吳奇隆

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

盾構(gòu)可廣泛應(yīng)用于我國城市地下空間建設(shè)中，目前全國設(shè)備保有量近3 000臺(tái)[1-2]。刀盤作為盾構(gòu)的關(guān)鍵部件，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中直接與土地、沙石、泥水接觸，還要承載來自掌子面的壓力，如果刀盤的耐磨性不足則會(huì)導(dǎo)致刀盤面板磨穿，因此，盾構(gòu)刀盤既要有一定的強(qiáng)度，還要具有耐磨性能[3-4]。刀盤在使用過程中不斷磨損，目前主要通過堆焊技術(shù)對(duì)磨損的刀盤進(jìn)行修復(fù)。對(duì)于大直徑盾構(gòu)，刀盤需要分塊運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接成型。刀盤材料的堆焊修復(fù)、成型質(zhì)量對(duì)盾構(gòu)施工十分重要[5]。

堆焊技術(shù)作為常用的盾構(gòu)刀盤修復(fù)技術(shù)[6]，合適的堆焊工藝對(duì)于提高焊接結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性十分重要，其中預(yù)熱溫度和焊接變形量、焊接延遲裂紋密切相關(guān)[7-9]。趙龍志等[10]研究表明，對(duì)于鋼軌表面的耐磨涂層，在不同的預(yù)熱溫度條件下，焊接后的顯微硬度可相差約17%。朱愛華等[11]研究結(jié)果表明，對(duì)于Q460鋼，在不經(jīng)過預(yù)熱時(shí)殘余應(yīng)力為542.28 MPa，經(jīng)過200 ℃預(yù)熱后，殘余應(yīng)力為466.63 MPa，殘余應(yīng)力下降了約15%。張群兵等[12]研究了預(yù)熱溫度對(duì)12Cr10Co3W2Mo焊接臨界斷裂應(yīng)力的影響，認(rèn)為在室溫時(shí)焊接臨界斷裂應(yīng)力為185 MPa，預(yù)熱溫度為300 ℃時(shí)，臨界斷裂應(yīng)力為591 MPa，經(jīng)過預(yù)熱后焊接強(qiáng)度大幅提高。不同的焊接材料選取的預(yù)熱溫度存在很大的差別，預(yù)熱溫度一般根據(jù)材料的碳當(dāng)量選取。

李建華等[13]通過有限元分析研究了帶壓進(jìn)艙修復(fù)刀盤的焊接修復(fù)技術(shù)，提供了一種安全可靠的施工技術(shù)，通過焊接成功修復(fù)刀盤，但未研究焊接工藝對(duì)刀盤焊接質(zhì)量的影響。孫善輝等[14]以12 m級(jí)氣墊泥水盾構(gòu)為例，詳細(xì)介紹了帶壓進(jìn)艙進(jìn)行焊接作業(yè)的施工流程，但未說明預(yù)熱溫度的選取依據(jù)，且對(duì)焊后的焊接質(zhì)量未進(jìn)行檢測(cè)。王偉金等[15]對(duì)盾構(gòu)刀盤開槽焊接技術(shù)進(jìn)行研究，給出了刀盤材質(zhì)和焊絲型號(hào)，總結(jié)出一套完整的施工技術(shù)。然而，這些盾構(gòu)刀盤的堆焊修復(fù)都沒有給出具體的預(yù)熱溫度，忽略了預(yù)熱溫度對(duì)刀盤焊接性能的影響，對(duì)預(yù)熱溫度的選取缺少指導(dǎo)性意見。

