TBM機頭架焊接技術研究及運用

魯 炎，袁曉亮

（無錫中鐵城軌裝備有限公司，江蘇 無錫 214000）

隨著我國基礎工程建設的大量投入及科技研發、裝備制造水平的飛速發展，TBM 全斷面硬巖掘進機[1]隧道施工技術在礦山、水利工程、交通、煤礦、市政等隧道工程中的應用也在不斷增加。TBM 主結構由刀盤、機頭架、護盾、主大梁、鞍架、撐靴、后支撐等系統部件組成，機頭架作為TBM 的核心系統傳動部件，為刀盤旋轉切割破巖提供扭矩。機頭架結構組成復雜、接頭焊接要求高，因此對機頭架焊接技術控制顯得尤為重要。李榮鑫等[2]對TBM 機頭架T 形接頭焊接溫度場數值模擬進行了分析；覃壽同等[3]基于ANSYS Workbench 的TBM 機頭架有限元進行了分析；秋新任[4]對厚板焊接技術進行了研究；劉弘金等[5]對Z向性能厚板焊接技術進行了研究。

以上研究為厚板及T 形接頭焊接技術提供了理論依據，但上述研究內容僅在單一厚板及T 形接頭焊接施工問題上進行分析，未能就機頭架整個焊接施工項目進行全面的分析總結，尤其是對TBM 機頭架焊接技術研究及運用方面尚缺少研究。本文旨在依托馬來西亞東海岸鐵路項目用敞開式TBM，對TBM 機頭架焊接技術研究及運用進行總結，為類似TBM 機頭架焊接工藝的制定提供技術參考。

1 工程概況

本文依托的工程為馬來西亞東海岸鐵路項目用開挖直徑8.9m 敞開式TBM 硬巖掘進機，機頭架尺寸達6.5×6.2×2.1m,總重約89t。如圖1所示，機頭架鋼板材質為Q345D，結構多為厚板組成主要表現為底部法蘭板厚130mm、中部法蘭板厚120mm、上部法蘭板厚175mm、最厚圈板厚度達80mm；機頭架結構復雜主要布置由3 層法蘭板、外側3 層圈板、內側3 層圈板、諸多筋板、小齒輪軸承固定板、頂護盾油缸座、側護盾縮回油缸座、半月搖塊座、等組成；封閉狹小空間多主要表現為圓周方向布置有3 層共15 個電機孔、4 個人孔、底部1 個卸油檢修孔。

圖1 機頭架結構外形圖

2 機頭架焊接重難點分析

2.1 機頭架厚板焊接及層狀撕裂控制

機頭架結構多為厚板與厚板間焊接，板厚最厚達175mm，焊縫拘束應力大，對厚板焊縫質量控制及焊接尺寸變形控制要求高，因此確保厚板焊接質量是工程的重點和難點。

機頭架結構布置結合厚板形式，焊接拘束應力大難以釋放對焊縫接頭存在大的拉伸應力，因而容易產生層狀撕裂問題，層狀撕裂的產生將會對部件機械性能極大的減弱，降低了機頭架的疲勞強度、使用壽命及安全系數。

機頭架焊接接頭多處設計為角接和T 形形式，且結合構件焊接量大、主焊縫全熔透要求、焊接應力拘束性強等特點。機頭架接頭焊接熱影響區極易因焊接參數控制不當而產生層狀撕裂現象，因此控制焊接參數及優化焊接接頭是工程的重點和難點。

2.2 機頭架焊接工序轉換

機頭架結構件厚板多、結構復雜、封閉狹小空間多，帶來的焊接加工工序轉換復雜。涉及制作前布置、法蘭板安裝焊接、翻身安裝焊接、整體焊接等諸多工序進行，因此如何科學布置焊接加工工序確保機頭架焊接質量是工程的重點和難點。

3 機頭架焊接技術研究與運用

TBM 在硬巖掘進過程中因圍巖密度高、巖石硬度大、圍巖擾動、推力及振動大等因素，所受工況惡劣且在封閉區間內連續施工貫通等工程技術要求；機頭架作為敞開式TBM 核心驅動部件，具有科技含量高、設計制造工藝復雜、產品附加值高等特點，機頭架焊接技術代表著現有全斷面硬巖隧道掘進機制造領域的高技術水平攻克以及主要研究的發展方向。因此，研究TBM 機頭架焊接技術具有重要理論及實際應用意義。

