吳奇隆

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

盾構可廣泛應用于我國城市地下空間建設中，目前全國設備保有量近3 000臺[1-2]。刀盤作為盾構的關鍵部件，在盾構掘進過程中直接與土地、沙石、泥水接觸，還要承載來自掌子面的壓力，如果刀盤的耐磨性不足則會導致刀盤面板磨穿，因此，盾構刀盤既要有一定的強度，還要具有耐磨性能[3-4]。刀盤在使用過程中不斷磨損，目前主要通過堆焊技術對磨損的刀盤進行修復。對于大直徑盾構，刀盤需要分塊運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行焊接成型。刀盤材料的堆焊修復、成型質量對盾構施工十分重要[5]。

堆焊技術作為常用的盾構刀盤修復技術[6]，合適的堆焊工藝對于提高焊接結構件的穩(wěn)定性十分重要，其中預熱溫度和焊接變形量、焊接延遲裂紋密切相關[7-9]。趙龍志等[10]研究表明，對于鋼軌表面的耐磨涂層，在不同的預熱溫度條件下，焊接后的顯微硬度可相差約17%。朱愛華等[11]研究結果表明，對于Q460鋼，在不經過預熱時殘余應力為542.28 MPa，經過200 ℃預熱后，殘余應力為466.63 MPa，殘余應力下降了約15%。張群兵等[12]研究了預熱溫度對12Cr10Co3W2Mo焊接臨界斷裂應力的影響，認為在室溫時焊接臨界斷裂應力為185 MPa，預熱溫度為300 ℃時，臨界斷裂應力為591 MPa，經過預熱后焊接強度大幅提高。不同的焊接材料選取的預熱溫度存在很大的差別，預熱溫度一般根據(jù)材料的碳當量選取。

李建華等[13]通過有限元分析研究了帶壓進艙修復刀盤的焊接修復技術，提供了一種安全可靠的施工技術，通過焊接成功修復刀盤，但未研究焊接工藝對刀盤焊接質量的影響。孫善輝等[14]以12 m級氣墊泥水盾構為例，詳細介紹了帶壓進艙進行焊接作業(yè)的施工流程，但未說明預熱溫度的選取依據(jù)，且對焊后的焊接質量未進行檢測。王偉金等[15]對盾構刀盤開槽焊接技術進行研究，給出了刀盤材質和焊絲型號，總結出一套完整的施工技術。然而，這些盾構刀盤的堆焊修復都沒有給出具體的預熱溫度，忽略了預熱溫度對刀盤焊接性能的影響，對預熱溫度的選取缺少指導性意見。

盾構刀盤常用的材料為Q345，屬于低合金高強鋼，母材與堆焊層間易產生殘余應力、延遲裂紋。為提高焊接質量，確保刀盤結構和性能的穩(wěn)定，本文通過不同的預熱溫度，采用自保護藥芯焊絲在Q345R鋼材上進行堆焊，研究母材與堆焊層熔合區(qū)的組織和性能，得出最佳的預熱溫度，并用于指導刀盤實際焊接，取得了良好效果，試驗結果以期為盾構刀盤堆焊修復提供一定的指導。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

選用國內某隧道工程項目大直徑泥水盾構刀盤應用的Q345R材料作為堆焊母材，截取試驗母材尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，母材的主要化學成分如表1所示。

表1 Q345R化學成分

焊材采用ZD1996-O自保護藥芯焊絲，焊絲直徑為2.8 mm，焊絲的主要化學成分如表2所示。

表2 堆焊焊絲化學成分

1.2 試驗方法

焊接設備采用NB-SOON晶閘管氣體保護焊機，采用自制的夾具將焊機的焊槍固定，距離可調，采用Q345R材料進行堆焊，具體焊接工藝參數(shù)如表3所示。每道道寬為(15±1)mm，每道搭接量為道寬的一半，堆焊層寬度為80 mm；單層厚度為(3±0.5)mm，堆焊總厚度為15 mm。堆焊完成后緩慢冷卻至室溫。