盾構(gòu)刀盤常用的材料為Q345，屬于低合金高強(qiáng)鋼，母材與堆焊層間易產(chǎn)生殘余應(yīng)力、延遲裂紋。為提高焊接質(zhì)量，確保刀盤結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定，本文通過不同的預(yù)熱溫度，采用自保護(hù)藥芯焊絲在Q345R鋼材上進(jìn)行堆焊，研究母材與堆焊層熔合區(qū)的組織和性能，得出最佳的預(yù)熱溫度，并用于指導(dǎo)刀盤實(shí)際焊接，取得了良好效果，試驗(yàn)結(jié)果以期為盾構(gòu)刀盤堆焊修復(fù)提供一定的指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用國內(nèi)某隧道工程項(xiàng)目大直徑泥水盾構(gòu)刀盤應(yīng)用的Q345R材料作為堆焊母材，截取試驗(yàn)?zāi)覆某叽鐬?00 mm×300 mm×30 mm，母材的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 Q345R化學(xué)成分

焊材采用ZD1996-O自保護(hù)藥芯焊絲，焊絲直徑為2.8 mm，焊絲的主要化學(xué)成分如表2所示。

表2 堆焊焊絲化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

焊接設(shè)備采用NB-SOON晶閘管氣體保護(hù)焊機(jī)，采用自制的夾具將焊機(jī)的焊槍固定，距離可調(diào)，采用Q345R材料進(jìn)行堆焊，具體焊接工藝參數(shù)如表3所示。每道道寬為(15±1)mm，每道搭接量為道寬的一半，堆焊層寬度為80 mm；單層厚度為(3±0.5)mm，堆焊總厚度為15 mm。堆焊完成后緩慢冷卻至室溫。

表3 焊接工藝

在堆焊試樣中間部位截取金相試樣。金相試樣制備按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。腐蝕劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3 %的FeCl3溶液。對(duì)制得的金相試樣分別在德國 ZEISS HAL100型光學(xué)顯微鏡和JSM-7500F型掃描電鏡上進(jìn)行組織觀察。

采用鉆孔法測(cè)試堆焊熔合區(qū)的殘余應(yīng)力，測(cè)試設(shè)備為ZDL-Ⅱ型殘余應(yīng)力鉆孔裝置、YC-Ⅲ型應(yīng)力儀和殘余應(yīng)力專用應(yīng)變花。在測(cè)試位置粘貼應(yīng)變花，在應(yīng)變花中心鉆孔，鉆孔直徑為1.5 mm，深2 mm，根據(jù)式(1)計(jì)算測(cè)量位置殘余應(yīng)力的最大主應(yīng)力。

(1)

式中：σ1為最大主應(yīng)力；E為彈性模量；ε1、ε2、ε3為殘余應(yīng)力應(yīng)變花0°、45°、90°方向釋放應(yīng)變；A、B為標(biāo)定常數(shù)。

沖擊試樣制備按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，每組試樣完成沖擊試驗(yàn)后，測(cè)量5次20 ℃條件下的沖擊吸收功，并求平均值。

采用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)定堆焊層顯微硬度，加載載荷為2.94 N，加載時(shí)間為10 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 預(yù)熱溫度對(duì)維焊組織的影響

不同預(yù)熱溫度堆焊的顯微組織如圖1所示。由圖可知，從母材到堆焊層分別為母材、粗晶區(qū)、熔合區(qū)類馬氏體帶、焊縫區(qū)，其中熔合區(qū)類馬氏體帶主要由馬氏體和殘余奧氏體組成[12]。預(yù)熱50 ℃后，母材粗晶區(qū)晶粒細(xì)小，粗晶區(qū)所占面積小，熔合區(qū)深褐色的類馬氏體帶最寬，焊縫區(qū)奧氏體內(nèi)分布黃褐色馬氏體組織最多；預(yù)熱100 ℃后，母材粗晶區(qū)晶粒粗大，粗晶區(qū)所占面積小，熔合區(qū)類馬氏體帶最窄，深褐色組織較少，堆焊層焊縫區(qū)奧氏體晶區(qū)晶粒粗大；預(yù)熱150 ℃后，母材粗晶區(qū)晶粒粗大且分布均勻，粗晶區(qū)所占面積最大，熔合區(qū)類馬氏體帶寬度介于圖2(a)所示寬度和圖2(b)所示寬度之間，堆焊層焊縫區(qū)奧氏體晶粒粗大，呈大塊狀；預(yù)熱200 ℃后，粗晶區(qū)的晶粒變得粗大。預(yù)熱100 ℃后堆焊熔合區(qū)類馬氏體帶最窄，馬氏體含量最低，殘余奧氏體含量最高。馬氏體晶格畸變大，殘余應(yīng)力高，組織中馬氏體含量越高，晶格畸變程度越大，金屬的硬度越高，殘余應(yīng)力越高，金屬的沖擊韌性越差。殘余奧氏體具有良好的塑形和一定的韌性，金屬組織中殘余奧氏體含量越高，金屬的硬度和殘余應(yīng)力往往越低，金屬的韌性一般越好。

