张泽政
（中国铁建重工集团股份有限公司，湖南 长沙 410100）
近来年，我国的盾构机制造行业高速发展，为了能够顺应时代的发展，而盾构机制造逐渐呈现安全化、环保化、舒适化，同时人们对于盾构机零件的质量以及制造水平也有了更高的要求。而在制造过程中，焊接工艺成为了具有典型代表性的工艺。在刀盘盾体的生产过程中，焊接是一种常用的关键工艺，也是一种特殊工艺，随着生产线不断向自动化智能化发展，焊接生产线也开始被自动智能所控制，焊接质量水平也在不断提高。
在机械设施生产过程中，采用手动焊接技术进行中板焊接会发生一系列的质量问题，会导致生产制作结果和预期结果不匹配而产生技术标准偏差，从而使机械设备焊接质量不理想，甚至会导致安全问题、应用周期缩短问题和影响设备正常运转问题。在利用手动技术进行中厚板焊接过程中，常常发生技术应用设计与外部成型不匹配的情况，比如说会产生焊接裂缝，焊接裂缝与四周的焊接板会产生开裂现象，这些问题都是因为焊接过程中预热工作处理不完善，无法保证焊接前的有效温度。如果焊接前的预热时间过长，会导致焊接接口钢渣四溢的情况，而如果焊接温度过低，预热时间过短，则会产生焊接质量低下、焊接焊接强度不够的情况。此外，如果在中厚板的手动焊接实践中出现了大量的气孔、夹渣、开裂现象，会影响机械设备的正常操作和运转，那么手动焊接技术来说就会形成一种前功尽弃的局面，严重的还会影响设备的正常运转，以及安全生产事故。因此在实际的设备操控进程处理中，一定要采用自动化焊接技术，保证焊接表面不会出现溜汗溜和开裂现象，保证焊接外观的完整性，不出现夹渣、开裂和气孔的现象。
2.1 试验条件及方法
测试选择盾构机使用的50 mm 厚度Q345D低合金钢板材作为对接焊缝测试，板料规格为400 mm×125 mm×50 mm；
在连接前先去除连接接头表层的铁锈、污垢、水分等污物，在连接前进行加热处理直至100 ℃后采用全自动化MAG 连接测试，并且打底层连接采取深熔焊接方式，而补充顶盖外面层则采取迅速脉冲方式完成连接；
在测试过程中，选取了CLOOS QRC-E-350弧焊机器人以及可以完成深熔焊接的CLOOS 脉冲一元式MIG/MAG 焊接电源进行相应的试验，选择的填充材料的相关参数详情为ER50-6焊丝（φ1.2 mm），防护气体由两部分组成，其中80%为Ar，另外20%为CO2，焊缝坡口形式如图1所示；
焊缝后24 h 内对焊缝开展超声（UT）检测，据观察，焊缝质量分级并未违背NB/T47013.3I 级标准；
利用超声波探伤检测，当确定其达到既定标准后，需要适时进行连接技艺测评试验，主要内容包括3个部分，分别为拉长测试、扭曲测试以及撞击试验，其中每一部分测试情况如下：拉长测试、扭曲测试以及撞击测试个数分别为2、4、6 个；
在开展这三方面试验时，其所需要遵循的标准以NB/T47014—2011《承压装置焊接工艺评价》的规范设计样式为主要依据。
图1 焊接坡口形式
2.2 焊接品质干扰原由
为了得到性能更优异的焊缝接头，必须通过比较各种焊缝工艺要求下的UT 探伤详情，然后明确哪种参数更趋于合理化。结合调查情况分析，在扰乱焊接品质的诸多因素中，接头缝隙的大小、钝边尺寸以及焊丝伸出的长度等产生的影响较大。
2.2.1 对接空隙
在深入分析接头缝隙对焊接质量的干扰时，共计设计了4个试验，在这4个试验中，需要依次改变接头缝隙的参数，将其分别设定为0 mm、1 mm、2 mm以及3 mm；
结果认为在各焊接参数一致，并且不经过反向清根的前提下，当缝隙在2 mm 及以下时，则获取到优质的接头的可能性就会越高，并且对接空隙参数值越小，所得到的深熔焊的成效也就越理想，究其原因，重点在于应用深熔焊时，穿透的强度比较突出，如果对接空隙参数值比较大，则在焊接过程中，融化的金属可能会沿着缝隙流走，进而出现在坡口另一边，如果积聚的金属溶液过多，则会在背部坡口下方产生了中间的突出焊接，在背部采用打底焊缝时则极易产生未熔化的缺陷；
不仅如此，由于自动焊装配要求较高，缝隙越大就越发不受操控，所以，在实施自动深熔焊时，将装配缝隙应该尽可能地限制在2mm 范围内。
2.2.2 钝边
为了明确分析钝边尺寸对于焊接的质量影响，共计设计了4个试验，在这4个试验当中，将钝边尺寸视为自变量，将其长度参数值设定为1 mm、2 mm、3 mm 以及5 mm，然后进行实际试验；
统计整理试验结果后发现，当焊缝参数值保持一致不变的前提下，且在不进行全面清根的背景下，当钝边长度在2～3 mm 时，焊缝连接质量达标的可能性十分高；
如果钝边长度低于这一有效范围，则在正向打底焊缝过程中，则比较容易在斜坡背面处产生十分突出的中间焊缝，并且在背部打底焊缝时，还会出现不熔融的异常问题；