表3 焊接工藝

在堆焊試樣中間部位截取金相試樣。金相試樣制備按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》。腐蝕劑為質量分數(shù)3 %的FeCl3溶液。對制得的金相試樣分別在德國 ZEISS HAL100型光學顯微鏡和JSM-7500F型掃描電鏡上進行組織觀察。

采用鉆孔法測試堆焊熔合區(qū)的殘余應力，測試設備為ZDL-Ⅱ型殘余應力鉆孔裝置、YC-Ⅲ型應力儀和殘余應力專用應變花。在測試位置粘貼應變花，在應變花中心鉆孔，鉆孔直徑為1.5 mm，深2 mm，根據(jù)式(1)計算測量位置殘余應力的最大主應力。

(1)

式中：σ1為最大主應力；E為彈性模量；ε1、ε2、ε3為殘余應力應變花0°、45°、90°方向釋放應變；A、B為標定常數(shù)。

沖擊試樣制備按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行，每組試樣完成沖擊試驗后，測量5次20 ℃條件下的沖擊吸收功，并求平均值。

采用HV-1000型顯微硬度計測定堆焊層顯微硬度，加載載荷為2.94 N，加載時間為10 s。

2 試驗結果及分析

2.1 預熱溫度對維焊組織的影響

不同預熱溫度堆焊的顯微組織如圖1所示。由圖可知，從母材到堆焊層分別為母材、粗晶區(qū)、熔合區(qū)類馬氏體帶、焊縫區(qū)，其中熔合區(qū)類馬氏體帶主要由馬氏體和殘余奧氏體組成[12]。預熱50 ℃后，母材粗晶區(qū)晶粒細小，粗晶區(qū)所占面積小，熔合區(qū)深褐色的類馬氏體帶最寬，焊縫區(qū)奧氏體內分布黃褐色馬氏體組織最多；預熱100 ℃后，母材粗晶區(qū)晶粒粗大，粗晶區(qū)所占面積小，熔合區(qū)類馬氏體帶最窄，深褐色組織較少，堆焊層焊縫區(qū)奧氏體晶區(qū)晶粒粗大；預熱150 ℃后，母材粗晶區(qū)晶粒粗大且分布均勻，粗晶區(qū)所占面積最大，熔合區(qū)類馬氏體帶寬度介于圖2(a)所示寬度和圖2(b)所示寬度之間，堆焊層焊縫區(qū)奧氏體晶粒粗大，呈大塊狀；預熱200 ℃后，粗晶區(qū)的晶粒變得粗大。預熱100 ℃后堆焊熔合區(qū)類馬氏體帶最窄，馬氏體含量最低，殘余奧氏體含量最高。馬氏體晶格畸變大，殘余應力高，組織中馬氏體含量越高，晶格畸變程度越大，金屬的硬度越高，殘余應力越高，金屬的沖擊韌性越差。殘余奧氏體具有良好的塑形和一定的韌性，金屬組織中殘余奧氏體含量越高，金屬的硬度和殘余應力往往越低，金屬的韌性一般越好。

不同預熱溫度的試樣合金元素過渡如圖2所示。由圖可知，不同預熱溫度的堆焊試樣母材與焊絲的主要合金元素過渡差異很大。母材中存在一定數(shù)量的晶格缺陷，晶格缺陷的數(shù)量是影響元素擴散的主要因素。預熱溫度為50 ℃時，熔合線附近的元素含量變化不明顯，而母材和焊絲的成分本身存在較大差異，表明母材與堆焊焊絲之間元素擴散量大；經過50 ℃預熱后，由于母材的預熱溫度低，不能消除母材中的晶格缺陷，在堆焊過程中，母材中存在的晶格缺陷會增大元素的擴散速率，母材與堆焊層焊絲之間的元素擴散速率大，導致母材與堆焊層之間的元素含量差異小。預熱溫度為100 ℃時，熔合線附近的合金元素含量變化最大，變化幅度明顯大于經過50 ℃和150 ℃預熱的堆焊試樣；經過100 ℃預熱后，母材中的合金元素擴散速度快，消除母材中的部分晶格缺陷，母材中的晶格缺陷含量降低。在堆焊時，晶格缺陷含量降低導致元素擴散速率降低，使母材與堆焊層之間的合金元素出現(xiàn)較大的差異。相比100 ℃預熱，經過150 ℃預熱后，焊接熱輸入量變大，導致母材與熔池之間的元素擴散速率變快，母材與堆焊層之間的元素含量差異變小。

