盾構(gòu)機(jī)焊接結(jié)構(gòu)件制造和焊接變形的控制工藝研究

摘要：隨著城市的發(fā)展，許多城市大力技有限公司推廣地鐵工程。盾構(gòu)機(jī)的制造在國(guó)內(nèi)已經(jīng)大力推廣。分析盾構(gòu)機(jī)的焊接結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生變形的原因，和對(duì)盾構(gòu)機(jī)焊接結(jié)構(gòu)件變形的有力控制，在經(jīng)過(guò)研究和分析以后，將提出預(yù)防措施來(lái)防止盾構(gòu)機(jī)焊接件的各種類(lèi)型的變形。有助于盾構(gòu)機(jī)的制造過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī);結(jié)構(gòu)件;焊接變形;分析原因

盾構(gòu)機(jī)制造中的焊接工藝，由于盾構(gòu)機(jī)要求的標(biāo)準(zhǔn)、精度都很高。焊接的地位在盾構(gòu)機(jī)中十分重要，而且它的價(jià)值意義也是十分巨大的，現(xiàn)實(shí)中由于焊接應(yīng)力導(dǎo)致的焊接變形等，則導(dǎo)致每年近百萬(wàn)元修復(fù)費(fèi)用，甚至報(bào)廢的巨大損失。這也是在盾構(gòu)機(jī)制造中不可避免卻又不得不避免的一個(gè)重大問(wèn)題，因此，研究并探討出防止盾構(gòu)機(jī)焊接結(jié)構(gòu)件變形的預(yù)防措施具有很重要的價(jià)值和意義。

一、焊接結(jié)構(gòu)件變形分類(lèi)

盾構(gòu)機(jī)分為刀盤(pán)、前盾、中盾、尾盾、管片安裝機(jī)、后配套車(chē)橋等部分組成。盾構(gòu)機(jī)在焊接結(jié)構(gòu)件變形的原因有很多，其中主要因素有：母材的材質(zhì)、填充材料的選用、焊接方法不嫻熟或者方法不正確、焊接參數(shù)過(guò)大、焊接順序不正確、還有冷卻時(shí)間及焊接過(guò)程中是否有約束等問(wèn)題導(dǎo)致的焊接結(jié)構(gòu)件變形等原因。但是這些原因歸根結(jié)底是由于焊接殘余應(yīng)力造成的，而焊接結(jié)構(gòu)變形又可以分為以下幾類(lèi)：收縮變形—其包括垂直于焊縫方向引起的橫向收縮和焊縫方向引起的縱向收縮，彎曲變形—這個(gè)包括由于橫向收縮引起的彎曲變形和由于縱向收縮引起的彎曲變形，扭曲變形—構(gòu)件繞自身軸線的扭曲，波浪邊形——波浪變形時(shí)由于薄板焊接產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力使得構(gòu)件出現(xiàn)因?yàn)閴嚎s而形成的。

二、盾構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)件變形的預(yù)防措施和矯正手段

（一）完善和改進(jìn)焊接的結(jié)構(gòu)是其中一方面

想要控制和預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)件的變形，首當(dāng)其沖就得在設(shè)計(jì)方面下功夫，前提設(shè)計(jì)好合理的結(jié)構(gòu)，只有把設(shè)計(jì)做好了，才能為下面的步驟打好基礎(chǔ)。做好設(shè)計(jì)的具體措施有：選擇合理的焊縫形式和大小合適的尺寸，例如圖1（盾構(gòu)前盾內(nèi)環(huán)與把合板的坡口修改前后對(duì)比），若是遇到不必要的焊縫要盡量減少，可以避免焊縫太集中，也就是必須合理安排焊縫的位置。

（二）剛性固定法的使用盾構(gòu)中盾的剛性支撐

一般說(shuō)來(lái)，剛性大的結(jié)構(gòu)件經(jīng)過(guò)焊接后發(fā)生變形的可能都會(huì)比較小，而剛性比較小的結(jié)構(gòu)件經(jīng)過(guò)焊接后可能會(huì)產(chǎn)生大的變形，那么對(duì)待這種容易變形的結(jié)構(gòu)件就得采用專(zhuān)用的夾具、支撐點(diǎn)固在工件上來(lái)提高它的剛性，以此來(lái)減小變形情況的發(fā)生，這種方法在實(shí)踐中比防止角變形和波浪變形更加有效，但必須指出的是，工人在工件焊接后，需等工件焊接并熱處理后，才能將支撐撤掉，否則就容易出現(xiàn)事故。再則一方面，拿掉剛性固定前一定得采用錘擊敲打的方式來(lái)消除部分應(yīng)力，減小變形。

（三）收縮變形余量的預(yù)留

根據(jù)焊接收縮經(jīng)驗(yàn)及理論，得出計(jì)算值（箱形梁四周施焊收縮量2mm/m，其他結(jié)構(gòu)依此類(lèi)推）和經(jīng)驗(yàn)值，收縮余量是在工件下料及加工時(shí)預(yù)先考慮的問(wèn)題，這是為了便于達(dá)到焊接工件所要求的形狀、尺寸等，在焊縫收縮的方向上預(yù)先留出收縮量，保證焊接后的構(gòu)件滿足要求的尺寸。

