TBM机头架焊接技术研究及运用

鲁 炎，袁晓亮

（无锡中铁城轨装备有限公司，江苏 无锡 214000）

随着我国基础工程建设的大量投入及科技研发、装备制造水平的飞速发展，TBM 全断面硬岩掘进机[1]隧道施工技术在矿山、水利工程、交通、煤矿、市政等隧道工程中的应用也在不断增加。TBM 主结构由刀盘、机头架、护盾、主大梁、鞍架、撑靴、后支撑等系统部件组成，机头架作为TBM 的核心系统传动部件，为刀盘旋转切割破岩提供扭矩。机头架结构组成复杂、接头焊接要求高，因此对机头架焊接技术控制显得尤为重要。李荣鑫等[2]对TBM 机头架T 形接头焊接温度场数值模拟进行了分析；覃寿同等[3]基于ANSYS Workbench 的TBM 机头架有限元进行了分析；秋新任[4]对厚板焊接技术进行了研究；刘弘金等[5]对Z向性能厚板焊接技术进行了研究。

以上研究为厚板及T 形接头焊接技术提供了理论依据，但上述研究内容仅在单一厚板及T 形接头焊接施工问题上进行分析，未能就机头架整个焊接施工项目进行全面的分析总结，尤其是对TBM 机头架焊接技术研究及运用方面尚缺少研究。本文旨在依托马来西亚东海岸铁路项目用敞开式TBM，对TBM 机头架焊接技术研究及运用进行总结，为类似TBM 机头架焊接工艺的制定提供技术参考。

1 工程概况

本文依托的工程为马来西亚东海岸铁路项目用开挖直径8.9m 敞开式TBM 硬岩掘进机，机头架尺寸达6.5×6.2×2.1m,总重约89t。如图1所示，机头架钢板材质为Q345D，结构多为厚板组成主要表现为底部法兰板厚130mm、中部法兰板厚120mm、上部法兰板厚175mm、最厚圈板厚度达80mm；机头架结构复杂主要布置由3 层法兰板、外侧3 层圈板、内侧3 层圈板、诸多筋板、小齿轮轴承固定板、顶护盾油缸座、侧护盾缩回油缸座、半月摇块座、等组成；封闭狭小空间多主要表现为圆周方向布置有3 层共15 个电机孔、4 个人孔、底部1 个卸油检修孔。

图1 机头架结构外形图

2 机头架焊接重难点分析

2.1 机头架厚板焊接及层状撕裂控制

机头架结构多为厚板与厚板间焊接，板厚最厚达175mm，焊缝拘束应力大，对厚板焊缝质量控制及焊接尺寸变形控制要求高，因此确保厚板焊接质量是工程的重点和难点。

机头架结构布置结合厚板形式，焊接拘束应力大难以释放对焊缝接头存在大的拉伸应力，因而容易产生层状撕裂问题，层状撕裂的产生将会对部件机械性能极大的减弱，降低了机头架的疲劳强度、使用寿命及安全系数。

机头架焊接接头多处设计为角接和T 形形式，且结合构件焊接量大、主焊缝全熔透要求、焊接应力拘束性强等特点。机头架接头焊接热影响区极易因焊接参数控制不当而产生层状撕裂现象，因此控制焊接参数及优化焊接接头是工程的重点和难点。

2.2 机头架焊接工序转换

机头架结构件厚板多、结构复杂、封闭狭小空间多，带来的焊接加工工序转换复杂。涉及制作前布置、法兰板安装焊接、翻身安装焊接、整体焊接等诸多工序进行，因此如何科学布置焊接加工工序确保机头架焊接质量是工程的重点和难点。

3 机头架焊接技术研究与运用

TBM 在硬岩掘进过程中因围岩密度高、岩石硬度大、围岩扰动、推力及振动大等因素，所受工况恶劣且在封闭区间内连续施工贯通等工程技术要求；机头架作为敞开式TBM 核心驱动部件，具有科技含量高、设计制造工艺复杂、产品附加值高等特点，机头架焊接技术代表着现有全断面硬岩隧道掘进机制造领域的高技术水平攻克以及主要研究的发展方向。因此，研究TBM 机头架焊接技术具有重要理论及实际应用意义。

