盾構(gòu)機焊接結(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)機的制造在國內(nèi)已經(jīng)大力推廣。分析盾構(gòu)機的焊接結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生變形的原因，和對盾構(gòu)機焊接結(jié)構(gòu)件變形的有力控制，在經(jīng)過研究和分析以后，將提出預(yù)防措施來防止盾構(gòu)機焊接件的各種類型的變形。有助于盾構(gòu)機的制造過程中產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

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

盾構(gòu)機制造中的焊接工藝，由于盾構(gòu)機要求的標準、精度都很高。焊接的地位在盾構(gòu)機中十分重要，而且它的價值意義也是十分巨大的，現(xiàn)實中由于焊接應(yīng)力導(dǎo)致的焊接變形等，則導(dǎo)致每年近百萬元修復(fù)費用，甚至報廢的巨大損失。這也是在盾構(gòu)機制造中不可避免卻又不得不避免的一個重大問題，因此，研究并探討出防止盾構(gòu)機焊接結(jié)構(gòu)件變形的預(yù)防措施具有很重要的價值和意義。

一、焊接結(jié)構(gòu)件變形分類

盾構(gòu)機分為刀盤、前盾、中盾、尾盾、管片安裝機、后配套車橋等部分組成。盾構(gòu)機在焊接結(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)過大、焊接順序不正確、還有冷卻時間及焊接過程中是否有約束等問題導(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：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)因為壓縮而形成的。

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)計方面下功夫，前提設(shè)計好合理的結(jié)構(gòu)，只有把設(shè)計做好了，才能為下面的步驟打好基礎(chǔ)。做好設(shè)計的具體措施有：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

一般說來，剛性大的結(jié)構(gòu)件經(jīng)過焊接后發(fā)生變形的可能都會比較小，而剛性比較小的結(jié)構(gòu)件經(jīng)過焊接后可能會產(chǎn)生大的變形，那么對待這種容易變形的結(jié)構(gòu)件就得采用專用的夾具、支撐點固在工件上來提高它的剛性，以此來減小變形情況的發(fā)生，這種方法在實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)驗及理論，得出計算值（箱形梁四周施焊收縮量2mm/m，其他結(jié)構(gòu)依此類推）和經(jīng)驗值，收縮余量是在工件下料及加工時預(yù)先考慮的問題，這是為了便于達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際生產(chǎn)中達不到規(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計算，而是需要通過多個實際產(chǎn)品的焊接試驗來確定焊接的收縮量。

（四）反變形法的使用

理論計算值和經(jīng)驗可以預(yù)先估計出結(jié)構(gòu)焊件變形的大小和方向，以保證在焊接裝配時能給予一個方向相反大小也相等的人為的變形，焊接的不對稱會導(dǎo)致收縮變成角變形，那么就可以在裝配時加上一個與變形相反的角度，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)：埋弧自動焊、二氧化碳氣體保護焊、手工電焊弧、目前這三種是比較常見的焊接方法，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)熱使得焊縫周圍的母材溫度升高會降低焊縫金屬與周圍母材的溫差，如此一來，降低焊接收縮內(nèi)應(yīng)力將會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)力又會使得焊件在加工過程中產(chǎn)生變形，若通過適當(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

焊件變形不僅對于工作人員有很大影響，而且對整個工作的進行都會產(chǎn)生不利的反應(yīng)，而若能將變形矯正過來，將會使得工作得以順利地進行，矯正焊接變形的方法主要有2種——機械矯正和火焰加熱矯正，他們實質(zhì)上都是使得焊接結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生新的變形來抵消焊接變形。

（一）機械矯正方法

給盾構(gòu)機梁型構(gòu)件，施加來自外部的機械力，使得構(gòu)件產(chǎn)生與原來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，這樣的方法叫做機械矯正。而來自外部機械力的施加則可以通過錘擊、壓力機及碾壓等方法來實現(xiàn)，但這種方法只適合剛性較小且不太厚的板結(jié)構(gòu)。

鉚工在使用機械矯正的過程中一定要注意采用油壓機進行，因為這種校直方法生產(chǎn)效率較高，但是工作人員必須具有豐富的工作經(jīng)驗，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

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

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

四、結(jié)束語

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

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作者簡介：

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