盾構機中厚板自動化焊接質量研究

張澤政

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100）

近來年，我國的盾構機制造行業(yè)高速發(fā)展，為了能夠順應時代的發(fā)展，而盾構機制造逐漸呈現(xiàn)安全化、環(huán)保化、舒適化，同時人們對于盾構機零件的質量以及制造水平也有了更高的要求。而在制造過程中，焊接工藝成為了具有典型代表性的工藝。在刀盤盾體的生產過程中，焊接是一種常用的關鍵工藝，也是一種特殊工藝，隨著生產線不斷向自動化智能化發(fā)展，焊接生產線也開始被自動智能所控制，焊接質量水平也在不斷提高。

1 盾構機中厚板手動焊接存在的質量問題

在機械設施生產過程中，采用手動焊接技術進行中板焊接會發(fā)生一系列的質量問題，會導致生產制作結果和預期結果不匹配而產生技術標準偏差，從而使機械設備焊接質量不理想，甚至會導致安全問題、應用周期縮短問題和影響設備正常運轉問題。在利用手動技術進行中厚板焊接過程中，常常發(fā)生技術應用設計與外部成型不匹配的情況，比如說會產生焊接裂縫，焊接裂縫與四周的焊接板會產生開裂現(xiàn)象，這些問題都是因為焊接過程中預熱工作處理不完善，無法保證焊接前的有效溫度。如果焊接前的預熱時間過長，會導致焊接接口鋼渣四溢的情況，而如果焊接溫度過低，預熱時間過短，則會產生焊接質量低下、焊接焊接強度不夠的情況。此外，如果在中厚板的手動焊接實踐中出現(xiàn)了大量的氣孔、夾渣、開裂現(xiàn)象，會影響機械設備的正常操作和運轉，那么手動焊接技術來說就會形成一種前功盡棄的局面，嚴重的還會影響設備的正常運轉，以及安全生產事故。因此在實際的設備操控進程處理中，一定要采用自動化焊接技術，保證焊接表面不會出現(xiàn)溜汗溜和開裂現(xiàn)象，保證焊接外觀的完整性，不出現(xiàn)夾渣、開裂和氣孔的現(xiàn)象。

2 盾構機中厚板的自動化焊接質量研究

2.1 試驗條件及方法

測試選擇盾構機使用的50 mm 厚度Q345D低合金鋼板材作為對接焊縫測試，板料規(guī)格為400 mm×125 mm×50 mm；在連接前先去除連接接頭表層的鐵銹、污垢、水分等污物，在連接前進行加熱處理直至100 ℃后采用全自動化MAG 連接測試，并且打底層連接采取深熔焊接方式，而補充頂蓋外面層則采取迅速脈沖方式完成連接；在測試過程中，選取了CLOOS QRC-E-350弧焊機器人以及可以完成深熔焊接的CLOOS 脈沖一元式MIG/MAG 焊接電源進行相應的試驗，選擇的填充材料的相關參數(shù)詳情為ER50-6焊絲（φ1.2 mm），防護氣體由兩部分組成，其中80%為Ar，另外20%為CO2，焊縫坡口形式如圖1所示；焊縫后24 h 內對焊縫開展超聲（UT）檢測，據(jù)觀察，焊縫質量分級并未違背NB/T47013.3I 級標準；利用超聲波探傷檢測，當確定其達到既定標準后，需要適時進行連接技藝測評試驗，主要內容包括3個部分，分別為拉長測試、扭曲測試以及撞擊試驗，其中每一部分測試情況如下：拉長測試、扭曲測試以及撞擊測試個數(shù)分別為2、4、6 個；在開展這三方面試驗時，其所需要遵循的標準以NB/T47014—2011《承壓裝置焊接工藝評價》的規(guī)范設計樣式為主要依據(jù)。

圖1 焊接坡口形式

2.2 焊接品質干擾原由

為了得到性能更優(yōu)異的焊縫接頭，必須通過比較各種焊縫工藝要求下的UT 探傷詳情，然后明確哪種參數(shù)更趨于合理化。結合調查情況分析，在擾亂焊接品質的諸多因素中，接頭縫隙的大小、鈍邊尺寸以及焊絲伸出的長度等產生的影響較大。