3.1 机头架厚板焊接技术

3.1.1 机头架厚板焊接前控制

机头架厚板对接破口在焊接前需采用铣边机加工或火焰切割对其进行加工[6]，满足焊缝对接破口尺寸精度；结合磨光机对破口两侧的氧化皮打磨去除，通过清洗剂对破口铁锈油污去除干净，可有效解决焊缝出现夹杂、焊缝淬硬开裂现象。

为保证机头架在焊接过程中尺寸控制，须布置工装卡板措施，控制其焊接变形；采用引弧板、熄弧板焊接过渡的方式，能有效避免应起弧及熄弧过程对焊缝产生夹杂、未熔合、晶粒粗大、裂纹等焊接缺陷。

机头架焊接前在焊接区域的背面放置电加热带将焊缝坡口两侧进行预热至100～150℃，宽度应为焊件施焊处板厚的1.5 倍以上，且不小于200mm，正面采用保温棉包裹。配合测温枪在焊接件受热面的背面测量，测量点应在离电弧经过前的焊接点不小于75mm 各个方向处。能有效改善焊接过程中温度场的变化，从而降低焊接冷裂纹及厚板拉应力；有助于焊接区域扩散氢的逸出，有效避免氢脆现象；有助于调节焊接热输入，从而改善接头的组织性能。

3.1.2 机头架厚板焊接过程控制

机头架厚板焊接采用E71T-1C（AWS A5.20）低氢药芯焊丝[7]，直径∅1.2mm，CO2气体保护焊接方式进行，根据焊接顺序按打底焊、填充焊、盖面焊分步进行，能有效地降低焊接应力及焊接变形，提高焊接应力平衡分布；焊接过程中打底焊缝厚度须高于5mm，以点固焊缝长100mm、间隔200mm 布置，确保有足够的焊接强度。

为满足焊缝100%UT+MT 检测合格，采用碳弧气刨的方式对焊缝进行反面清根，气刨后的坡口根部须呈圆弧状并且氧化皮应去除干净，确保焊缝全熔透要求。

焊接采用多层多道焊[8]，单道焊焊接采用间断焊法，单道焊缝厚度不超过5mm，焊缝宽度不超过15mm，能有效减少焊接应力提高焊缝疲劳强度；焊接过程中控制层间温度略高于预热温度，能有效平衡焊接温度场，减少焊接热应力浮动对构件尺寸影响；中断焊接的，需要将焊缝部位加热到预热温度；焊接过程中采用小电流快速焊，下一层焊道的接头与前一层焊道接头错开30～50mm，避免焊接接头集中引起缺陷。

焊接宜采用多层多道分段施焊，长焊缝采用分段施焊，环焊缝采用分段对称式施焊便于控制焊接变形。施焊过程中，每焊完一层，采用磨光机打磨清理焊缝确保没有缺陷产生，发现裂纹应通过打磨或者气刨去除后再进行焊接，能够有效地对于焊接过程中产生的缺陷进行早发生早处理，避免因施工完成后集中处理的困难。

为确保环境条件满足机头架焊接要求，应通过有效隔挡的方式降低焊接区域风速；应降低环境相对湿度不大于90%；应提高环境温度不低于5℃。

3.1.3 机头架厚板焊后处理

为防止机头架厚板焊接过程中扩散氢的积累对焊缝的影响，焊接完成后需要电加热带加热到300～400℃并保温2～6h 以上，并采用保温棉覆盖缓冷的方式，能有效地加速焊接区域扩散氢的逸出，避免出现氢致延迟断裂。

