一種隧道掘進機刀座的機器人自動化焊接方法

張凌，任長海，張愛武，何玉強，于永生

（1.吉林省維爾特隧道裝備有限公司，吉林 吉林市132011;2.吉林省盾構與掘進刀具技術重點實驗室，吉林 吉林市132011）

0 前言

全斷面隧道掘進機TBM 通常運用于硬巖隧道掘進工程。刀座是TBM 刀具的主要承載部件，起到定位、支撐的作用。由于在TBM 作業過程中滾刀需承受刀具破巖產生的交變載荷，不僅滾刀容易磨損和損壞，而且刀座也容易出現損壞或磨損現象。刀座的可靠性對TBM 施工至關重要，刀座失效必然導致刀具損壞，使刀具出現崩塊、偏磨等現象，嚴重影響TBM 掘進施工進度，增加施工成本。我公司近期承攬的一批19 英寸正滾刀刀座，由兩塊內刀板和兩塊外刀板以及兩塊連接板構成，內刀板鑲入外刀板中，構成一套刀座板，兩片刀座和連接板焊后構成整體刀座。單片19英寸刀座焊縫總長度860 mm，一整套的19 英寸刀座焊縫可達1720 mm。目前業內對刀座的焊接采用人工焊接，焊接一套刀座焊縫需要18～20 小時，而且焊接人員由于長時間不間斷疲勞作業，導致焊縫經常會出現氣孔、夾雜、未焊透和未融合等現象，無法滿足使用性能要求。因為刀座在TBM 掘進過程中的重要性，客戶要求焊縫超聲波探傷質量必須達到NB/T 47013.3--2015《承壓設備無損檢測第3 部分：超聲檢測》中焊接接頭Ⅰ級標準的要求，人工焊接一次合格率僅為30%～40%，需返工重復焊接，不但增加了產品成本，也嚴重降低了產品質量。

為解決上述19 英寸刀座人工焊接時間長、焊縫合格率低的技術難題，采用機器人自動化焊接刀座，因兩種材質42CrMo 和Q345D 屬異種鋼材焊接，采取了以下創新，完成了刀座焊接。

焊接工藝過程主要分為：人工組對——預熱——保溫——程序輸入——自動焊接——輔助措施——焊后處理

1 人工組對

42CrMo 屬調質高強鋼，其Ceq 值為0.82%，可焊接性能差。由于母材中的含碳量高，加之含硫雜質和氣孔的影響，容易在焊層金屬中引起熱裂紋。為保證自動化焊接過程中不產生裂紋，應選用氧氣-乙炔焰對刀座板進行加熱。先加熱42CrMo 鋼板，工藝點焊時用氣焊對42CrMo 鋼板70～150 mm 之間區域進行火焰加熱，確保不產生裂紋。開始工藝焊時，選用CO2保護焊，施焊過程中為減少熱輸出及大熔深，應快速施焊且采用小電流低電壓。電流控制在160～240 A，電壓控制在22～26 V，運條方式為直線運條。為防止單片刀座變形，采用兩片刀座板整體連接施焊，焊后重新組合。

2 預熱

選擇電阻爐加熱，加熱溫度為150～250 ℃，電流為30～50 A，加熱1 小時，保溫時間3～4 小時。

3 保溫

焊接過程中放置保溫板，持續加溫，保持整體加熱溫度一致。

4 程序輸入

自動焊接程序設置中，機器人槍嘴擺動幅度、角度、速度及施焊電流等是其中的關鍵參數，其各層焊接時各不相同。第1 層輸入焊接程序時：槍嘴直線運動，角度15°～30°,速度240～480 mm/min，電流：200～260 A，電壓：25～30 V；第2層：槍嘴Z 形擺動，頻率1.5～3.0 Hz，擺動幅度2.5～4.0 mm，夾角15°～30°左右，停留時間0.4 s；第3 層重復第1 層，第4 層重復第2 層；第5 層～11 層：槍嘴Z 形擺動，頻率1.8～2.5 Hz，擺動幅度6.0～8.0 mm，停留時間0.5 s，運行速度180～300 mm/min，第5、7、9、11 層夾角20°～40°,第6、8、10層為垂直焊道；第12～20 層：頻率1.5～2.0 Hz，擺動幅度8.5～9.5 mm，停留時間0.7 s，速度150～260 mm/min，13、15、17、19 層夾角為30°～50°,其他層為垂直焊道。

圖1 多層焊接示意圖

5 自動焊接

機器人CO2保護焊焊接小薄件時，因焊道窄，采用直線運行。刀座施焊焊道較寬，單獨直線運行，融合性不好，采用Z 字線擺動運行，焊縫融合性好，焊縫探傷質量達到了NB/T 47013.3-2015 中Ⅰ級探傷標準。

圖2 刀座焊縫端面示意圖

6 輔助措施

（1）清渣。每層焊道過后，應及時用氣動敲渣錘清渣、減小應力；

（2）層間溫度保持。每層焊道過后，應對層間溫度進行測試，確保不低于200℃，當溫度降低時，用加熱板或氧氣-乙炔焰加熱。

7 焊后處理

（1）震動分散應力。焊后應及時用氣動錘或氣鏟對焊縫及周圍100 mm 區域進行敲擊；

（2）后處理。錘擊后放入加熱爐中保溫，與預熱溫度相同，到時間后用石棉布將刀座包裹起來，緩冷至室溫。

刀座焊后冷卻至室溫時，用超聲波探傷儀進行探傷，應達到NB/T 47013.3-2015《承壓設備無損檢測第3 部分：超聲檢測》Ⅰ級水平。

8 結語

采用自動化焊接刀座焊縫，時間由手工焊的18～20 小時降低為8～10 小時，提高效率50%以上，焊縫合格率由原來的30%～40%提高到95%以上，大大降低了生產成本，保證了刀座的產品質量和生產進度。