(a) 50 ℃(200×) (b) 100 ℃(200×)

焊絲中主要合金元素Cr擴散到Q345R母材中，會使熔合線附近母材的碳當量增加，在堆焊冷卻過程中更容易生成馬氏體，因此，經過50 ℃和150 ℃預熱后，堆焊熔合區(qū)的類馬氏體帶較寬。馬氏體含量升高導致堆焊熔合線附近組織硬度升高，殘余應力增大。

2.2 預熱溫度對維焊性能的影響

影響金屬穩(wěn)定性的主要因素是殘余應力的最大主應力。沖擊吸收功反映了材料的沖擊韌性，同一種材料殘余應力越大，沖擊韌性越差。不同預熱溫度堆焊殘余應力和沖擊韌性如圖3所示。由圖可知，經過100 ℃預熱后，堆焊殘余應力最小，沖擊韌性最好，表明材料的穩(wěn)定性最高；經過50 ℃預熱后，焊接殘余應力最大，結合顯微組織分析可知，經過50 ℃預熱后，堆焊熔合區(qū)類馬氏體帶最寬，焊縫區(qū)存在大量板條狀馬氏體。馬氏體晶格畸變程度大，硬度高，殘余應力大，沖擊韌性低。經過100 ℃預熱后，殘余應力為327.8 MPa，沖擊吸收功為35.1 J；經過50 ℃預熱后，殘余應力為570.8 MPa，沖擊吸收功為32.9 J。殘余應力下降了42.6%，沖擊韌性提高了7%。經過100 ℃預熱后，堆焊熔合區(qū)類馬氏體帶最窄，殘余奧氏體含量最高，殘余奧氏體比馬氏體硬度低，具有一定的韌性，試樣殘余應力最低。經過100 ℃預熱后，堆焊熔合區(qū)的類馬氏體帶寬度介于50 ℃和150 ℃預熱后的寬度，堆焊試樣殘余應力介于50 ℃和150 ℃預熱后的殘余應力，但是沖擊韌性最小，推測可能是由于預熱溫度高，焊接熱輸入量大導致熔合區(qū)存在夾渣，造成沖擊韌性降低。殘余應力的測試結果、沖擊韌性的測試結果基本與組織分析結果一致。

(a) 50 ℃ (b) 100 ℃

圖3 不同預熱溫度堆焊熔合區(qū)殘余應力和沖擊韌性

不同預熱溫度堆焊試樣顯微硬度如圖4所示。由圖可知，不同預熱溫度下的堆焊試樣自母材向堆焊層顯微硬度的變化趨勢均是先增大后減小。預熱溫度為50 ℃時，試樣從母材到堆焊熔合區(qū)顯微硬度梯度變化最大，在距離熔合線0.3 mm處堆焊層顯微硬度達到最大值467.4 HV0.3；在距離熔合線2.25 mm處堆焊層顯微硬度大幅度下降。預熱溫度為100 ℃時，試樣從母材到堆焊熔合區(qū)顯微硬度梯度變化最小，在距離熔合線0.5 mm處堆焊層顯微硬度達到最大值270.2 HV0.3。預熱溫度為150 ℃時，試樣的顯微硬度在熔合線處達到最大值390.4 HV0.3。顯微硬度梯度變化大，表明金屬組織之間的差異大，在一定程度上，硬度梯度變化大的金屬材料組織過渡性差，材料穩(wěn)定性較差，更容易產生殘余應力。預熱溫度為100 ℃時顯微硬度最小，表明在熔合線附近生成的硬質相最少，殘余應力最低。

