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(gòu)機制造行業(yè)高速發(fā)展，為了能夠順應(yīng)時代的發(fā)展，而盾構(gòu)機制造逐漸呈現(xiàn)安全化、環(huán)?；⑹孢m化，同時人們對于盾構(gòu)機零件的質(zhì)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(chǎn)過程中，焊接是一種常用的關(guān)鍵工藝，也是一種特殊工藝，隨著生產(chǎn)線不斷向自動化智能化發(fā)展，焊接生產(chǎn)線也開始被自動智能所控制，焊接質(zhì)量水平也在不斷提高。

1 盾構(gòu)機中厚板手動焊接存在的質(zhì)量問題

在機械設(shè)施生產(chǎn)過程中，采用手動焊接技術(shù)進(jìn)行中板焊接會發(fā)生一系列的質(zhì)量問題，會導(dǎo)致生產(chǎn)制作結(jié)果和預(yù)期結(jié)果不匹配而產(chǎn)生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差，從而使機械設(shè)備焊接質(zhì)量不理想，甚至?xí)?dǎo)致安全問題、應(yīng)用周期縮短問題和影響設(shè)備正常運轉(zhuǎn)問題。在利用手動技術(shù)進(jìn)行中厚板焊接過程中，常常發(fā)生技術(shù)應(yīng)用設(shè)計與外部成型不匹配的情況，比如說會產(chǎn)生焊接裂縫，焊接裂縫與四周的焊接板會產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，這些問題都是因為焊接過程中預(yù)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(yù)熱時間過長，會導(dǎo)致焊接接口鋼渣四溢的情況，而如果焊接溫度過低，預(yù)熱時間過短，則會產(chǎn)生焊接質(zhì)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(shè)備的正常操作和運轉(zhuǎn)，那么手動焊接技術(shù)來說就會形成一種前功盡棄的局面，嚴(yán)重的還會影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，以及安全生產(chǎn)事故。因此在實際的設(shè)備操控進(jìn)程處理中，一定要采用自動化焊接技術(shù)，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(gòu)機中厚板的自動化焊接質(zhì)量研究

2.1 試驗條件及方法

測試選擇盾構(gòu)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(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的試驗，選擇的填充材料的相關(guān)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(nèi)對焊縫開展超聲（UT）檢測，據(jù)觀察，焊縫質(zhì)量分級并未違背NB/T47013.3I 級標(biāo)準(zhǔn)；利用超聲波探傷檢測，當(dāng)確定其達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)后，需要適時進(jìn)行連接技藝測評試驗，主要內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)以NB/T47014—2011《承壓裝置焊接工藝評價》的規(guī)范設(shè)計樣式為主要依據(jù)。

圖1 焊接坡口形式

2.2 焊接品質(zhì)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(jié)合調(diào)查情況分析，在擾亂焊接品質(zhì)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(chǎn)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(zhì)量的干擾時，共計設(shè)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(shè)定為0 mm、1 mm、2 mm以及3 mm；結(jié)果認(rèn)為在各焊接參數(shù)一致，并且不經(jīng)過反向清根的前提下，當(dāng)縫隙在2 mm 及以下時，則獲取到優(yōu)質(zhì)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(yīng)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(jìn)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(chǎn)生了中間的突出焊接，在背部采用打底焊縫時則極易產(chǎn)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(yīng)該盡可能地限制在2mm 范圍內(nèi)。

2.2.2 鈍邊

為了明確分析鈍邊尺寸對于焊接的質(zhì)量影響，共計設(shè)計了4個試驗，在這4個試驗當(dāng)中，將鈍邊尺寸視為自變量，將其長度參數(shù)值設(shè)定為1 mm、2 mm、3 mm 以及5 mm，然后進(jìn)行實際試驗；統(tǒng)計整理試驗結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊縫參數(shù)值保持一致不變的前提下，且在不進(jìn)行全面清根的背景下，當(dāng)鈍邊長度在2～3 mm 時，焊縫連接質(zhì)量達(dá)標(biāo)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(chǎn)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(jìn)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(jìn)而會導(dǎo)致熔深過淺問題的發(fā)生?；谶@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(nèi)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(jié)果認(rèn)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(yīng)選用小噴頭（11 mm，13 mm 內(nèi)徑）來調(diào)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(jié)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(jìn)行單面焊雙側(cè)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(shù)和自動連接技術(shù)，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(gòu)機中厚板的自動化焊接質(zhì)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(shù)所焊厚板的可行情況，對新獲得的焊接試樣開展了力學(xué)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(zhuǎn)與撞擊特性均達(dá)到NB/T47014—2011《承壓設(shè)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(shù)可以促使焊接品質(zhì)更為優(yōu)良，其力學(xué)性能可以達(dá)到既定要求。

表1 拉伸實驗結(jié)果

表2 彎曲試驗結(jié)果

表3 -20 ℃條件下沖擊實驗結(jié)果

3 中厚板自動化焊接的質(zhì)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(yīng)該過大，必須貫徹執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)。在坡口制作和鉚裝過程中，必須符合行業(yè)的平均標(biāo)準(zhǔn)。

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(yán)格按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行篩選和配比，其中必須要考慮被焊接器材的構(gòu)架材質(zhì)，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(xué)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(chǎn)生一系列的質(zhì)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(gòu)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(zhì)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(biāo)的問題，應(yīng)該及時停工進(jìn)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(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照焊接規(guī)范參數(shù)控制進(jìn)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(chǎn)生具有重要的影響。一般在采用自動埋弧焊接時，不會產(chǎn)生氮氣孔，這種技術(shù)是一種優(yōu)化后的中厚板焊接技術(shù)，需要在科學(xué)的參數(shù)設(shè)置之下。而一旦技術(shù)參數(shù)設(shè)置不規(guī)范，就容易在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生氣孔。氣孔的類型包括貫穿性氣孔，氣孔的性質(zhì)為氫氣孔。為了避免這種情況發(fā)生，要規(guī)范化技術(shù)應(yīng)用特點，強化技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置中要使用大電流低電壓迅速焊接的中厚板連接技術(shù)，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(shè)計的過程中，要適當(dāng)調(diào)整焊接速度，防止影響焊接區(qū)金屬過熱焊縫的力學(xué)性能。在整個焊接過程中，具體參數(shù)設(shè)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(shù)增快2%，電弧電壓確保在日常的焊接電壓區(qū)間即可。

4 結(jié)束語

經(jīng)過以上自動化中厚板焊接技術(shù)的實施要點，總結(jié)出以下技術(shù)實施規(guī)范：①在不采取反面清根處理的前提下，應(yīng)該借助深熔焊和自動化焊接技術(shù)，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(zhì)，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(shù)，可以完成批量加工，在變速箱等零部件加工領(lǐng)域，具有重要應(yīng)用。