3.1 機頭架厚板焊接技術

3.1.1 機頭架厚板焊接前控制

機頭架厚板對接破口在焊接前需采用銑邊機加工或火焰切割對其進行加工[6]，滿足焊縫對接破口尺寸精度；結合磨光機對破口兩側的氧化皮打磨去除，通過清洗劑對破口鐵銹油污去除干凈，可有效解決焊縫出現夾雜、焊縫淬硬開裂現象。

為保證機頭架在焊接過程中尺寸控制，須布置工裝卡板措施，控制其焊接變形；采用引弧板、熄弧板焊接過渡的方式，能有效避免應起弧及熄弧過程對焊縫產生夾雜、未熔合、晶粒粗大、裂紋等焊接缺陷。

機頭架焊接前在焊接區域的背面放置電加熱帶將焊縫坡口兩側進行預熱至100～150℃，寬度應為焊件施焊處板厚的1.5 倍以上，且不小于200mm，正面采用保溫棉包裹。配合測溫槍在焊接件受熱面的背面測量，測量點應在離電弧經過前的焊接點不小于75mm 各個方向處。能有效改善焊接過程中溫度場的變化，從而降低焊接冷裂紋及厚板拉應力；有助于焊接區域擴散氫的逸出，有效避免氫脆現象；有助于調節焊接熱輸入，從而改善接頭的組織性能。

3.1.2 機頭架厚板焊接過程控制

機頭架厚板焊接采用E71T-1C（AWS A5.20）低氫藥芯焊絲[7]，直徑?1.2mm，CO2氣體保護焊接方式進行，根據焊接順序按打底焊、填充焊、蓋面焊分步進行，能有效地降低焊接應力及焊接變形，提高焊接應力平衡分布；焊接過程中打底焊縫厚度須高于5mm，以點固焊縫長100mm、間隔200mm 布置，確保有足夠的焊接強度。

為滿足焊縫100%UT+MT 檢測合格，采用碳弧氣刨的方式對焊縫進行反面清根，氣刨后的坡口根部須呈圓弧狀并且氧化皮應去除干凈，確保焊縫全熔透要求。

焊接采用多層多道焊[8]，單道焊焊接采用間斷焊法，單道焊縫厚度不超過5mm，焊縫寬度不超過15mm，能有效減少焊接應力提高焊縫疲勞強度；焊接過程中控制層間溫度略高于預熱溫度，能有效平衡焊接溫度場，減少焊接熱應力浮動對構件尺寸影響；中斷焊接的，需要將焊縫部位加熱到預熱溫度；焊接過程中采用小電流快速焊，下一層焊道的接頭與前一層焊道接頭錯開30～50mm，避免焊接接頭集中引起缺陷。

焊接宜采用多層多道分段施焊，長焊縫采用分段施焊，環焊縫采用分段對稱式施焊便于控制焊接變形。施焊過程中，每焊完一層，采用磨光機打磨清理焊縫確保沒有缺陷產生，發現裂紋應通過打磨或者氣刨去除后再進行焊接，能夠有效地對于焊接過程中產生的缺陷進行早發生早處理，避免因施工完成后集中處理的困難。

為確保環境條件滿足機頭架焊接要求，應通過有效隔擋的方式降低焊接區域風速；應降低環境相對濕度不大于90%；應提高環境溫度不低于5℃。

3.1.3 機頭架厚板焊后處理

為防止機頭架厚板焊接過程中擴散氫的積累對焊縫的影響，焊接完成后需要電加熱帶加熱到300～400℃并保溫2～6h 以上，并采用保溫棉覆蓋緩冷的方式，能有效地加速焊接區域擴散氫的逸出，避免出現氫致延遲斷裂。