不同預(yù)熱溫度的試樣合金元素過渡如圖2所示。由圖可知，不同預(yù)熱溫度的堆焊試樣母材與焊絲的主要合金元素過渡差異很大。母材中存在一定數(shù)量的晶格缺陷，晶格缺陷的數(shù)量是影響元素?cái)U(kuò)散的主要因素。預(yù)熱溫度為50 ℃時(shí)，熔合線附近的元素含量變化不明顯，而母材和焊絲的成分本身存在較大差異，表明母材與堆焊焊絲之間元素?cái)U(kuò)散量大；經(jīng)過50 ℃預(yù)熱后，由于母材的預(yù)熱溫度低，不能消除母材中的晶格缺陷，在堆焊過程中，母材中存在的晶格缺陷會(huì)增大元素的擴(kuò)散速率，母材與堆焊層焊絲之間的元素?cái)U(kuò)散速率大，導(dǎo)致母材與堆焊層之間的元素含量差異小。預(yù)熱溫度為100 ℃時(shí)，熔合線附近的合金元素含量變化最大，變化幅度明顯大于經(jīng)過50 ℃和150 ℃預(yù)熱的堆焊試樣；經(jīng)過100 ℃預(yù)熱后，母材中的合金元素?cái)U(kuò)散速度快，消除母材中的部分晶格缺陷，母材中的晶格缺陷含量降低。在堆焊時(shí)，晶格缺陷含量降低導(dǎo)致元素?cái)U(kuò)散速率降低，使母材與堆焊層之間的合金元素出現(xiàn)較大的差異。相比100 ℃預(yù)熱，經(jīng)過150 ℃預(yù)熱后，焊接熱輸入量變大，導(dǎo)致母材與熔池之間的元素?cái)U(kuò)散速率變快，母材與堆焊層之間的元素含量差異變小。

(a) 50 ℃(200×) (b) 100 ℃(200×)

焊絲中主要合金元素Cr擴(kuò)散到Q345R母材中，會(huì)使熔合線附近母材的碳當(dāng)量增加，在堆焊冷卻過程中更容易生成馬氏體，因此，經(jīng)過50 ℃和150 ℃預(yù)熱后，堆焊熔合區(qū)的類馬氏體帶較寬。馬氏體含量升高導(dǎo)致堆焊熔合線附近組織硬度升高，殘余應(yīng)力增大。