3.2 机头架焊接层状撕裂控制措施

根据对焊接层状撕裂出现的原因及产生机理进行有效分析：当厚板结构焊接时，焊缝热影响区处于平面应变状态下受力，在强拘束应力的条件作用下，焊缝收缩时会在母材厚度方向产生很大的拉伸应力和位移应变，当平面应变超过母材临界应力场强度应子门槛值（即断裂韧性），夹杂物与金属基体就会发生分离而萌生微裂纹，在平面应力的继续作用下，裂纹尖端沿钢板轧层方向继续扩展，在热影响区或附近区域，产生“台阶”式层状开裂现象。形成以下针对性预防措施。

1）选材措施 选用具有抗层状撕裂的钢材（Z向探伤板），降低钢中夹杂物的含量和控制夹杂物的形态，来提高钢板厚度方向塑性韧性，减少拉应力对钢板层状方向撕裂的倾向。选用低氢焊材及低强组配焊接材料，减少熔覆金属中的氢含量，降低氢致断裂的出现，从而减少裂纹萌生到失稳扩展的倾向。

2）焊接接头设计优化措施 在接头设计上主要是减少Z向拉应力和焊接应力集中现象，具体措施如下：①改善机头架焊接接头，应尽量避免单面焊缝，改为双面焊缝[9]，能缓和焊缝根部的应力状态，从而减少应力集中；②在保证机头架设计强度满足产品工况的情况下，采用焊接量少的对称角焊缝来代替焊接量大的全熔透焊缝，以避免产生过大焊接热应力和组织应力对钢板层向拉伸；③改变焊接接头方向，应在承受Z向应力的一侧开制破口，改变应力分布，从而减少Z向拉伸应力。

3）焊接工艺控制措施 ①厚板板材下料完成后应打磨清理干净焊接接头位置处火焰切割表面过烧组织，消除过烧魏氏体组织产生裂纹萌生的风险；②对于T 形接头，可在横板上预先堆焊一层低强度的熔覆金属以形成塑性过渡层，以防止焊根出现裂纹，同时缓和横板的Z向应力,如图2 所示；③当采用CO2气体保护焊对厚板进行焊接时，可适当地提高预热温度，防止冷裂引起的层状撕裂；④当板厚≥80mm 时，对于角接焊缝可留一定的加工余量，焊接完成后用机械加工方法去除，如图3 所示；⑤交叉焊缝根据焊角尺寸预留过焊孔，圆角根部进行包角焊处理，结构线性尺寸避免直角开口，应根据板厚尺寸进行圆弧过渡，以上能有效地避免交叉焊缝根部应力集中，改善开孔位置焊接应力分布；⑥对于大尺寸熔透焊，可采用窄焊道焊接技术，并选择合理的焊接次序，以控制收缩变形，焊接过程中应采用锤击法/风束针枪法来减少残余应力；⑦采用合理的焊接顺序和方向：先焊收缩量较大的焊缝，使焊缝能较自由的收缩；先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝；先焊工作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布；采取反变形降低局部结构刚性；⑧几类容易产生层状撕裂接头的形式如下图4 所示，对于易发生层状撕裂的节点（大焊缝厚板角接位置，板两侧都有焊接接头位置）焊接前用玛板加强防止层状撕裂，焊接量达到1/2～2/3时，在易发生层状撕裂板的一侧，将表面打磨干净后进行MT 探伤，探伤合格后继续施焊；⑨焊接过程中控制层间温度，焊接完成后立即进行后热处理，减少熔覆焊缝中的扩散氢。一次探伤及尺寸检测合格后立即进行去应力退火处理，消除焊接应力及焊缝接头扩散氢。

图2 T形接头熔覆塑性过渡层

图3 角接接头预留加工余量

图4 常见容易出现层状撕裂接头

3.3 机头架焊接工序设计技术

3.3.1 机头架制作前布置

机头架结构件外形尺寸达6.5×6.2×2.1m,总重约89t，须在至少8m×8m 的刚性平台上进行施工，满足其制作、焊接、翻身工序要求。施工场地应平整及地样线绘制应清晰，确保机头架制作时各板件安装关键尺寸控制及测量。

