郜衛(wèi)鵬/GAO Weipeng

（中鐵工程裝備集團(tuán)盾構(gòu)制造有限公司，河南 鄭州 453600）

隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，開發(fā)與利用城市地下空間已成為新世紀(jì)城市發(fā)展的必然[1]。在打通地下通道，尤其在跨江、跨海隧道工程建設(shè)中，超大直徑盾構(gòu)在工程中得到越來越多的應(yīng)用[2]。為適應(yīng)高水壓、復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，以及同時(shí)具備較高的施工效率、可靠性和換刀安全性，刀盤的成型質(zhì)量對(duì)盾構(gòu)施工十分重要[3]。

本文所涉及刀盤現(xiàn)場組焊變形主要是指刀盤邊塊焊后受焊接應(yīng)力作用，導(dǎo)致其向刀盤中心平移，也稱邊塊焊后收縮。本文通過對(duì)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化，來準(zhǔn)確預(yù)測刀盤邊塊焊后收縮量，量化焊接電流對(duì)焊接變形的影響，并利用焊機(jī)群控管理系統(tǒng)控制焊接電流，最終將刀盤邊塊焊接收縮量控制在預(yù)期范圍內(nèi)。大直徑常壓刀盤結(jié)構(gòu)一般由1 個(gè)中心塊和6 個(gè)邊塊組成，如圖1 所示。由于刀盤整體直徑太大，為方便運(yùn)輸，刀盤都是拆解后由制造廠分塊運(yùn)送到施工現(xiàn)場[4]，在施工現(xiàn)場完成中心塊與邊塊的組焊，徐震[5-6]，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真分析等方法做過比較分析，雖然邊塊質(zhì)量比中心塊小得多，但每個(gè)邊塊也重達(dá)幾十噸，刀盤在施工現(xiàn)場組對(duì)調(diào)平以后，由于待焊部位鋼板較厚（90～100mm），且為全熔透探傷焊縫，焊縫填充量大，焊縫橫向收縮應(yīng)力較大，所以邊塊焊后主要變形方向便是向刀盤中心平移，且平移量難以控制，再加上刀具軌跡半徑設(shè)計(jì)公差較為嚴(yán)格，所以常壓刀盤邊塊組焊的焊接收縮變形控制一直都是難題。

圖1 常壓刀盤結(jié)構(gòu)示意圖

常用的焊接變形控制方法[7-8]有以下4 點(diǎn)：①設(shè)計(jì)焊接順序；②剛性固定；③增加反變形；④控制焊接參數(shù)。其中焊接順序可以根據(jù)理論知識(shí)進(jìn)行設(shè)定，剛性固定可以在保證焊接可操作性的基礎(chǔ)上鉚焊碼板加固，而反變形的量化和焊接參數(shù)的過程控制問題一直較難解決。

反變形是機(jī)械行業(yè)控制焊接變形常用的方法，然而在增加反變形量之前需要對(duì)工件焊后的變形量做出準(zhǔn)確的預(yù)測。在其他機(jī)械行業(yè)曾出現(xiàn)過以下兩種數(shù)據(jù)模型。

其中，y為焊接收縮變形量；x為母材板厚；e=2.718282。

其中，ΔS為焊接收縮變形量；Aw為焊縫橫截面積；t為母材板厚；d為根部間隙。

第一種數(shù)據(jù)模型僅考慮母材板厚因素，應(yīng)用于刀盤焊接顯然行不通。第二種數(shù)據(jù)模型充分考慮了母材板厚、焊縫填充量和根部間隙的影響因素，但忽略了焊接參數(shù)對(duì)焊接收縮的影響。為充分考慮各種因素對(duì)焊接收縮變形產(chǎn)生的影響，亟需一種新的數(shù)據(jù)模型來適應(yīng)常壓刀盤邊塊組焊的焊接變形量預(yù)測，并對(duì)以后常壓刀盤邊塊組焊提供參考。