2.2 預(yù)熱溫度對(duì)維焊性能的影響

影響金屬穩(wěn)定性的主要因素是殘余應(yīng)力的最大主應(yīng)力。沖擊吸收功反映了材料的沖擊韌性，同一種材料殘余應(yīng)力越大，沖擊韌性越差。不同預(yù)熱溫度堆焊殘余應(yīng)力和沖擊韌性如圖3所示。由圖可知，經(jīng)過100 ℃預(yù)熱后，堆焊殘余應(yīng)力最小，沖擊韌性最好，表明材料的穩(wěn)定性最高；經(jīng)過50 ℃預(yù)熱后，焊接殘余應(yīng)力最大，結(jié)合顯微組織分析可知，經(jīng)過50 ℃預(yù)熱后，堆焊熔合區(qū)類馬氏體帶最寬，焊縫區(qū)存在大量板條狀馬氏體。馬氏體晶格畸變程度大，硬度高，殘余應(yīng)力大，沖擊韌性低。經(jīng)過100 ℃預(yù)熱后，殘余應(yīng)力為327.8 MPa，沖擊吸收功為35.1 J；經(jīng)過50 ℃預(yù)熱后，殘余應(yīng)力為570.8 MPa，沖擊吸收功為32.9 J。殘余應(yīng)力下降了42.6%，沖擊韌性提高了7%。經(jīng)過100 ℃預(yù)熱后，堆焊熔合區(qū)類馬氏體帶最窄，殘余奧氏體含量最高，殘余奧氏體比馬氏體硬度低，具有一定的韌性，試樣殘余應(yīng)力最低。經(jīng)過100 ℃預(yù)熱后，堆焊熔合區(qū)的類馬氏體帶寬度介于50 ℃和150 ℃預(yù)熱后的寬度，堆焊試樣殘余應(yīng)力介于50 ℃和150 ℃預(yù)熱后的殘余應(yīng)力，但是沖擊韌性最小，推測(cè)可能是由于預(yù)熱溫度高，焊接熱輸入量大導(dǎo)致熔合區(qū)存在夾渣，造成沖擊韌性降低。殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果、沖擊韌性的測(cè)試結(jié)果基本與組織分析結(jié)果一致。

(a) 50 ℃ (b) 100 ℃

圖3 不同預(yù)熱溫度堆焊熔合區(qū)殘余應(yīng)力和沖擊韌性

不同預(yù)熱溫度堆焊試樣顯微硬度如圖4所示。由圖可知，不同預(yù)熱溫度下的堆焊試樣自母材向堆焊層顯微硬度的變化趨勢(shì)均是先增大后減小。預(yù)熱溫度為50 ℃時(shí)，試樣從母材到堆焊熔合區(qū)顯微硬度梯度變化最大，在距離熔合線0.3 mm處堆焊層顯微硬度達(dá)到最大值467.4 HV0.3；在距離熔合線2.25 mm處堆焊層顯微硬度大幅度下降。預(yù)熱溫度為100 ℃時(shí)，試樣從母材到堆焊熔合區(qū)顯微硬度梯度變化最小，在距離熔合線0.5 mm處堆焊層顯微硬度達(dá)到最大值270.2 HV0.3。預(yù)熱溫度為150 ℃時(shí)，試樣的顯微硬度在熔合線處達(dá)到最大值390.4 HV0.3。顯微硬度梯度變化大，表明金屬組織之間的差異大，在一定程度上，硬度梯度變化大的金屬材料組織過渡性差，材料穩(wěn)定性較差，更容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力。預(yù)熱溫度為100 ℃時(shí)顯微硬度最小，表明在熔合線附近生成的硬質(zhì)相最少，殘余應(yīng)力最低。

圖4 不同預(yù)熱溫度堆焊試樣顯微硬度梯度

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況

某項(xiàng)目盾構(gòu)刀盤直徑為15 m，刀盤質(zhì)量約535 t。刀盤分13塊，包括6塊主梁塊、6塊副梁塊和1塊中心塊。刀盤布置常壓滾刀83把、常規(guī)滾刀6把、常壓切刀52把和常規(guī)刮刀155把。刀盤結(jié)構(gòu)如圖5所示。刀盤現(xiàn)場(chǎng)組焊布置示意圖如圖6所示。主體結(jié)構(gòu)為箱體式，各分塊間先通過螺栓和定位銷連接，再焊接成一個(gè)整體。

圖5 刀盤結(jié)構(gòu)

基于前期的理論和試驗(yàn)研究，對(duì)刀盤進(jìn)行焊接作業(yè)，焊接過程中控制預(yù)熱溫度為90～110 ℃。使用紅外測(cè)溫儀測(cè)量預(yù)熱溫度，對(duì)預(yù)熱溫度不滿足要求的重新預(yù)熱。具體焊接要求如下：