如图5 所示，应通过布置水平胎架、临时支撑等有效组合方式，确保机头架底部法兰板、中部法兰板、上部法兰板、小齿轮轴承固定板安装位置度尺寸有效控制；通过布置工艺吊耳对机头架翻身焊接的方式，将不易施焊的仰焊缝通过平焊的方式实现，有利于焊接质量的控制，并能有效释放焊接应力。

图5 机头架安装制作示意图

3.3.2 机头架法兰板安装焊接

底部法兰板中心作为基准定位安装各板件，如图6(a)所示，通过依次安装内圈板、各筋板，到安装上下竖直板、安装内侧纵向横向板、外圈板，各板件间圆周尺寸链及平面高度得以保证，并能确保中部法兰板安装后平面度要求。

中部法兰板安装时，应通过水平仪和垂线引入的方式，确保中部法兰板与底部法兰板各电机孔位同心度要求。如图6(b)所示，底部和中层法兰安装后，形成刚性箱体形式，并进行双人数打底施焊，在等效焊接应力的状态下，确保构件尺寸的有效控制。

如图6(c)所示，上部法兰板为主轴承安装面，承受主轴承的扭矩及三向应力，因此通过底部和中部法兰板尺寸链的安装衔接转换，能有效确保其安装面的尺寸。

图6 机头架法兰板安装焊接示意图

焊接过程通过先焊立焊缝、后焊横焊缝、多道多层分段焊、由内而外进行焊接的方式，能有效减少应力集中现象，确保焊接过程中底、中、上部法兰板整体尺寸有效控制。

3.3.3 机头架翻身安装焊接

如图7 所示，通过对机头架翻身后的姿态进行焊接，将不易施焊的仰焊缝通过平焊的方式实现，有利于焊接质量控制。进行多次数翻身部件，填充焊接及盖面焊接也平均分配至翻身前后状态下。能有效地释放焊接应力提高构件尺寸控制，减少焊接过程中焊接应力集中现象，避免局部焊接拘束拉应力引起厚板撕裂现象。

图7 机头架翻身安装焊接示意图

通过翻身后十字线划刻、引垂线的方式安装15 处减速机小齿轮轴承固定板，保证了底部、中部法兰板15 处电机孔的同轴度及安装位置度。

3.3.4 机头架其余部件安装及整体焊接

如图8 所示，采用底部法兰板为基准安装外侧油缸座，采用中部法兰板为水平基准安装内圈板，采用上部法兰板为水平基准安装外圈板，通过以上尺寸链的有效传递定位安装，实现了各零部件关键尺寸间位置度精度，确保了机头架焊接安装过程中对于尺寸的有效把控。

图8 机头架整体焊接示意图

机头架采用整体焊接的方式进行施工，通过在圈板圆周分度方向安装工艺筋板、在内外圈板内部安装工艺米字撑，确保刚性较差位置焊接变形的有效控制。

机头架整体焊接通过先打底焊后整体施焊，先焊立焊缝、后焊横焊缝，由内而外进行焊接，环焊缝采用分段对称式施焊，多层多道焊接等方式进行焊接施工。为减少焊接过程中焊接应力引起的焊接变形，通过风束针枪法及多次翻身过程中填充盖面焊平均分配施工的方式能有效地释放焊接应力。

4 结语

本文首先介绍了马来西亚东海岸铁路项目用TBM 机头架结构设计布置概况；然后对TBM 机头架的厚板焊接及层状撕裂控制难点进行了分析研究、对机头架焊接工序转换难点进行分析研究并提出TBM 机头架焊接技术应着重考虑的方向；最后对机头架的厚板焊接技术、层状撕裂控制措施、焊接工序设计等方面的焊接技术研究与运用进行了总结。本文对TBM 机头架厚板焊接、层状撕裂、焊接工序转换重难点分析与TBM 焊接技术研究与运用可为类似TBM 机头架焊接工艺的制定提供技术参考。