焊接參數(shù)在傳統(tǒng)的焊接過程中是動(dòng)態(tài)變量，對(duì)于焊工的操作難以實(shí)時(shí)監(jiān)控，多臺(tái)焊機(jī)同時(shí)施焊的過程更難得到監(jiān)控，且其對(duì)焊接變形的影響至今沒有一個(gè)量化的定論，焊接參數(shù)定的太小影響焊道熔合質(zhì)量，焊接參數(shù)定的太大又擔(dān)心過量變形。若想通過焊接參數(shù)來控制焊接變形，首先需要將焊接參數(shù)融入數(shù)據(jù)模型，準(zhǔn)確預(yù)判焊后收縮量。其次需要控制焊接參數(shù)使其上下浮動(dòng)盡量小，減小焊工技能水平的不同等人為因素對(duì)焊接參數(shù)的影響，焊機(jī)群控管理系統(tǒng)恰能解決此問題。

1 方案提出

1.1 常壓刀盤

大直徑常壓刀盤由于不能實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)輸，所以需要分塊運(yùn)輸，并在施工現(xiàn)場完成刀盤中心塊與六個(gè)邊塊的整體組焊，邊塊連接焊縫分布位置見圖2，焊縫坡口型式見圖3。焊接方法選用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊（GMAW），單個(gè)邊塊和整體組焊均采取對(duì)稱位置同時(shí)施焊。

圖2 常壓刀盤邊塊連接焊縫

1.2 模型優(yōu)化

刀盤邊塊焊接前，需根據(jù)數(shù)據(jù)模型推測出邊塊焊后收縮量，并將收縮量提前向外釋放，達(dá)到反變形的目的。本項(xiàng)目以式（2）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型作為參考。數(shù)據(jù)模型充分考慮了母材板厚、焊縫填充量和根部間隙的影響因素，在此基礎(chǔ)上通過融入焊接電流變量并結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，來對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證。

2 設(shè)計(jì)方案研究

2.1 數(shù)據(jù)模型優(yōu)化

基于有限元理論分析預(yù)測[9-10]及歷年常壓刀盤現(xiàn)場組焊測量數(shù)據(jù)得知，刀盤邊塊焊后收縮變形量基本在3～6mm 之間，由于仰焊位置（PE）、和立焊位置（PF）受焊接位置影響，其焊接電流和可調(diào)范圍較小，熱輸入低。而平焊位置（PA）往往焊接電流調(diào)節(jié)范圍較寬，且PA 位置焊縫填充量和焊接熱輸入量較大，對(duì)邊塊焊后變形影響較大，但工藝要求不允許擺動(dòng)焊接，所以本項(xiàng)目可將平焊位置（PA）焊接電流作為主要變量融入數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化。優(yōu)化后的數(shù)據(jù)模型如下。

其中，ΔS為邊塊預(yù)測焊后收縮變形量；Aw為焊縫理論設(shè)計(jì)橫截面積；t為前面板厚度；d為邊塊放量前的前面板根部間隙；k為與PA 位置焊接電流相關(guān)的系數(shù)，k=1.22ln（i）-5.91；i為PA位置焊接電流。

2.2 焊機(jī)群控管理系統(tǒng)構(gòu)建

在確定了數(shù)據(jù)模型之后，需要控制PA 位置焊接電流浮動(dòng)范圍盡量小，此時(shí)需要將所有數(shù)字化焊機(jī)接入群控系統(tǒng)，除了可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)焊機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[11]，而且可以設(shè)定焊接電流及可調(diào)范圍。智能化焊機(jī)群控管理系統(tǒng)大致由以下3 個(gè)模塊組成。

2.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

焊機(jī)群控管理系統(tǒng)主要由“人機(jī)交互”、“群控系統(tǒng)服務(wù)器”、“無線網(wǎng)絡(luò)”、“車間焊機(jī)+無線控制器”四部分組成，硬件包含工控機(jī)一臺(tái)、具有群控功能的奧太數(shù)字化焊機(jī)若干、USB 轉(zhuǎn)RS485 接口一個(gè)、2×0.5mm2護(hù)套雙絞線若干[12]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖4 所示。

圖4 焊機(jī)群控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

2.2.2 通訊方式的選擇

為不影響焊機(jī)的便攜性和可移動(dòng)性，同時(shí)避免線路繁雜的布置，減少成本，本系統(tǒng)的通訊方式選擇了簡單易行的無線通訊方式[13-15]，連接方式見圖5。

