復合式土壓平衡盾構機刀盤焊接工藝

任 潔 劉曙光 李 偉

（濟南重工股份有限公司，濟南 250109）

盾構機結構復雜，主要由刀盤、盾體、螺旋輸送機、管片拼裝機等多部分組成，采用先進的科學技術，涉及巖土、力學、機械、電氣、液壓、控制、測量等多門科學，集機、電、液壓、傳感器、信息等于一體，實現盾構機整體的運行。

其中，刀盤設置在盾構機的最前方，其功能是掘削底層土體，又能對掘削面起到支撐作用，從而保證盾構機穩定前進，因此，刀盤在整個盾構機的工作過程中起著至關重要的作用。刀盤（以下指刀盤焊接件）的材料選擇、焊接工藝、以及后期的保養維修工作等均關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、裂紋等的產生，因此，刀盤焊接工藝要明確且要求較為嚴格。下面以復合式土壓平衡盾構機的刀盤焊接為例，對刀盤的焊接工藝做詳細描述。

1 刀盤焊接件材料

盾構機刀盤焊接件零件大多為Q345B材料，極少數零件使用Q235D材料，刀盤大圓環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。總之，刀盤整體材料較為統一，為刀盤焊接提供方便。

2 焊接工藝

考慮到盾構機刀盤的重要性、實際工作效率以及對環保的要求，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，可獲得無內部缺陷的高質量焊接接頭。此焊接方式操作簡單，可實現自動焊接和全方位焊接，比較適合刀盤這種結構復雜的工件。

圖1 CO2氣體保護焊焊接現場

圖2 焊接現場

2.1 焊前準備及注意事項

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，否則焊縫會出現氣孔、夾渣、包砂等缺陷，影響焊縫質量，進而需要對焊縫修復，降低工作效率。由于盾構機刀盤直徑較大，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，探傷合格后繼續焊接，若探傷結果出現氣孔等缺陷，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于是對前一道焊縫和熱影響區進行加熱，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，要用風槍將焊縫表面的藥皮清除，避免產生夾渣，同時減少焊接應力。

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

2.2 焊接參數及焊接注意事項

CO2氣體保護焊焊接參數包括焊絲直徑、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內選擇，粗滴過渡時焊接電流在250～500A內選擇，具體焊接電流根據焊工師傅實際操作能力在該范圍內選取。

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機的使用性能。

3 焊后處理與結果分析

刀盤主梁與大圓環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完全焊接，然后將此結構進行機加工處理。為確保結構焊縫無缺陷，在機加工前對結構進行探傷，確保結構無缺陷后，再對其進行振動時效處理，目的是降低結構的殘余應力，防止結構變形或開裂，提高結構尺寸的精度，增強結構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力。尤其在冬季環境溫度較低時，刀盤主梁與大圓環焊接完成后，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，降低裂紋出現的幾率，從而達到焊接質量要求。

4 結語

本文以我公司自主研發的復合式土壓平衡盾構機為例，描述了盾構機刀盤焊接前的準備工作、焊接參數和注意事項以及焊后處理工作，總結如下：（1）焊前對工件進行磨光、去污、預熱，以保證焊縫質量，降低焊接應力；（2）堆焊時焊接與探傷結合進行，避免產生焊接缺陷；（3）刀盤主梁與大圓環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構殘余應力的存在，并作保溫處理，防止裂紋產生。