應(yīng)值得一提的是，如果焊縫的形狀在實(shí)際生產(chǎn)中達(dá)不到規(guī)則形狀，預(yù)留的焊接收縮量就不能用平常的理論公式來(lái)計(jì)算，而是需要通過(guò)多個(gè)實(shí)際產(chǎn)品的焊接試驗(yàn)來(lái)確定焊接的收縮量。

（四）反變形法的使用

理論計(jì)算值和經(jīng)驗(yàn)可以預(yù)先估計(jì)出結(jié)構(gòu)焊件變形的大小和方向，以保證在焊接裝配時(shí)能給予一個(gè)方向相反大小也相等的人為的變形，焊接的不對(duì)稱(chēng)會(huì)導(dǎo)致收縮變成角變形，那么就可以在裝配時(shí)加上一個(gè)與變形相反的角度，這樣就使得焊接后的變形與反變形相互抵消，那么工件也就滿足要求的尺寸。

（五）焊接方法必須合理

合理的焊接方法在機(jī)械制作中是極其重要的，焊接采用的方法不同，產(chǎn)生的線能量也會(huì)有不同，如果選用線能量比較低的焊接方法的話，變形就可以得到有效的控制，還能減小焊接塑性壓縮區(qū)，而目前主要采用三種焊接方法焊接盾構(gòu)：埋弧自動(dòng)焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、手工電焊弧、目前這三種是比較常見(jiàn)的焊接方法，正確的焊接順序，這些焊接方法都可以降低焊接變形量。

（六）焊前預(yù)熱及焊接后消應(yīng)力的熱處理

焊接預(yù)熱使得焊縫周?chē)哪覆臏囟壬邥?huì)降低焊縫金屬與周?chē)覆牡臏夭睿绱艘粊?lái)，降低焊接收縮內(nèi)應(yīng)力將會(huì)減少焊接的變形程度，焊縫區(qū)溫度的不均勻?qū)㈦y免造成很高的內(nèi)應(yīng)力，而這樣的焊接內(nèi)應(yīng)力又會(huì)使得焊件在加工過(guò)程中產(chǎn)生變形，若通過(guò)適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，就可以減少焊件變形事故的發(fā)生。另外焊后熱處理也能產(chǎn)生一定的變形。

三、如何矯正焊接變形

焊件變形不僅對(duì)于工作人員有很大影響，而且對(duì)整個(gè)工作的進(jìn)行都會(huì)產(chǎn)生不利的反應(yīng)，而若能將變形矯正過(guò)來(lái)，將會(huì)使得工作得以順利地進(jìn)行，矯正焊接變形的方法主要有2種——機(jī)械矯正和火焰加熱矯正，他們實(shí)質(zhì)上都是使得焊接結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生新的變形來(lái)抵消焊接變形。

（一）機(jī)械矯正方法

給盾構(gòu)機(jī)梁型構(gòu)件，施加來(lái)自外部的機(jī)械力，使得構(gòu)件產(chǎn)生與原來(lái)的焊接變形的方向相反的塑性變形，以便于能夠抵消焊接變形，這樣的方法叫做機(jī)械矯正。而來(lái)自外部機(jī)械力的施加則可以通過(guò)錘擊、壓力機(jī)及碾壓等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方法只適合剛性較小且不太厚的板結(jié)構(gòu)。

鉚工在使用機(jī)械矯正的過(guò)程中一定要注意采用油壓機(jī)進(jìn)行，因?yàn)檫@種校直方法生產(chǎn)效率較高，但是工作人員必須具有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，否則就容易導(dǎo)致將構(gòu)建表面弄出壓痕或焊縫區(qū)域出現(xiàn)裂紋等。

（二）火焰加熱的矯正方法

利用火焰加熱時(shí)產(chǎn)生的局部壓縮塑性變形使得構(gòu)件較長(zhǎng)的部分在冷卻過(guò)后縮短以抵消變形，這種方法叫火焰加熱矯正，鉚工在進(jìn)行火焰加熱過(guò)程中，也可以同時(shí)施加機(jī)械力，這樣可以有效地提高矯正效果，構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊接變形的實(shí)際情況決定了是選擇點(diǎn)狀加熱、線狀加熱還是三角形加熱等方式。

鉚工在操作過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制火焰的溫度，溫度較低或較高都無(wú)法適度地進(jìn)行調(diào)配和控制，溫度較低無(wú)法調(diào)整尺寸，溫度過(guò)高又會(huì)造成加熱區(qū)域硬度降低從而導(dǎo)致整體強(qiáng)度下降，因此操作的鉚工必須具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是與機(jī)械矯正相比，火焰加熱矯正的效率較低但適用范圍較廣。

四、結(jié)束語(yǔ)

關(guān)于對(duì)盾構(gòu)機(jī)制造中焊接變形的研究，主要對(duì)大型的焊接結(jié)構(gòu)件的制造，如：軋鋼類(lèi)的大型結(jié)構(gòu)件，礦山冶金的筒體類(lèi)結(jié)構(gòu)件等的制造具有十分重要的意義和價(jià)值。根據(jù)理論結(jié)合實(shí)踐的指導(dǎo)方法，把理論計(jì)算結(jié)合到實(shí)際產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，由此再來(lái)制定出相應(yīng)的工藝措施，這樣即能保證質(zhì)量問(wèn)題，還能對(duì)提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本產(chǎn)生較大的作用。

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作者簡(jiǎn)介：

羅曉明，男，漢族，遼寧沈陽(yáng)人，本科，助理工程師，從事建筑工程技術(shù)工作。