圖4 不同預熱溫度堆焊試樣顯微硬度梯度

3 現(xiàn)場實際應用情況

某項目盾構刀盤直徑為15 m，刀盤質量約535 t。刀盤分13塊，包括6塊主梁塊、6塊副梁塊和1塊中心塊。刀盤布置常壓滾刀83把、常規(guī)滾刀6把、常壓切刀52把和常規(guī)刮刀155把。刀盤結構如圖5所示。刀盤現(xiàn)場組焊布置示意圖如圖6所示。主體結構為箱體式，各分塊間先通過螺栓和定位銷連接，再焊接成一個整體。

圖5 刀盤結構

基于前期的理論和試驗研究，對刀盤進行焊接作業(yè)，焊接過程中控制預熱溫度為90～110 ℃。使用紅外測溫儀測量預熱溫度，對預熱溫度不滿足要求的重新預熱。具體焊接要求如下：

1)刀盤平面度。以中心塊大法蘭為基準調整中心塊水平，用水平儀測量平面度，保證在1 mm以內。組裝各邊塊時調整平面度，先以常壓滾刀刀筒安裝孔加工面及常壓切刀焊接座加工面為基準，測量調整平面度，保證平面度在3 mm以內；再以各帶壓刮刀刀具最高點為基準，測量調整平面度，保證平面度在5 mm以內。

2)刀盤半徑。組裝各邊塊時根據(jù)刀具設計的軌跡半徑調整，滾刀軌跡半徑在設計尺寸基礎上保證誤差在±5 mm以內。

3)復核刀具半徑及刀盤平面度。以刀具定位工裝底座中心孔為基準，吊線墜，復核所有刀具軌跡半徑；在刀盤外部架設水平儀，測量每把滾刀的高度，復核刀高平面度。刀盤滾刀半徑測量如圖7所示。

4)加焊筋板。焊接前先在待焊焊縫兩側加焊筋板支撐，以減少焊接變形。在每個主梁邊塊和中心塊對接口的四面各加2塊，每個主梁加8塊筋板，共48塊。

5)組對間隙。邊塊與中心塊對接焊縫，大圓環(huán)對接焊縫處組對間隙需保證在3 mm以內，大于3 mm時必須對坡口補焊以減小間隙；其余接頭處組對間隙需保證在4 mm以內，大于4 mm時必須對坡口補焊以減小間隙；補焊時不得將坡口連接。

圖6 刀盤現(xiàn)場組焊布置示意圖 (單位： mm)

圖7 刀盤滾刀半徑測量示意圖

6)焊接順序。先焊接邊塊與中心塊連接焊縫，再焊接副梁焊縫，最后焊接大圓環(huán)焊縫及其他焊縫。單個邊塊與中心塊連接的焊縫順序： 先焊接側板對接焊縫，再焊接前面板對接焊縫，最后焊接后面板對接焊縫。側板對接焊縫焊接順序： 先焊接刀盤內部立焊縫一半深度，清根后再焊接完成刀盤外部立焊縫，最后將刀盤內部立焊縫焊接完成。以上焊縫焊接時需由2名焊工分別在左、右兩側同時立向上焊接，焊接方向與焊接速度保持一致。每道焊縫都要從最下邊焊至最上邊后，才可進行下一道焊縫的焊接，禁止在同一位置多道排焊。焊縫寬度小于15 mm，預熱溫度為90～110 ℃。前面板對接焊縫焊接順序： 先焊接完成刀盤內部仰焊縫，清根后焊接刀盤外部平焊縫。每道焊縫都要從一端300～400 mm長的小段退焊至另一端后，才可進行下一道焊縫的焊接，禁止在同一位置多道排焊。仰焊縫寬度小于15 mm，平焊縫寬度小于10 mm且不得擺動，預熱溫度為90～110 ℃。后面板對接焊縫焊接順序： 先焊接刀盤內部平焊縫一半深度，清根后焊接完成刀盤外部仰焊縫，最后焊接完成刀盤內部平焊縫。每道焊縫都要從一端分300～400 mm長的小段退焊至另一端后，才可進行下一道焊縫的焊接，禁止在同一位置多道排焊。仰焊縫寬度小于 15 mm，平焊縫寬度小于10 mm且不得擺動，預熱溫度為90～110 ℃。