2.2.1 對接空隙

在深入分析接頭縫隙對焊接質量的干擾時，共計設計了4個試驗，在這4個試驗中，需要依次改變接頭縫隙的參數(shù)，將其分別設定為0 mm、1 mm、2 mm以及3 mm；結果認為在各焊接參數(shù)一致，并且不經過反向清根的前提下，當縫隙在2 mm 及以下時，則獲取到優(yōu)質的接頭的可能性就會越高，并且對接空隙參數(shù)值越小，所得到的深熔焊的成效也就越理想，究其原因，重點在于應用深熔焊時，穿透的強度比較突出，如果對接空隙參數(shù)值比較大，則在焊接過程中，融化的金屬可能會沿著縫隙流走，進而出現(xiàn)在坡口另一邊，如果積聚的金屬溶液過多，則會在背部坡口下方產生了中間的突出焊接，在背部采用打底焊縫時則極易產生未熔化的缺陷；不僅如此，由于自動焊裝配要求較高，縫隙越大就越發(fā)不受操控，所以，在實施自動深熔焊時，將裝配縫隙應該盡可能地限制在2mm 范圍內。

2.2.2 鈍邊

為了明確分析鈍邊尺寸對于焊接的質量影響，共計設計了4個試驗，在這4個試驗當中，將鈍邊尺寸視為自變量，將其長度參數(shù)值設定為1 mm、2 mm、3 mm 以及5 mm，然后進行實際試驗；統(tǒng)計整理試驗結果后發(fā)現(xiàn)，當焊縫參數(shù)值保持一致不變的前提下，且在不進行全面清根的背景下，當鈍邊長度在2～3 mm 時，焊縫連接質量達標的可能性十分高；如果鈍邊長度低于這一有效范圍，則在正向打底焊縫過程中，則比較容易在斜坡背面處產生十分突出的中間焊縫，并且在背部打底焊縫時，還會出現(xiàn)不熔融的異常問題；如果鈍邊長度超過這一有效范圍，則熔透成效會呈現(xiàn)出不理想的狀態(tài)，在這種情況下，要想得到全熔透焊縫接口十分困難，所以，為得到符合要求的全熔透焊縫接口，鈍邊大小最好控制在2～3 mm。

2.2.3 延伸長度

為了進一步提高焊縫效率，在不對坡口角度加以改變的狀態(tài)下，噴管口徑變大，在實施打底焊時，延伸長度也越大；由于焊絲的伸展寬度增加等的影響，進而會導致熔深過淺問題的發(fā)生。基于這一問題，在保障其他焊縫參數(shù)值不發(fā)生改變的前提下，依次采用了噴嘴11 mm 內徑（伸展長度15 mm）、13 mm（伸展長度18 mm）、16 mm（伸展長度為23 mm）及19 mm（延展長度27 mm）的噴嘴上通過了焊接測試，結果認為焊絲伸出在15～20 mm，更容易得到合格的全熔透焊縫；所以，在采用打底層焊時，應選用小噴頭（11 mm，13 mm 內徑）來調節(jié)焊絲伸出的長度。

在完善的工藝參數(shù)要求下得到的，正向第1道打底焊縫連接完畢后正反向焊接外觀形態(tài)，和連接工作全面結束后的焊接工作表面宏觀環(huán)境狀貌；在正向第1道打底焊縫連接完畢后，在正反向均生成了一致水平的連接，進行單面焊雙側成形；焊縫表面連續(xù)平順并帶有規(guī)范的魚鱗狀紋，且焊縫成型性好，深焊后的焊接接頭UT 探傷檢驗合格；表明在理想的工藝條件下，采用深熔焊接技術和自動連接技術，能夠消除反面清根工序，從而得到更有效的焊縫連接。

2.3 盾構機中厚板的自動化焊接質量分析

為了能夠深入分析深熔焊接工藝和自動連接工藝技術所焊厚板的可行情況，對新獲得的焊接試樣開展了力學性能檢測，從表1～表3可知，新焊接樣品的抗拉硬度為558 MPa，與母材的抗拉硬度相等；在彎心孔徑d=3a（a為試樣層厚），彎折夾角為180°條件開展彎折實驗，試樣表面無任意開口問題；在-20 ℃條件開展撞擊實驗，焊縫區(qū)平均值撞擊吸收能量為145 J，熱影響區(qū)平均值撞擊吸收能量為91 J，均大于31 J；拉伸、扭轉與撞擊特性均達到NB/T47014—2011《承壓設備焊接工藝評價》的規(guī)定。這樣，在焊接充分的前提下，借助深熔焊接以及自動化焊接技術可以促使焊接品質更為優(yōu)良，其力學性能可以達到既定要求。