如果钝边长度超过这一有效范围，则熔透成效会呈现出不理想的状态，在这种情况下，要想得到全熔透焊缝接口十分困难，所以，为得到符合要求的全熔透焊缝接口，钝边大小最好控制在2～3 mm。
2.2.3 延伸长度
为了进一步提高焊缝效率，在不对坡口角度加以改变的状态下，喷管口径变大，在实施打底焊时，延伸长度也越大；
由于焊丝的伸展宽度增加等的影响，进而会导致熔深过浅问题的发生。基于这一问题，在保障其他焊缝参数值不发生改变的前提下，依次采用了喷嘴11 mm 内径（伸展长度15 mm）、13 mm（伸展长度18 mm）、16 mm（伸展长度为23 mm）及19 mm（延展长度27 mm）的喷嘴上通过了焊接测试，结果认为焊丝伸出在15～20 mm，更容易得到合格的全熔透焊缝；
所以，在采用打底层焊时，应选用小喷头（11 mm，13 mm 内径）来调节焊丝伸出的长度。
在完善的工艺参数要求下得到的，正向第1道打底焊缝连接完毕后正反向焊接外观形态，和连接工作全面结束后的焊接工作表面宏观环境状貌；
在正向第1道打底焊缝连接完毕后，在正反向均生成了一致水平的连接，进行单面焊双侧成形；
焊缝表面连续平顺并带有规范的鱼鳞状纹，且焊缝成型性好，深焊后的焊接接头UT 探伤检验合格；
表明在理想的工艺条件下，采用深熔焊接技术和自动连接技术，能够消除反面清根工序，从而得到更有效的焊缝连接。
2.3 盾构机中厚板的自动化焊接质量分析
为了能够深入分析深熔焊接工艺和自动连接工艺技术所焊厚板的可行情况，对新获得的焊接试样开展了力学性能检测，从表1～表3可知，新焊接样品的抗拉硬度为558 MPa，与母材的抗拉硬度相等；
在弯心孔径d=3a（a为试样层厚），弯折夹角为180°条件开展弯折实验，试样表面无任意开口问题；
在-20 ℃条件开展撞击实验，焊缝区平均值撞击吸收能量为145 J，热影响区平均值撞击吸收能量为91 J，均大于31 J；
拉伸、扭转与撞击特性均达到NB/T47014—2011《承压设备焊接工艺评价》的规定。这样，在焊接充分的前提下，借助深熔焊接以及自动化焊接技术可以促使焊接品质更为优良，其力学性能可以达到既定要求。
表1 拉伸实验结果
表2 弯曲试验结果
表3 -20 ℃条件下冲击实验结果
3.1 坡口加工与装配
在中厚板的自动化焊接过程中，要控制铆桩尺寸的平均值，平均值相差数值不应该过大，必须贯彻执行国家标准。在坡口制作和铆装过程中，必须符合行业的平均标准。
3.2 焊接材料筛选与焊剂配比
在焊接材料的筛选过程中和焊剂的配比过程中，要严格按照相关的标准来进行筛选和配比，其中必须要考虑被焊接器材的构架材质，同时也要考虑焊接电流的品类，要保证工艺性和外观的兼顾，使焊接过程符合力学性能，保证焊接颗粒平均度，同时要兼顾烘干环境的优化。
3.3 焊接过程中的检查
中厚板的自动化焊接过程和薄板的焊接过程不同，因为它涉及到厚度材料的穿透问题，所以很容易在焊接壁上产生一系列的质量问题，例如夹渣、气孔和开裂问题。一般中厚板的焊接过程需要花费几个小时甚至十几个小时才能完成，一个整体构件的完成需要一步一趋、一边施工一边检查，这对于焊接过程的完整性和优质性具有十分重要的作用。要在焊接过程中不断发现不规范的问题，一旦发现不符合焊接目标的问题，应该及时停工进行整改。
3.4 焊接规范参数控制
在自动化焊接中空板的过程中，应当严格按照焊接规范参数控制进行。参数的规范性影响着熔池的作用时间、影响着熔池的搅拌作用机制，从而对氢气孔的产生具有重要的影响。一般在采用自动埋弧焊接时，不会产生氮气孔，这种技术是一种优化后的中厚板焊接技术，需要在科学的参数设置之下。而一旦技术参数设置不规范，就容易在生产过程中产生气孔。气孔的类型包括贯穿性气孔，气孔的性质为氢气孔。为了避免这种情况发生，要规范化技术应用特点，强化技术应用标准、设置标准化的参数。因为在中厚板焊接过程中，毕竟熔池的深度较深，气体释放的时间较长，所以容易发生氢气孔的现象。在参数的设置中要使用大电流低电压迅速焊接的中厚板连接技术，要提升熔池持续的时间。这有利于气体的溢出。在参数设计的过程中，要适当调整焊接速度，防止影响焊接区金属过热焊缝的力学性能。在整个焊接过程中，具体参数设置如下：焊接电流控制在4%～5%，而焊接速度也相比手动的焊接技术增快2%，电弧电压确保在日常的焊接电压区间即可。
经过以上自动化中厚板焊接技术的实施要点，总结出以下技术实施规范：①在不采取反面清根处理的前提下，应该借助深熔焊和自动化焊接技术，使对接缝隙≤2 mm，钝边区间位于2～3 mm，实施打底焊接过程中利用小喷嘴方案，可以快速形成优良的全熔透焊接头；
②通过焊接工艺的改善，能够获得优良的焊接头，焊接头的性能变得优质，能够在延伸度、弯曲度和冲击度等方面得到全面改善；
③借助深熔焊与自动化焊接技术，可以完成批量加工，在变速箱等零部件加工领域，具有重要应用。