7)每層的各道焊縫應從坡口兩側向中間推進，不得從坡口一側向另一側推進。

刀盤現(xiàn)場實際焊接完成后，對分塊連接面處焊縫通過UT探傷進行無損檢測，探傷等級參照GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測超聲檢測技術、檢測等級和評定》、驗收等級按GB/T 29712—2013《焊縫無損檢測超聲檢測驗收等級》執(zhí)行。UT探傷報告顯示： 檢測技術等級B，合格級別2，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷顯示，一次合格率為100%。

在對切口環(huán)和封頂塊進行焊接時，由于焊接質量不合格，反復焊接了4次才通過驗收。切口環(huán)和封頂塊在進行焊接作業(yè)時空間狹小，焊接過程中監(jiān)管存在缺失，焊工未完全按照技術交底對焊接部位進行預熱，導致焊后變形量大，切割后重新焊接，重復焊接3次后外觀才符合標準。進行UT探傷，得出探傷檢測結論： 該盾體焊縫經UT檢測后，發(fā)現(xiàn)6處超標缺陷顯示，缺陷長度為8 260 mm，一次合格率為58.7%。返修處理時嚴格執(zhí)行焊接技術交底，對焊接部位預熱90～110 ℃后進行焊接，復檢合格。

4 結論與討論

1)不同預熱溫度的堆焊顯微組織分為焊縫區(qū)、熔合區(qū)、粗晶區(qū)。焊縫區(qū)主要由奧氏體組成，熔合區(qū)由類馬氏體帶組成，粗晶區(qū)由鐵素體和珠光體組成。類馬氏體帶主要由馬氏體和殘余奧氏體組成。經過50 ℃預熱后，堆焊熔合區(qū)類馬氏體帶最寬；經過100 ℃預熱后，堆焊熔合區(qū)類馬氏體帶最窄。

2)經過100 ℃預熱后，相較50 ℃預熱的堆焊試樣殘余應力下降了42.6%，沖擊韌性提高了7%；相較150 ℃預熱的堆焊試樣殘余應力下降了31.5%，沖擊韌性提高了32.9%。經過100 ℃預熱后，堆焊試樣熔合線附近的顯微硬度變化幅度最小，組織過渡好。

3)預熱溫度對刀盤堆焊修復存在很大影響，本試驗條件下綜合考慮刀盤材料堆焊組織和性能，Q345R低合金高強鋼堆焊的最佳預熱溫度為100 ℃。

4)由于實際堆焊過程中精確控制溫度為100 ℃存在一定難度，所以實際選擇預熱溫度為90～110 ℃。盾體切口環(huán)和封頂塊的材料為Q345B，與刀盤材料Q345R存在一定的差異，但主要合金元素含量相同，因此在實際應用過程中仍采用90～110 ℃預熱，取得了良好的效果。

本試驗僅選擇了3個預熱溫度，預熱溫度選取的點較少、溫度范圍較寬，結論不能反映隨著預熱溫度的升高堆焊組織性能的變化規(guī)律。另外，本試驗僅研究了預熱溫度對堆焊組織性能的影響，而層間溫度對堆焊組織性能的影響不容忽視，后續(xù)可對此做進一步研究。