1)刀盤平面度。以中心塊大法蘭為基準(zhǔn)調(diào)整中心塊水平，用水平儀測(cè)量平面度，保證在1 mm以內(nèi)。組裝各邊塊時(shí)調(diào)整平面度，先以常壓滾刀刀筒安裝孔加工面及常壓切刀焊接座加工面為基準(zhǔn)，測(cè)量調(diào)整平面度，保證平面度在3 mm以內(nèi)；再以各帶壓刮刀刀具最高點(diǎn)為基準(zhǔn)，測(cè)量調(diào)整平面度，保證平面度在5 mm以內(nèi)。

2)刀盤半徑。組裝各邊塊時(shí)根據(jù)刀具設(shè)計(jì)的軌跡半徑調(diào)整，滾刀軌跡半徑在設(shè)計(jì)尺寸基礎(chǔ)上保證誤差在±5 mm以內(nèi)。

3)復(fù)核刀具半徑及刀盤平面度。以刀具定位工裝底座中心孔為基準(zhǔn)，吊線墜，復(fù)核所有刀具軌跡半徑；在刀盤外部架設(shè)水平儀，測(cè)量每把滾刀的高度，復(fù)核刀高平面度。刀盤滾刀半徑測(cè)量如圖7所示。

4)加焊筋板。焊接前先在待焊焊縫兩側(cè)加焊筋板支撐，以減少焊接變形。在每個(gè)主梁邊塊和中心塊對(duì)接口的四面各加2塊，每個(gè)主梁加8塊筋板，共48塊。

5)組對(duì)間隙。邊塊與中心塊對(duì)接焊縫，大圓環(huán)對(duì)接焊縫處組對(duì)間隙需保證在3 mm以內(nèi)，大于3 mm時(shí)必須對(duì)坡口補(bǔ)焊以減小間隙；其余接頭處組對(duì)間隙需保證在4 mm以內(nèi)，大于4 mm時(shí)必須對(duì)坡口補(bǔ)焊以減小間隙；補(bǔ)焊時(shí)不得將坡口連接。

圖6 刀盤現(xiàn)場(chǎng)組焊布置示意圖 (單位： mm)

圖7 刀盤滾刀半徑測(cè)量示意圖

6)焊接順序。先焊接邊塊與中心塊連接焊縫，再焊接副梁焊縫，最后焊接大圓環(huán)焊縫及其他焊縫。單個(gè)邊塊與中心塊連接的焊縫順序： 先焊接側(cè)板對(duì)接焊縫，再焊接前面板對(duì)接焊縫，最后焊接后面板對(duì)接焊縫。側(cè)板對(duì)接焊縫焊接順序： 先焊接刀盤內(nèi)部立焊縫一半深度，清根后再焊接完成刀盤外部立焊縫，最后將刀盤內(nèi)部立焊縫焊接完成。以上焊縫焊接時(shí)需由2名焊工分別在左、右兩側(cè)同時(shí)立向上焊接，焊接方向與焊接速度保持一致。每道焊縫都要從最下邊焊至最上邊后，才可進(jìn)行下一道焊縫的焊接，禁止在同一位置多道排焊。焊縫寬度小于15 mm，預(yù)熱溫度為90～110 ℃。前面板對(duì)接焊縫焊接順序： 先焊接完成刀盤內(nèi)部仰焊縫，清根后焊接刀盤外部平焊縫。每道焊縫都要從一端300～400 mm長(zhǎng)的小段退焊至另一端后，才可進(jìn)行下一道焊縫的焊接，禁止在同一位置多道排焊。仰焊縫寬度小于15 mm，平焊縫寬度小于10 mm且不得擺動(dòng)，預(yù)熱溫度為90～110 ℃。后面板對(duì)接焊縫焊接順序： 先焊接刀盤內(nèi)部平焊縫一半深度，清根后焊接完成刀盤外部仰焊縫，最后焊接完成刀盤內(nèi)部平焊縫。每道焊縫都要從一端分300～400 mm長(zhǎng)的小段退焊至另一端后，才可進(jìn)行下一道焊縫的焊接，禁止在同一位置多道排焊。仰焊縫寬度小于 15 mm，平焊縫寬度小于10 mm且不得擺動(dòng)，預(yù)熱溫度為90～110 ℃。