表1 拉伸實驗結果

表2 彎曲試驗結果

表3 -20 ℃條件下沖擊實驗結果

3 中厚板自動化焊接的質量控制

3.1 坡口加工與裝配

在中厚板的自動化焊接過程中，要控制鉚樁尺寸的平均值，平均值相差數(shù)值不應該過大，必須貫徹執(zhí)行國家標準。在坡口制作和鉚裝過程中，必須符合行業(yè)的平均標準。

3.2 焊接材料篩選與焊劑配比

在焊接材料的篩選過程中和焊劑的配比過程中，要嚴格按照相關的標準來進行篩選和配比，其中必須要考慮被焊接器材的構架材質，同時也要考慮焊接電流的品類，要保證工藝性和外觀的兼顧，使焊接過程符合力學性能，保證焊接顆粒平均度，同時要兼顧烘干環(huán)境的優(yōu)化。

3.3 焊接過程中的檢查

中厚板的自動化焊接過程和薄板的焊接過程不同，因為它涉及到厚度材料的穿透問題，所以很容易在焊接壁上產生一系列的質量問題，例如夾渣、氣孔和開裂問題。一般中厚板的焊接過程需要花費幾個小時甚至十幾個小時才能完成，一個整體構件的完成需要一步一趨、一邊施工一邊檢查，這對于焊接過程的完整性和優(yōu)質性具有十分重要的作用。要在焊接過程中不斷發(fā)現(xiàn)不規(guī)范的問題，一旦發(fā)現(xiàn)不符合焊接目標的問題，應該及時停工進行整改。

3.4 焊接規(guī)范參數(shù)控制

在自動化焊接中空板的過程中，應當嚴格按照焊接規(guī)范參數(shù)控制進行。參數(shù)的規(guī)范性影響著熔池的作用時間、影響著熔池的攪拌作用機制，從而對氫氣孔的產生具有重要的影響。一般在采用自動埋弧焊接時，不會產生氮氣孔，這種技術是一種優(yōu)化后的中厚板焊接技術，需要在科學的參數(shù)設置之下。而一旦技術參數(shù)設置不規(guī)范，就容易在生產過程中產生氣孔。氣孔的類型包括貫穿性氣孔，氣孔的性質為氫氣孔。為了避免這種情況發(fā)生，要規(guī)范化技術應用特點，強化技術應用標準、設置標準化的參數(shù)。因為在中厚板焊接過程中，畢竟熔池的深度較深，氣體釋放的時間較長，所以容易發(fā)生氫氣孔的現(xiàn)象。在參數(shù)的設置中要使用大電流低電壓迅速焊接的中厚板連接技術，要提升熔池持續(xù)的時間。這有利于氣體的溢出。在參數(shù)設計的過程中，要適當調整焊接速度，防止影響焊接區(qū)金屬過熱焊縫的力學性能。在整個焊接過程中，具體參數(shù)設置如下：焊接電流控制在4%～5%，而焊接速度也相比手動的焊接技術增快2%，電弧電壓確保在日常的焊接電壓區(qū)間即可。

4 結束語

經過以上自動化中厚板焊接技術的實施要點，總結出以下技術實施規(guī)范：①在不采取反面清根處理的前提下，應該借助深熔焊和自動化焊接技術，使對接縫隙≤2 mm，鈍邊區(qū)間位于2～3 mm，實施打底焊接過程中利用小噴嘴方案，可以快速形成優(yōu)良的全熔透焊接頭；②通過焊接工藝的改善，能夠獲得優(yōu)良的焊接頭，焊接頭的性能變得優(yōu)質，能夠在延伸度、彎曲度和沖擊度等方面得到全面改善；③借助深熔焊與自動化焊接技術，可以完成批量加工，在變速箱等零部件加工領域，具有重要應用。