盾构机焊接结构件制造和焊接变形的控制工艺研究

摘要：随着城市的发展，许多城市大力技有限公司推广地铁工程。盾构机的制造在国内已经大力推广。分析盾构机的焊接结构件产生变形的原因，和对盾构机焊接结构件变形的有力控制，在经过研究和分析以后，将提出预防措施来防止盾构机焊接件的各种类型的变形。有助于盾构机的制造过程中产品质量的提升。

关键词：盾构机;结构件;焊接变形;分析原因

盾构机制造中的焊接工艺，由于盾构机要求的标准、精度都很高。焊接的地位在盾构机中十分重要，而且它的价值意义也是十分巨大的，现实中由于焊接应力导致的焊接变形等，则导致每年近百万元修复费用，甚至报废的巨大损失。这也是在盾构机制造中不可避免却又不得不避免的一个重大问题，因此，研究并探讨出防止盾构机焊接结构件变形的预防措施具有很重要的价值和意义。

一、焊接结构件变形分类

盾构机分为刀盘、前盾、中盾、尾盾、管片安装机、后配套车桥等部分组成。盾构机在焊接结构件变形的原因有很多，其中主要因素有：母材的材质、填充材料的选用、焊接方法不娴熟或者方法不正确、焊接参数过大、焊接顺序不正确、还有冷却时间及焊接过程中是否有约束等问题导致的焊接结构件变形等原因。但是这些原因归根结底是由于焊接残余应力造成的，而焊接结构变形又可以分为以下几类：收缩变形—其包括垂直于焊缝方向引起的横向收缩和焊缝方向引起的纵向收缩，弯曲变形—这个包括由于横向收缩引起的弯曲变形和由于纵向收缩引起的弯曲变形，扭曲变形—构件绕自身轴线的扭曲，波浪边形——波浪变形时由于薄板焊接产生残余压缩应力使得构件出现因为压缩而形成的。

二、盾构焊接结构件变形的预防措施和矫正手段

（一）完善和改进焊接的结构是其中一方面

想要控制和预防焊接结构件的变形，首当其冲就得在设计方面下功夫，前提设计好合理的结构，只有把设计做好了，才能为下面的步骤打好基础。做好设计的具体措施有：选择合理的焊缝形式和大小合适的尺寸，例如图1（盾构前盾内环与把合板的坡口修改前后对比），若是遇到不必要的焊缝要尽量减少，可以避免焊缝太集中，也就是必须合理安排焊缝的位置。

（二）刚性固定法的使用盾构中盾的刚性支撑

一般说来，刚性大的结构件经过焊接后发生变形的可能都会比较小，而刚性比较小的结构件经过焊接后可能会产生大的变形，那么对待这种容易变形的结构件就得采用专用的夹具、支撑点固在工件上来提高它的刚性，以此来减小变形情况的发生，这种方法在实践中比防止角变形和波浪变形更加有效，但必须指出的是，工人在工件焊接后，需等工件焊接并热处理后，才能将支撑撤掉，否则就容易出现事故。再则一方面，拿掉刚性固定前一定得采用锤击敲打的方式来消除部分应力，减小变形。

（三）收缩变形余量的预留

根据焊接收缩经验及理论，得出计算值（箱形梁四周施焊收缩量2mm/m，其他结构依此类推）和经验值，收缩余量是在工件下料及加工时预先考虑的问题，这是为了便于达到焊接工件所要求的形状、尺寸等，在焊缝收缩的方向上预先留出收缩量，保证焊接后的构件满足要求的尺寸。

应值得一提的是，如果焊缝的形状在实际生产中达不到规则形状，预留的焊接收缩量就不能用平常的理论公式来计算，而是需要通过多个实际产品的焊接试验来确定焊接的收缩量。

（四）反变形法的使用

理论计算值和经验可以预先估计出结构焊件变形的大小和方向，以保证在焊接装配时能给予一个方向相反大小也相等的人为的变形，焊接的不对称会导致收缩变成角变形，那么就可以在装配时加上一个与变形相反的角度，这样就使得焊接后的变形与反变形相互抵消，那么工件也就满足要求的尺寸。

（五）焊接方法必须合理

合理的焊接方法在机械制作中是极其重要的，焊接采用的方法不同，产生的线能量也会有不同，如果选用线能量比较低的焊接方法的话，变形就可以得到有效的控制，还能减小焊接塑性压缩区，而目前主要采用三种焊接方法焊接盾构：埋弧自动焊、二氧化碳气体保护焊、手工电焊弧、目前这三种是比较常见的焊接方法，正确的焊接顺序，这些焊接方法都可以降低焊接变形量。

（六）焊前预热及焊接后消应力的热处理

焊接预热使得焊缝周围的母材温度升高会降低焊缝金属与周围母材的温差，如此一来，降低焊接收缩内应力将会减少焊接的变形程度，焊缝区温度的不均匀将难免造成很高的内应力，而这样的焊接内应力又会使得焊件在加工过程中产生变形，若通过适当的预热，就可以减少焊件变形事故的发生。另外焊后热处理也能产生一定的变形。

三、如何矫正焊接变形

焊件变形不仅对于工作人员有很大影响，而且对整个工作的进行都会产生不利的反应，而若能将变形矫正过来，将会使得工作得以顺利地进行，矫正焊接变形的方法主要有2种——机械矫正和火焰加热矫正，他们实质上都是使得焊接结构件产生新的变形来抵消焊接变形。

（一）机械矫正方法

给盾构机梁型构件，施加来自外部的机械力，使得构件产生与原来的焊接变形的方向相反的塑性变形，以便于能够抵消焊接变形，这样的方法叫做机械矫正。而来自外部机械力的施加则可以通過锤击、压力机及碾压等方法来实现，但这种方法只适合刚性较小且不太厚的板结构。

铆工在使用机械矫正的过程中一定要注意采用油压机进行，因为这种校直方法生产效率较高，但是工作人员必须具有丰富的工作经验，否则就容易导致将构建表面弄出压痕或焊缝区域出现裂纹等。

（二）火焰加热的矫正方法

利用火焰加热时产生的局部压缩塑性变形使得构件较长的部分在冷却过后缩短以抵消变形，这种方法叫火焰加热矫正，铆工在进行火焰加热过程中，也可以同时施加机械力，这样可以有效地提高矫正效果，构件的结构特点和焊接变形的实际情况决定了是选择点状加热、线状加热还是三角形加热等方式。

铆工在操作过程中，应当严格控制火焰的温度，温度较低或较高都无法适度地进行调配和控制，温度较低无法调整尺寸，温度过高又会造成加热区域硬度降低从而导致整体强度下降，因此操作的铆工必须具有丰富的经验，但是与机械矫正相比，火焰加热矫正的效率较低但适用范围较广。

四、结束语

关于对盾构机制造中焊接变形的研究，主要对大型的焊接结构件的制造，如：轧钢类的大型结构件，矿山冶金的筒体类结构件等的制造具有十分重要的意义和价值。根据理论结合实践的指导方法，把理论计算结合到实际产品的实验分析结果，由此再来制定出相应的工艺措施，这样即能保证质量问题，还能对提高生产效率和降低生产成本产生较大的作用。

参考文献：

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[2]贾瑞燕.基于焊接的火车钩舌再制造修复应力变形研究[D];哈尔滨工业大学.2011.

[3]罗满香.焊接变形工艺校正方法的研究[J].科技创新导报，2010（10）.

作者简介：

罗晓明，男，汉族，辽宁沈阳人，本科，助理工程师，从事建筑工程技术工作。