圖5 “無線網(wǎng)絡(luò)”焊機(jī)群控示意圖

3 設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

3.1 數(shù)據(jù)模型驗(yàn)證

本項(xiàng)目以已竣工的中鐵某常壓刀盤組焊測量數(shù)據(jù)來對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，其邊塊預(yù)測焊后收縮量與實(shí)測值見表1，注：因中鐵某刀盤焊接時(shí)，焊機(jī)未接入群控管理系統(tǒng)，焊接電流值可能存在較大波動(dòng)。

表1 中鐵某刀盤模型預(yù)測值與實(shí)測值對(duì)比表

由表1 數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，該模型預(yù)測邊塊收縮量與實(shí)測值相差僅在1mm 以內(nèi)，如刀盤邊塊按預(yù)測值進(jìn)行放量，則刀具軌跡半徑偏差完全可以控制在設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)。

3.2 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

本次工藝參數(shù)優(yōu)化以焊機(jī)群控管理系統(tǒng)作為輔助工具，充分利用其工藝管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的功能。工藝管理可限定焊接工藝參數(shù)，在焊接過程中，焊機(jī)自動(dòng)匹配當(dāng)前焊接工藝限定，焊工只能在當(dāng)前工藝允許范圍內(nèi)進(jìn)行焊接作業(yè)，保證了焊接工藝參數(shù)的穩(wěn)定性。如圖6 所示，焊接電流設(shè)定280A，微調(diào)范圍30A，那么實(shí)際焊接電流則為280±30A（250～310A），焊工只能在這個(gè)范圍內(nèi)工作。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可在線顯示焊材消耗量，對(duì)于相同焊縫，通過不同參數(shù)下的焊材消耗量數(shù)據(jù)對(duì)比，可從側(cè)面反映出不同參數(shù)下焊接飛濺的大小。本次選取6 臺(tái)焊機(jī)作為研究對(duì)象，分別用于焊接常規(guī)刀盤上的6 組完全相同的扭腿焊縫，如圖7、圖8 所示。

圖6 工藝參數(shù)設(shè)定界面

圖7 刀盤扭腿

圖8 扭腿接頭形式

6 臺(tái)焊機(jī)在WPS 許可范圍內(nèi)分別設(shè)定焊接電流220A、240A、260A、280A、300A、320A，微調(diào)范圍10A，在不同的焊接電流下，對(duì)電弧穩(wěn)定性、焊接飛濺量、焊道熔合情況以及焊絲熔覆率有不同的影響，最終導(dǎo)致焊縫探傷合格率和焊絲消耗量不同。焊后做UT 探傷統(tǒng)計(jì)各組扭腿焊縫合格率，并在群控管理系統(tǒng)后臺(tái)統(tǒng)計(jì)焊絲消耗量，焊后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 扭腿不同參數(shù)焊后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

通過焊接6 組扭腿統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，限定焊機(jī)電流范圍后，電流值在280A 時(shí)，焊接1 個(gè)扭腿的焊縫探傷合格率比6 組平均值高出4.5 個(gè)百分點(diǎn)，焊絲消耗量比平均值少1.8kg。綜合以上數(shù)據(jù)，并充分考慮焊接效率、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于常壓刀盤邊塊PA 位置的焊接電流選擇范圍宜在260～280A 之間。

4 結(jié)論與建議

1）根據(jù)模型驗(yàn)證和中鐵某常壓刀盤的實(shí)用結(jié)果可以看出，本項(xiàng)目所建數(shù)學(xué)模型在融入了焊接電流這一變數(shù)后，提高了其精確性。該模型的使用完全可以滿足刀盤邊塊焊后變形量的公差要求，可以很好地解決常壓刀盤現(xiàn)場組對(duì)時(shí)邊塊放量的問題。

2）該數(shù)據(jù)模型實(shí)用的精確性離不開智能化焊機(jī)群控管理系統(tǒng)的輔助，焊機(jī)群控系統(tǒng)在焊接實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)了工件焊接過程工藝參數(shù)的信息化搜集和智能控制，提高了焊接數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性。鑒于該系統(tǒng)集成焊機(jī)管理、設(shè)備信息監(jiān)控、設(shè)備維保、規(guī)范管理、焊工管理、生產(chǎn)任務(wù)管理，報(bào)警管理、焊接數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能于一體，為焊接管理體系提供了一種全新的模式，值得全面推廣。