TBM中心块厚板焊接

摘要：TBM（Tunnel Boring Machine）-----全断面隧道硬岩掘进机，掘进、支护、出渣等施工工序并行连续作业，是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线隧道施工装备，具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地理地貌深埋长隧洞的施工，在中国水利、水电、交通、矿山、市政等隧道工程中应用正在迅猛增长。

关键词：TBM；隧道施工；隧道工程；厚板；焊接

焊前分析与准备

一、 焊接性分析

低合金钢由于碳的质量分数低，塑性和韧性好，焊后淬硬倾向和冷裂倾向小，具有良好的焊接性。

低合金钢焊接时，关键是要保证焊缝区和粗晶区的低温韧性。为避免焊缝金属和过热区形成粗晶组织而降低低温韧性，要采用小线能量，焊接电流不宜大，宜用快速焊，枪不摆动，多层多道焊，以减轻焊道过热，并通过后续焊道的重热作用细化晶粒。多道焊时要控制层间温度，不大于200℃。焊后进行热处理，以细化晶粒，改善焊接接头的低温韧性，并消除焊接残余应力，以降低低合金钢焊接结构的脆断倾向。

焊接低合金钢结构，还应该注意避免焊接缺陷（如弧坑、咬边、未焊透和焊缝成型不良等），并应及时修补；否则低温时因钢材对缺陷和应力集中的敏感性大，而增大低温脆性破坏倾向，产生焊接裂纹。

焊接裂纹主要是冷裂纹，而氢、淬硬组织和应力是导致冷裂纹的主要原因，它们相互影响、相互促进。导致裂纹主要原因的具体分析。

a、淬硬倾向：钢板的材质Q345D钢，碳含量上限为0.18%；磷、硫含量≤0.03%。淬硬倾向小，焊接性良好，不是产生冷裂纹的主要原因。

b、氢的作用：所用焊材经过严格烘干，但厂房环境干燥，使焊接时有少量的氢留在焊缝内，但含量较低，也不是产生冷裂纹的主要原因。

c、焊接的应力对于大厚度钢板，焊接时在厚度方向上的温度分布不均匀会产生了较大的横向压缩塑性变形；焊后冷却时厚度方向上出现收缩不均匀易致使两连接件间产生角变形。

二、 焊接形式和坡口形式

焊接手段和剖口的制作是相互关系的。需首先确定焊接形式。一般厚板的焊接形式有：电渣焊、埋弧焊、气体保护焊及手工焊接等。电渣焊，成本也比较高；气体保护焊接及手工焊，焊接时劳动强度太大（计算焊接时间大致需要两周且连续作业），人力和物力耗费时间长，不便采用；埋弧焊熔点高、填充量大，较气体保护焊效率高，减少作业时间，利于中间焊和盖面。综合以上分析并结合本部实际情况决定方案：CO2保护焊打底，然后埋弧焊焊接并盖面。

焊接形式确定后，就需要与其相应的坡口形式。厚板坡口形式大多是以Ⅰ形、X形和U形等。Ⅰ形坡口中间加钢条难以完全熔化，根部易产生深裂纹，修复较困难。X形坡口对于厚板来说坡口宽度太大，造成焊接量大，焊后变形也大。而U形坡口可以有效克服上述两种坡口形式的不足，因此决定采用U形坡口。考虑清根的难易程度，采用不对称的U行破口形式，坡口的制作采用机加工手段完成，保证尺寸和粗糙度。

三、 焊接参数

四、 焊前预热与焊后热处理

焊接时必须要求工件预热，保证均匀加热工件是个很重要的问题。经过多次的实验，我们决定在一根长约4.8m长管道上，一侧分别均匀钻几处孔，然后将气割嘴焊接在管道上，保证密封，通以气体点燃加热。共制作两件，以便在焊缝的两侧同时加热。

五、 安全和作业时间

开弓没有回头箭，焊接必须是一个连续的过程，因此安排有经验的焊工分三班作业，保证焊接的连续、有效、可控来进行。

为保证操作安全，在钢板上行走区域铺厚木板，操作工必须戴防热手套。每工作40分钟左右，操作工离开工作区域休息10分钟。

具体实施过程和检验

1、 工件放置固定，高于地面1m-1.2m；反变形角度在1°-1.5°。如图示意。

2、焊前预热，待焊接焊缝反向两侧各200mm区域多点同时加热，以

保证预热温度均匀。预热温度在110°-130°。

3、 先焊接坡口尺寸大的一侧；CO2保护焊打底，当焊接厚度在15-20mm时，改用埋弧焊进行焊接，此时需控制板材最远处变形量（测量点均布不小于4点）。当工件变形在1°-1.5°时（此值设为A），对工件进行翻转。

翻转后的工件，需用碳弧气刨清除打底焊缝，显露出打底焊层并打磨处理光滑表面，然后开始埋弧焊焊接，焊接过程中不断控制边板最远处的变形量；反向变形为0°时；去掉焊缝处凹形筋板，仅留三处焊缝筋板（均布）；当反向变形量达到（A-5）mm时，（若有条件，做一次高温UT探伤处理。）再一次翻转工件。

注：施工时，注意控制埋弧焊焊缝宽度要小于18mm.以减少缺陷。

4、 工件翻转放置稳固后，去掉焊接筋板，观察平板的变形情况。

再一次开始埋弧焊，当反向变形量≤10 mm时（测量点同上），翻转工件。

5、 工件翻转后焊接的反向变形量控制在5mm以内。直至焊接整体完

毕。

6、 焊接过程严格控制层间温度和焊缝宽度，以减少产生气孔和裂纹等缺陷。且由于温度高，操作者要注意安全防止热伤害。如：焊接平板上加铺踩踏木板。

7、 焊后热处理和检验

焊接完毕后，保温6小时；待自然冷却至30-40°后，作UT探伤。然后整体进行640°*10h的去应力退火。退火时注意控制大平板由于自重产生的变形；也可通过自重和外加重力等方法对大板进行矫平；

8、 再进行一次UT探伤；然后再将另一块同焊接后的钢板焊接在一起，焊接原理及步骤同上。

9、 焊接去应力退火冷却至室温后进行焊接缺陷和平面度检验。用砂轮打磨焊缝表面后UT检测，符合焊缝Ⅰ级要求；同时经测量平面度5mm以内，达到设计要求。

结语

焊后对焊缝进行UT探伤，焊缝按照GB/T11345-1989执行，B级检验，Ⅰ级验收。

通过正确的选择焊接材料。工艺措施的严格执行，焊后对焊缝进行UT探伤，焊缝全部一次性达到GB/T11345-1989，B级检验，Ⅰ级验收标准。顺利完成了TBM刀盘中心厚板的焊接，机加工前对中心块进行640℃整体热处理，以细化晶粒，改善焊接接头的低温韧性，并消除焊接残余应力，以降低低合金低温用钢焊接结构的脆断倾向。目前，TBM刀盘已经在吉林引松工地按照上述工艺措施组装焊接完成。

引松TBM刀盘的成功焊接，为以后的TBM刀盘焊接生产中提高可借鉴的经验，同时也对我国TBM刀盘打破“洋人垄断”提供了技术支持。