7)每層的各道焊縫應(yīng)從坡口兩側(cè)向中間推進(jìn)，不得從坡口一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn)。

刀盤現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊接完成后，對(duì)分塊連接面處焊縫通過UT探傷進(jìn)行無損檢測(cè)，探傷等級(jí)參照GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測(cè)超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》、驗(yàn)收等級(jí)按GB/T 29712—2013《焊縫無損檢測(cè)超聲檢測(cè)驗(yàn)收等級(jí)》執(zhí)行。UT探傷報(bào)告顯示： 檢測(cè)技術(shù)等級(jí)B，合格級(jí)別2，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷顯示，一次合格率為100%。

在對(duì)切口環(huán)和封頂塊進(jìn)行焊接時(shí)，由于焊接質(zhì)量不合格，反復(fù)焊接了4次才通過驗(yàn)收。切口環(huán)和封頂塊在進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)空間狹小，焊接過程中監(jiān)管存在缺失，焊工未完全按照技術(shù)交底對(duì)焊接部位進(jìn)行預(yù)熱，導(dǎo)致焊后變形量大，切割后重新焊接，重復(fù)焊接3次后外觀才符合標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)行UT探傷，得出探傷檢測(cè)結(jié)論： 該盾體焊縫經(jīng)UT檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)6處超標(biāo)缺陷顯示，缺陷長(zhǎng)度為8 260 mm，一次合格率為58.7%。返修處理時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行焊接技術(shù)交底，對(duì)焊接部位預(yù)熱90～110 ℃后進(jìn)行焊接，復(fù)檢合格。

4 結(jié)論與討論

1)不同預(yù)熱溫度的堆焊顯微組織分為焊縫區(qū)、熔合區(qū)、粗晶區(qū)。焊縫區(qū)主要由奧氏體組成，熔合區(qū)由類馬氏體帶組成，粗晶區(qū)由鐵素體和珠光體組成。類馬氏體帶主要由馬氏體和殘余奧氏體組成。經(jīng)過50 ℃預(yù)熱后，堆焊熔合區(qū)類馬氏體帶最寬；經(jīng)過100 ℃預(yù)熱后，堆焊熔合區(qū)類馬氏體帶最窄。

2)經(jīng)過100 ℃預(yù)熱后，相較50 ℃預(yù)熱的堆焊試樣殘余應(yīng)力下降了42.6%，沖擊韌性提高了7%；相較150 ℃預(yù)熱的堆焊試樣殘余應(yīng)力下降了31.5%，沖擊韌性提高了32.9%。經(jīng)過100 ℃預(yù)熱后，堆焊試樣熔合線附近的顯微硬度變化幅度最小，組織過渡好。

3)預(yù)熱溫度對(duì)刀盤堆焊修復(fù)存在很大影響，本試驗(yàn)條件下綜合考慮刀盤材料堆焊組織和性能，Q345R低合金高強(qiáng)鋼堆焊的最佳預(yù)熱溫度為100 ℃。

4)由于實(shí)際堆焊過程中精確控制溫度為100 ℃存在一定難度，所以實(shí)際選擇預(yù)熱溫度為90～110 ℃。盾體切口環(huán)和封頂塊的材料為Q345B，與刀盤材料Q345R存在一定的差異，但主要合金元素含量相同，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中仍采用90～110 ℃預(yù)熱，取得了良好的效果。

本試驗(yàn)僅選擇了3個(gè)預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度選取的點(diǎn)較少、溫度范圍較寬，結(jié)論不能反映隨著預(yù)熱溫度的升高堆焊組織性能的變化規(guī)律。另外，本試驗(yàn)僅研究了預(yù)熱溫度對(duì)堆焊組織性能的影響，而層間溫度對(duì)堆焊組織性能的影響不容忽視，后續(xù)可對(duì)此做進(jìn)一步研究。