盾体焊接中对接接头工艺实验与研究

张烜

摘 要：随着社会经济的发展和工业科技水平的提高，交通行业和市政建设的需求推动了盾构机的发展和应用。盾构机的出现极大了改善了隧道施工的条件和效率，倍受欢迎。盾构机本身就是一个综合科技的体现，整机体积庞大，制作难度很大，盾体均需要焊接成型，因此焊接的需求十分巨大。文章对盾体中常用的焊接接头形式对接接头进行实验，研究焊接工艺得出合适的焊接规范参数，按照此规范参数进行焊接生产既保证了焊缝的机械性能又提高了生产效率。

关键词：盾体；焊接；工艺；对接接头；气体保护焊；力学性能

随着我国地铁和隧道交通的日益发展，全断面隧道挖掘机近两年迅速的成为我国重工业发展中的新型高科技产品。盾构机外壳的主体部分为焊接结构件，焊接质量将直接影响到整机装配精度和使用性能。因此选择合理的焊接工艺，成为顺利完成焊接工作的首要问题。焊接是制造技术的重要组成部分，在国民经济建设中具有不可替代的重要作用。随着科学技术的发展，追求焊接生产过程的优质、高效和低成本是一个永恒的主题[1]。文章结合盾构机常用焊接接头的特点，进行焊接工艺分析，并制定出合理的焊接工艺参数。

1 焊接方法及参数的选配

1.1 焊接方法的选择

结合工件的实际情况，结构多为厚板、中厚板，焊接材料填充量较多，需要焊接效率较高的焊接方法，因此选择气体保护焊进行焊接生产。

1.2 焊接参数的选配

对于熔化极气体保护焊而言，其焊接工艺参数主要包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度和气体流量[2]。其中焊接电流的大小是通过送丝速度调节的，所以调节焊接电流即可确定焊接电压和送丝速度，焊接速度200-300mm/min，气体流量为10-15L/min。

2 焊接工艺试验

焊接工艺是焊接生产中至关重要的技术文件，它是焊接生产得以顺利开展的基础，是工人施焊的技术依据，是产品质量的有效保证，因此，对焊接工艺参数的研究非常重要。文章对焊接参数中最重要的参数——焊接电流进行详细研究，明确焊接电流对焊接接头的力学性能影响，最终确定合理焊接电流。

盾体所用材料通常较厚，一般在40mm-120mm，文章在进行工艺试验的时候，对材料结构进行了简化，采用20mm厚的板材作用试验板材，这样既满足了多道焊的要求，又节省了材料。对接接头的示意图如图1所示，焊接材料为Q345B，焊接方法为熔化极气体保护焊，焊丝直径为1.2mm，焊接材料为E7015（美标，相对于国标ER50-6）。以此结构形式进行焊接试验，焊后对焊接接头的力学性能和显微组织进行分析，确定最佳焊接工艺参数。

图1 对接接头示意图

图2是焊接接头抗拉强度随焊接电流的变化曲线。从图2可以看出，随着焊接电流的增大，焊接接头的抗拉强度呈现出先增大后减小的变化趋势，其最大值在焊接电流为230A时取得，其值为510MPa。但是从整体来看，焊接接头抗拉强度的变化较小，其最大变化幅度为12MPa，这一数值对于此类材料而言，基本可以忽略不计，因此，从图2基本可以推测出电流在170-250范围内焊接接头的力学性能均能满足工程实际要求。

由于盾构机在地下工作，其工作温度可能低于室温，因此，在做冲击试验时，采用低温试验，试验温度时-20℃，由于所焊板材为20mm厚，冲击试件加工出10mm×10mm×55mm的标准试样进行试验，试验时冲击缺口开置的位置分两种，一种是在焊缝区域，一种是在熔合线上[3]。对不同焊接电流焊接接头的冲击性能汇总，如图3所示。

图3 冲击功随焊接电流的变化曲线

从图3可以看出，焊接接头冲击功随焊接电流的变化趋势与抗拉强度基本相同，随着焊接电流的增大，焊缝区和热影响区的冲击功均呈现出先增大后减小的变化趋势，在焊接电流为230A时，焊缝和热影响区的冲击功达到了最大值，分别为158J和105J，但是从整体看，焊缝和热影响区的冲击功变化并不明显。此外发现，焊缝的冲击功要整体高于热影响区，这一结果基本反映了焊接过程特点，因为，焊接接头中的薄弱环节就是热影响区，在焊接热源的作用下，此区域基本不发生相变，这就使得吸收的热源用于组织长大上，最终导致组织粗化，性能下降。

通过对焊接接头显微硬度的测定去反映出焊接接头不同组织的性能变化[4]。在硬度测试过程中将焊接接头分为三部分：焊缝、热影响区和母材，取点位置如图4所示。

图4 焊接接头硬度取点分布图

由于试验所用的母材相同，所以其硬度值基本一致，经测定其值为160HV。热影响区和焊缝的硬度值随焊接电流的变化曲线如图5所示。

从图5可以看出，随着焊接电流的增大，焊缝和热影响区的硬度随焊接电流的增大表现出相同的变化规律，都是随着焊接电流的增大呈现出先增大后减小的变化趋势，其最大值也都在焊接电流为230A处取得，此时焊缝和热影响区的硬度分别为172HV和159HV。此外，从图中还可以发现，虽然焊缝和热影响区的硬度随焊接电流有所变化，但是变化幅度并不是很大，焊缝硬度的变化幅度为14HV，热影响区硬度的变化幅度为10HV，这说明焊接接头的硬度变化较小，基本都能满足实际工程需要。

图5 硬度随焊接电流的变化曲线

综合上述各图表的数据可以得出，在焊接电流为170-250A时，焊接接头的力学性能基本都能满足实际工程需要，这说明在此范围内焊接电流基本都是合适的，但是在实际生产过程中，还要结合焊接效率进行综合考虑，如果焊接电流较小则焊接效率相应就较低，若焊接电流较高则焊接效率相应就较高，但是对于打底焊缝，由于底层顿边较小，其焊接电流不易过大，过大将出现烧穿或下塌现象。因此，打底焊缝的焊接电流可以较小，选为170A，填充焊缝的焊接电流可以适当大，选为220-230A。

3 焊接工艺规程的制定

结合盾构机实际结构的特点以及工艺典型性，根据试验结果制定出相应的工艺规程，具体参数见表1。

表1 对接接头工艺规程

4 結束语

对于对接接头而言，若采用熔化极气体保护焊，焊接电流在170-250A范围内，焊接接头的力学性能均满足要求，在焊接电流为230A时，焊接接头的力学性能得到最佳值，硬度为172HV，抗拉强度为510MPa，冲击功为158J；但结合实际情况进行考虑，焊接电流为170A-190A适合于打底焊接，焊接电流为210A-250A适合填充和罩面。

焊接接头的显微组织基本都是铁素体F和珠光体P组成的，随着电流的增大铁素体有一定的细化趋势，但是焊接电流过大，焊缝中出现大量片状珠光体。

参考文献

[1]武传松.焊接热过程与熔池形态[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]潘际銮.焊接手册[M].（第一卷）北京：机械工业出版社，2007.

[3]徐卫东.焊接检验与质量管理[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]任建辉.T91钢焊接性能的研究[D].合肥：合肥工业大学，2011.