3.2 機頭架焊接層狀撕裂控制措施

根據對焊接層狀撕裂出現的原因及產生機理進行有效分析：當厚板結構焊接時，焊縫熱影響區處于平面應變狀態下受力，在強拘束應力的條件作用下，焊縫收縮時會在母材厚度方向產生很大的拉伸應力和位移應變，當平面應變超過母材臨界應力場強度應子門檻值（即斷裂韌性），夾雜物與金屬基體就會發生分離而萌生微裂紋，在平面應力的繼續作用下，裂紋尖端沿鋼板軋層方向繼續擴展，在熱影響區或附近區域，產生“臺階”式層狀開裂現象。形成以下針對性預防措施。

1）選材措施 選用具有抗層狀撕裂的鋼材（Z向探傷板），降低鋼中夾雜物的含量和控制夾雜物的形態，來提高鋼板厚度方向塑性韌性，減少拉應力對鋼板層狀方向撕裂的傾向。選用低氫焊材及低強組配焊接材料，減少熔覆金屬中的氫含量，降低氫致斷裂的出現，從而減少裂紋萌生到失穩擴展的傾向。

2）焊接接頭設計優化措施 在接頭設計上主要是減少Z向拉應力和焊接應力集中現象，具體措施如下：①改善機頭架焊接接頭，應盡量避免單面焊縫，改為雙面焊縫[9]，能緩和焊縫根部的應力狀態，從而減少應力集中；②在保證機頭架設計強度滿足產品工況的情況下，采用焊接量少的對稱角焊縫來代替焊接量大的全熔透焊縫，以避免產生過大焊接熱應力和組織應力對鋼板層向拉伸；③改變焊接接頭方向，應在承受Z向應力的一側開制破口，改變應力分布，從而減少Z向拉伸應力。

3）焊接工藝控制措施 ①厚板板材下料完成后應打磨清理干凈焊接接頭位置處火焰切割表面過燒組織，消除過燒魏氏體組織產生裂紋萌生的風險；②對于T 形接頭，可在橫板上預先堆焊一層低強度的熔覆金屬以形成塑性過渡層，以防止焊根出現裂紋，同時緩和橫板的Z向應力,如圖2 所示；③當采用CO2氣體保護焊對厚板進行焊接時，可適當地提高預熱溫度，防止冷裂引起的層狀撕裂；④當板厚≥80mm 時，對于角接焊縫可留一定的加工余量，焊接完成后用機械加工方法去除，如圖3 所示；⑤交叉焊縫根據焊角尺寸預留過焊孔，圓角根部進行包角焊處理，結構線性尺寸避免直角開口，應根據板厚尺寸進行圓弧過渡，以上能有效地避免交叉焊縫根部應力集中，改善開孔位置焊接應力分布；⑥對于大尺寸熔透焊，可采用窄焊道焊接技術，并選擇合理的焊接次序，以控制收縮變形，焊接過程中應采用錘擊法/風束針槍法來減少殘余應力；⑦采用合理的焊接順序和方向：先焊收縮量較大的焊縫，使焊縫能較自由的收縮；先焊錯開的短焊縫，后焊直通長焊縫；先焊工作時受力較大的焊縫，使內應力合理分布；采取反變形降低局部結構剛性；⑧幾類容易產生層狀撕裂接頭的形式如下圖4 所示，對于易發生層狀撕裂的節點（大焊縫厚板角接位置，板兩側都有焊接接頭位置）焊接前用瑪板加強防止層狀撕裂，焊接量達到1/2～2/3時，在易發生層狀撕裂板的一側，將表面打磨干凈后進行MT 探傷，探傷合格后繼續施焊；⑨焊接過程中控制層間溫度，焊接完成后立即進行后熱處理，減少熔覆焊縫中的擴散氫。一次探傷及尺寸檢測合格后立即進行去應力退火處理，消除焊接應力及焊縫接頭擴散氫。

圖2 T形接頭熔覆塑性過渡層

圖3 角接接頭預留加工余量

圖4 常見容易出現層狀撕裂接頭

3.3 機頭架焊接工序設計技術

3.3.1 機頭架制作前布置

機頭架結構件外形尺寸達6.5×6.2×2.1m,總重約89t，須在至少8m×8m 的剛性平臺上進行施工，滿足其制作、焊接、翻身工序要求。施工場地應平整及地樣線繪制應清晰，確保機頭架制作時各板件安裝關鍵尺寸控制及測量。

