，焊接接頭的力學性能得到最佳值，硬度為172HV，抗拉強度為510MPa，沖擊功為158J；但結合實際情況進行考慮，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化趨勢，但是焊接電流過大，焊縫中出現大量片狀珠光體。

參考文獻

[1]武傳松.焊接熱過程與熔池形態[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]潘際鑾.焊接手冊[M].（第一卷）北京：機械工業出版社，2007.

[3]徐衛東.焊接檢驗與質量管理[M].北京：機械工業出版社，2008.

[4]任建輝.T91鋼焊接性能的研究[D].合肥：合肥工業大學，2011.