复合式土压平衡盾构机刀盘焊接工艺

任 洁 刘曙光 李 伟

（济南重工股份有限公司，济南 250109）

盾构机结构复杂，主要由刀盘、盾体、螺旋输送机、管片拼装机等多部分组成，采用先进的科学技术，涉及岩土、力学、机械、电气、液压、控制、测量等多门科学，集机、电、液压、传感器、信息等于一体，实现盾构机整体的运行。

其中，刀盘设置在盾构机的最前方，其功能是掘削底层土体，又能对掘削面起到支撑作用，从而保证盾构机稳定前进，因此，刀盘在整个盾构机的工作过程中起着至关重要的作用。刀盘（以下指刀盘焊接件）的材料选择、焊接工艺、以及后期的保养维修工作等均关系到刀盘的使用性能及寿命，其中，刀盘的焊接难度较大，且实践中要避免焊缝缺陷、裂纹等的产生，因此，刀盘焊接工艺要明确且要求较为严格。下面以复合式土压平衡盾构机的刀盘焊接为例，对刀盘的焊接工艺做详细描述。

1 刀盘焊接件材料

盾构机刀盘焊接件零件大多为Q345B材料，极少数零件使用Q235D材料，刀盘大圆环支撑切削面的周边以及搅拌棒等受到摩擦的部位采取焊接耐磨层的方式来提高机械零件的耐磨性及耐腐蚀性。受摩擦力较大的部位，如刀盘大圆环外周采用材料为HARDOX的高强耐磨板；受摩擦较小的部位，如搅拌棒表面采取堆焊耐磨层的方式提高耐磨性。总之，刀盘整体材料较为统一，为刀盘焊接提供方便。

2 焊接工艺

考虑到盾构机刀盘的重要性、实际工作效率以及对环保的要求，采用二氧化碳气体保护焊的焊接方式，如图1、图2所示，使用含脱氧剂的焊丝，可获得无内部缺陷的高质量焊接接头。此焊接方式操作简单，可实现自动焊接和全方位焊接，比较适合刀盘这种结构复杂的工件。

图1 CO2气体保护焊焊接现场

图2 焊接现场

2.1 焊前准备及注意事项

刀盘焊接前，首先清除焊接部位表面的铁锈、油污等，如图3所示，将焊接处零件表面打磨呈金属光泽后再进行焊接，否则焊缝会出现气孔、夹渣、包砂等缺陷，影响焊缝质量，进而需要对焊缝修复，降低工作效率。由于盾构机刀盘直径较大，焊接时大多采用堆焊的焊接方式，如图4所示，在堆焊第二条焊缝时，需熔化第一条焊道的1/3～1/2宽度，使各条焊道紧密连接，并能防止产生夹渣或者未焊透等缺陷。每道焊缝焊接完成后都需进行探伤，探伤合格后继续焊接，若探伤结果出现气孔等缺陷，采用碳弧刨将缺陷部分去除，重新焊接至探伤结果合格。

图3 焊接部位打磨呈金属光泽

图4 法兰与牛腿堆焊图

多层多道焊时，由于后一道焊缝相当于是对前一道焊缝和热影响区进行加热，相似于正火作用，可改善组织、细化晶粒以及焊缝的塑性和韧性。在多层多道焊时，每焊完一道，要用风枪将焊缝表面的药皮清除，避免产生夹渣，同时减少焊接应力。

重要构件、合金钢及较厚部件的焊接，需要在焊前预热，预热温度通常在150～200℃。当刀盘焊接环境温度较高时，部分零部件焊接可不预热；当焊接环境温度较低时，必须在焊前预热。其中，重要零部件在较高环境温度下依然需要焊前预热，如刀盘法兰，预热能缓解焊后结构的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹；除此之外，预热还能降低焊接应力，避免产生焊接裂纹。值得注意的是，预热要保证预热温度在钢板厚度方向和焊缝区域的均匀性，更好地降低焊接应力，反之，不但不能减少焊接应力，反而增加焊接应力。

2.2 焊接参数及焊接注意事项

CO2气体保护焊焊接参数包括焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、气流量等。

2.2.1 焊丝直径

焊丝直径是根据焊件的厚度、施焊位置以及效率等要求进行选择的，通常采用φ0.8～φ1.6mm的焊丝，济南重工股份有限公司（以下简称“我公司”）刀盘焊接焊丝直径统一采用φ1.2mm的索力得焊丝，具体焊丝选择参考表1。

表1 CO2气体保护焊焊丝直径选取参考表

2.2.2 焊接电流

电流大小取决于送丝速度，速度越快所需焊接电流越大，短路过渡时焊接电流一般在50～230A内选择，粗滴过渡时焊接电流在250～500A内选择，具体焊接电流根据焊工师傅实际操作能力在该范围内选取。

2.2.3 电弧电压

电弧电压的大小决定了电弧的长短和熔滴的过渡形式，它对焊缝的形成、飞溅、焊接缺陷以及焊缝的力学性能有很大影响。短路过渡CO2气体保护焊焊接时焊接电流与电弧电压的最佳配合如表2所示。

表2 短路过渡CO2气体保护焊焊接时焊接电流与电弧电压的最佳配合表

2.2.4 注意事项

刀盘焊接时首先将六主梁与刀盘大圆环焊接完整，主梁焊接时要求六条主梁由六人同时焊接，减少焊接变形；后焊接牛腿与法兰，由于牛腿与法兰质量、体积较大，若先将其焊接在主梁上再进行主梁的焊接则会增加主梁的焊接难度，降低焊接精度，主梁焊后变形较大，影响刀具的安装和盾构机的使用性能。

3 焊后处理与结果分析

刀盘主梁与大圆环焊接时先点焊将其固定，再采用堆焊的方式将主梁与大圆环完全焊接，然后将此结构进行机加工处理。为确保结构焊缝无缺陷，在机加工前对结构进行探伤，确保结构无缺陷后，再对其进行振动时效处理，目的是降低结构的残余应力，防止结构变形或开裂，提高结构尺寸的精度，增强结构的抗变形能力和提高疲劳寿命。

为避免工件焊后开裂，堆焊完成后，对焊缝进行保温处理，减少焊缝整体快速冷却而造成的变形和收缩应力。尤其在冬季环境温度较低时，刀盘主梁与大圆环焊接完成后，要在焊缝处包覆保温棉（通常使用岩棉）保温。使焊缝缓慢冷却，降低裂纹出现的几率，从而达到焊接质量要求。

4 结语

本文以我公司自主研发的复合式土压平衡盾构机为例，描述了盾构机刀盘焊接前的准备工作、焊接参数和注意事项以及焊后处理工作，总结如下：（1）焊前对工件进行磨光、去污、预热，以保证焊缝质量，降低焊接应力；（2）堆焊时焊接与探伤结合进行，避免产生焊接缺陷；（3）刀盘主梁与大圆环采用先点焊固定再整体焊接的方式，焊后通过振动时效工艺减小结构残余应力的存在，并作保温处理，防止裂纹产生。