如圖5 所示，應通過布置水平胎架、臨時支撐等有效組合方式，確保機頭架底部法蘭板、中部法蘭板、上部法蘭板、小齒輪軸承固定板安裝位置度尺寸有效控制；通過布置工藝吊耳對機頭架翻身焊接的方式，將不易施焊的仰焊縫通過平焊的方式實現，有利于焊接質量的控制，并能有效釋放焊接應力。

圖5 機頭架安裝制作示意圖

3.3.2 機頭架法蘭板安裝焊接

底部法蘭板中心作為基準定位安裝各板件，如圖6(a)所示，通過依次安裝內圈板、各筋板，到安裝上下豎直板、安裝內側縱向橫向板、外圈板，各板件間圓周尺寸鏈及平面高度得以保證，并能確保中部法蘭板安裝后平面度要求。

中部法蘭板安裝時，應通過水平儀和垂線引入的方式，確保中部法蘭板與底部法蘭板各電機孔位同心度要求。如圖6(b)所示，底部和中層法蘭安裝后，形成剛性箱體形式，并進行雙人數打底施焊，在等效焊接應力的狀態下，確保構件尺寸的有效控制。

如圖6(c)所示，上部法蘭板為主軸承安裝面，承受主軸承的扭矩及三向應力，因此通過底部和中部法蘭板尺寸鏈的安裝銜接轉換，能有效確保其安裝面的尺寸。

圖6 機頭架法蘭板安裝焊接示意圖

焊接過程通過先焊立焊縫、后焊橫焊縫、多道多層分段焊、由內而外進行焊接的方式，能有效減少應力集中現象，確保焊接過程中底、中、上部法蘭板整體尺寸有效控制。

3.3.3 機頭架翻身安裝焊接

如圖7 所示，通過對機頭架翻身后的姿態進行焊接，將不易施焊的仰焊縫通過平焊的方式實現，有利于焊接質量控制。進行多次數翻身部件，填充焊接及蓋面焊接也平均分配至翻身前后狀態下。能有效地釋放焊接應力提高構件尺寸控制，減少焊接過程中焊接應力集中現象，避免局部焊接拘束拉應力引起厚板撕裂現象。

圖7 機頭架翻身安裝焊接示意圖

通過翻身后十字線劃刻、引垂線的方式安裝15 處減速機小齒輪軸承固定板，保證了底部、中部法蘭板15 處電機孔的同軸度及安裝位置度。

3.3.4 機頭架其余部件安裝及整體焊接

如圖8 所示，采用底部法蘭板為基準安裝外側油缸座，采用中部法蘭板為水平基準安裝內圈板，采用上部法蘭板為水平基準安裝外圈板，通過以上尺寸鏈的有效傳遞定位安裝，實現了各零部件關鍵尺寸間位置度精度，確保了機頭架焊接安裝過程中對于尺寸的有效把控。

圖8 機頭架整體焊接示意圖

機頭架采用整體焊接的方式進行施工，通過在圈板圓周分度方向安裝工藝筋板、在內外圈板內部安裝工藝米字撐，確保剛性較差位置焊接變形的有效控制。

機頭架整體焊接通過先打底焊后整體施焊，先焊立焊縫、后焊橫焊縫，由內而外進行焊接，環焊縫采用分段對稱式施焊，多層多道焊接等方式進行焊接施工。為減少焊接過程中焊接應力引起的焊接變形，通過風束針槍法及多次翻身過程中填充蓋面焊平均分配施工的方式能有效地釋放焊接應力。

4 結語

本文首先介紹了馬來西亞東海岸鐵路項目用TBM 機頭架結構設計布置概況；然后對TBM 機頭架的厚板焊接及層狀撕裂控制難點進行了分析研究、對機頭架焊接工序轉換難點進行分析研究并提出TBM 機頭架焊接技術應著重考慮的方向；最后對機頭架的厚板焊接技術、層狀撕裂控制措施、焊接工序設計等方面的焊接技術研究與運用進行了總結。本文對TBM 機頭架厚板焊接、層狀撕裂、焊接工序轉換重難點分析與TBM 焊接技術研究與運用可為類似TBM 機頭架焊接工藝的制定提供技術參考。