一种隧道掘进机刀座的机器人自动化焊接方法

张凌，任长海，张爱武，何玉强，于永生

（1.吉林省维尔特隧道装备有限公司，吉林 吉林市132011;2.吉林省盾构与掘进刀具技术重点实验室，吉林 吉林市132011）

0 前言

全断面隧道掘进机TBM 通常运用于硬岩隧道掘进工程。刀座是TBM 刀具的主要承载部件，起到定位、支撑的作用。由于在TBM 作业过程中滚刀需承受刀具破岩产生的交变载荷，不仅滚刀容易磨损和损坏，而且刀座也容易出现损坏或磨损现象。刀座的可靠性对TBM 施工至关重要，刀座失效必然导致刀具损坏，使刀具出现崩块、偏磨等现象，严重影响TBM 掘进施工进度，增加施工成本。我公司近期承揽的一批19 英寸正滚刀刀座，由两块内刀板和两块外刀板以及两块连接板构成，内刀板镶入外刀板中，构成一套刀座板，两片刀座和连接板焊后构成整体刀座。单片19英寸刀座焊缝总长度860 mm，一整套的19 英寸刀座焊缝可达1720 mm。目前业内对刀座的焊接采用人工焊接，焊接一套刀座焊缝需要18～20 小时，而且焊接人员由于长时间不间断疲劳作业，导致焊缝经常会出现气孔、夹杂、未焊透和未融合等现象，无法满足使用性能要求。因为刀座在TBM 掘进过程中的重要性，客户要求焊缝超声波探伤质量必须达到NB/T 47013.3--2015《承压设备无损检测第3 部分：超声检测》中焊接接头Ⅰ级标准的要求，人工焊接一次合格率仅为30%～40%，需返工重复焊接，不但增加了产品成本，也严重降低了产品质量。

为解决上述19 英寸刀座人工焊接时间长、焊缝合格率低的技术难题，采用机器人自动化焊接刀座，因两种材质42CrMo 和Q345D 属异种钢材焊接，采取了以下创新，完成了刀座焊接。

焊接工艺过程主要分为：人工组对——预热——保温——程序输入——自动焊接——辅助措施——焊后处理

1 人工组对

42CrMo 属调质高强钢，其Ceq 值为0.82%，可焊接性能差。由于母材中的含碳量高，加之含硫杂质和气孔的影响，容易在焊层金属中引起热裂纹。为保证自动化焊接过程中不产生裂纹，应选用氧气-乙炔焰对刀座板进行加热。先加热42CrMo 钢板，工艺点焊时用气焊对42CrMo 钢板70～150 mm 之间区域进行火焰加热，确保不产生裂纹。开始工艺焊时，选用CO2保护焊，施焊过程中为减少热输出及大熔深，应快速施焊且采用小电流低电压。电流控制在160～240 A，电压控制在22～26 V，运条方式为直线运条。为防止单片刀座变形，采用两片刀座板整体连接施焊，焊后重新组合。

2 预热

选择电阻炉加热，加热温度为150～250 ℃，电流为30～50 A，加热1 小时，保温时间3～4 小时。

3 保温

焊接过程中放置保温板，持续加温，保持整体加热温度一致。

4 程序输入

自动焊接程序设置中，机器人枪嘴摆动幅度、角度、速度及施焊电流等是其中的关键参数，其各层焊接时各不相同。第1 层输入焊接程序时：枪嘴直线运动，角度15°～30°,速度240～480 mm/min，电流：200～260 A，电压：25～30 V；第2层：枪嘴Z 形摆动，频率1.5～3.0 Hz，摆动幅度2.5～4.0 mm，夹角15°～30°左右，停留时间0.4 s；第3 层重复第1 层，第4 层重复第2 层；第5 层～11 层：枪嘴Z 形摆动，频率1.8～2.5 Hz，摆动幅度6.0～8.0 mm，停留时间0.5 s，运行速度180～300 mm/min，第5、7、9、11 层夹角20°～40°,第6、8、10层为垂直焊道；第12～20 层：频率1.5～2.0 Hz，摆动幅度8.5～9.5 mm，停留时间0.7 s，速度150～260 mm/min，13、15、17、19 层夹角为30°～50°,其他层为垂直焊道。

图1 多层焊接示意图

5 自动焊接

机器人CO2保护焊焊接小薄件时，因焊道窄，采用直线运行。刀座施焊焊道较宽，单独直线运行，融合性不好，采用Z 字线摆动运行，焊缝融合性好，焊缝探伤质量达到了NB/T 47013.3-2015 中Ⅰ级探伤标准。

图2 刀座焊缝端面示意图

6 辅助措施

（1）清渣。每层焊道过后，应及时用气动敲渣锤清渣、减小应力；

（2）层间温度保持。每层焊道过后，应对层间温度进行测试，确保不低于200℃，当温度降低时，用加热板或氧气-乙炔焰加热。

7 焊后处理

（1）震动分散应力。焊后应及时用气动锤或气铲对焊缝及周围100 mm 区域进行敲击；

（2）后处理。锤击后放入加热炉中保温，与预热温度相同，到时间后用石棉布将刀座包裹起来，缓冷至室温。

刀座焊后冷却至室温时，用超声波探伤仪进行探伤，应达到NB/T 47013.3-2015《承压设备无损检测第3 部分：超声检测》Ⅰ级水平。

8 结语

采用自动化焊接刀座焊缝，时间由手工焊的18～20 小时降低为8～10 小时，提高效率50%以上，焊缝合格率由原来的30%～40%提高到95%以上，大大降低了生产成本，保证了刀座的产品质量和生产进度。