盾构机机加工后的连接法兰焊接变形控制工艺研究.docx

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Summary：本文通过优化装配顺序、采用合理的加强、改进焊接顺序、应力释放四种方法，解决了盾构机机加工后的连接法兰，由于焊接变形导致连接法兰产生间隙、螺纹孔错位的问题。
Keys：焊接变形、优化装配、加强、焊接顺序、应力释放


盾构机全名为盾构隧道掘进机或全断面隧道掘进机，是一种使用盾构法的隧道掘进机具。主要由掘进系统、同步注浆系统、出渣系统、渣土改良系统、拼装系统、密封系统、导向系统等组成。盾构本体由前盾、中盾、尾盾组成。
德国海瑞克的盾构有几种类型，其中一种类型的前盾是由1/4圆拼接成一个整圆，中盾由两个1/2圆拼接成一个整圆（图1和图2）。传统的机加工方式是将中盾两个半圆连接的法兰板留10mm机加工余量，待整个中盾所有的内部零件焊接结束后再整体加工法兰面，法兰面的平面加工好，螺栓孔钻好，再整体组装成一个整圆。这种方式的缺点是加工成本非常高、加工难度增加、加工周期长。为降低加工成本、提高生产效率。我们现在采用一种新的制作工艺，即先把两个半圆的连接法兰的平面加工好，螺栓孔钻好，用螺栓把两个连接法兰敲紧，再将两个连接法兰整体焊接到中盾上面。这样做要解决两个关键问题：
第一：连接法兰和中盾筒体焊接时肯定会产生焊接变形，即两边的焊缝会把连接法兰向焊缝的位置拉开，连接法兰面肯定会有间隙，一旦有间隙盾构机在地下工作就会有水渗进，这对盾构机来说是一个非常严重的质量问题。
第二：焊接产生的应力会导致螺栓孔产生错位，如果错位严重可能会把螺栓拉断，而螺栓孔错位导致的结果是两个半圆拆开困难。即使借助外力强制性把两个半圆拆开，工地上再次把两个半圆合拢组装也很困难，严重的还会导致盾构机报废的情况发生。
怎样解决以上两个问题，本工艺通过采用合理的焊接方式，优化了装配步骤，解决了以上两个问题。
图1中盾连接
   
图2中盾实物
2、技术要求
，，直径圆度要求公差±。连接法兰的机加工面技术要求：
1）；
2）盾构两个半圆释放应力后需要重新组装，螺纹孔的错位不得超过1mm。
3、连接法兰焊接变形控制工艺
针对连接法兰焊后产生间隙和螺栓孔错位的问题，必须要从装配顺序、加强、焊接方法、减少应力等方面设计切实可行的工艺方法，从而保证法兰的间隙、螺栓孔的错位量满足图纸要求：
1）采用合理的装配顺序
要想保证连接法兰没有焊接变形，就要减小中盾与法兰的焊接拉力，两个连接法兰必须单独为一个零部件。如果先焊接连接法兰和中盾的两条焊缝，再焊中盾上的其余焊缝，这样其余焊缝会对连接法兰有不规则的拉力，会存在增大连接法兰间隙的风险。我们的做法是先把中盾上其它的零部件全部装配、焊接完 ，并把中盾的圆度校调好，最后两个连接法兰作为一个整体部件装配到中盾上（图3）。连接法兰和中盾的两条焊缝为中盾上的最后两条焊缝，这样就能避免焊接中盾其余位置的焊缝对中盾连接法兰产生拉力。用此方法，消除了中盾其它位置的焊缝对连接法兰的拉力，仅有连接法兰的两条焊缝产生拉力，大大降低焊接对连接法兰间隙的影响。
图3两个法兰连接板敲紧螺栓
2）采用合理的加强
        焊接可能会导致连接法兰错位和扭曲，这样在拆分两个半圆时螺栓很难拔出来，如果硬拆螺栓甚至会断在法兰里面。为了解决此问题，两个连接法兰螺栓打紧后，在没有装配到中盾上前用马板在板厚方向做一圈加强，如下图4所示，这样就防止法兰在焊接时受到焊接变形，解决了螺栓孔错位的情况发生。
  
图4连接法兰板厚方向加强
3）改进焊接方法
对于传统的焊接顺序如下图5，先把连接法兰外侧面的两条焊缝焊一半（步骤一），再把内侧的两条焊缝焊一半（步骤二），然后把外侧的两条焊缝焊满（步骤三），最后把内侧的两条焊缝焊满（步骤四），～1mm的间隙产生。经过反复实践采取以下焊接方法，先将上半圆的焊缝焊完，下半圆的焊缝暂时不焊接。按照图示6焊接顺序，先焊接上半圆外侧焊缝的一半（步骤一），焊接上半圆内侧焊缝的一半（步骤二），上半圆外侧焊缝焊满（步骤三），上半圆内侧焊缝焊满（步骤四），一
边焊接一边用小锤敲击焊缝周围释放应力，多层多道焊接时注意控制层间温度，不能过热。待上半圆的内外侧焊缝焊后，中间间隔一天时间释放应力。在此焊接过程中，两个法兰始终是敲紧螺栓的，焊缝对法兰的拉力始终是一个方向，而不是向两个相反的方向拉法兰。紧接着按照焊接上半圆法兰的步骤焊接下半圆外侧法兰，此时内外侧两个焊缝同时焊接，里面一道外面一道，等内外侧的焊缝都焊一半的时候停止焊接，间隔一天再继续焊接，同样的里面一道外面一道，直至两侧焊缝全部焊满。用此方法焊接，焊后连个连接法兰的间隙用3丝塞尺塞不进，完全符合图纸要求。
图5传统的焊接顺序
图6改进的焊接顺序
4）应力释放
连接法兰平面机加工后会有加工应力，先把加工好的法兰静置7天，待加工应力完全释放后对敲螺栓使两个法兰连接在一块，打紧螺栓静置7天后将两个连接法兰拆开静置7天，这样加工应力完全释放，最后将两个连接法兰对敲螺栓装配到中盾上去焊接。待中盾和连接法兰的焊缝完全焊接好后，螺母松掉，将上、下两个半圆拆开，将两个半圆静置2天释放应力（图7）。等应力释放完后将两个半圆重新用螺栓打紧组装进行后道工序，这样重新合拢能检验螺栓孔是否错位，后续两个半圆也顺利在工地合拢组装（图8）
4、结语
经过以上四种方法，解决了法兰间隙、螺栓孔错位的问题，同时将机加工的费用降至原先的十分之一，大大的节约了制造成本。同时也打破传统必须先焊接再机加工的固定思路，传统思维是有焊接机加工面就会有变形，文中所论述的
先机加工再焊接的方法是一种颠覆性思维，为后续其它项目的制作提供了宝贵经验。
 
图7中盾拆成两半释放应力                                                        图8 中盾装配总成
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-全文完-