盾构机分块式刀盘现场拼装焊接流程及控制办法

盾构机刀盘是盾构掘进机核心部件之一，主要用于破碎地层、支撑刀具和传力。由于刀盘尺寸较大且整体运输困难，通常采用分块式设计，并在施工现场进行拼装焊接。本文从刀盘拼装焊接的具体流程出发，探讨其控制办法，为盾构施工提供技术指导。

一、盾构机分块式刀盘的结构特点及焊接要求

1.分块式刀盘的设计及功能分析

分块式刀盘设计旨在应对复杂施工环境与运输限制。它将整体刀盘拆分为多个模块，便于运输至施工现场。各模块依据不同功能需求设计，边缘刀块负责切削土体轮廓，中心刀块承担核心部位挖掘任务，刮刀、切刀等不同刀具安装在对应刀块上，协同作业。刀盘表面通常设有耐磨层，增强抵抗土体磨损能力。

2.刀盘现场拼装焊接的工艺要求

刀盘现场拼装焊接工艺要求严苛。首先，焊接材料需与刀盘母材匹配，保证焊缝强度与韧性。焊接前，对焊接部位进行严格清理，去除油污、铁锈等杂质，确保焊接质量。焊接过程中，采用合适焊接方法，如二氧化碳气体保护焊，控制焊接电流、电压、焊接速度等参数，保证焊缝成型良好，无气孔、裂纹等缺陷。

3.焊接质量对盾构机性能的影响

焊接质量直接关乎盾构机性能。优质焊接使刀盘各分块连接牢固，在掘进过程中能承受巨大切削力与土体压力，保证刀盘结构完整性，避免因焊缝开裂导致刀盘损坏，影响施工进度。焊接质量良好的刀盘，运转时平衡性佳，减少振动与噪音，降低设备磨损，延长盾构机使用寿命。

二、分块式刀盘现场拼装焊接的流程

1.焊接前的准备工作：材料检查与拼装定位

焊接前，材料检查至关重要。对刀盘分块母材进行硬度、化学成分检测，确保符合设计要求。焊接材料同样严格检验，核对型号、批次，检查外观有无缺陷。拼装定位环节，利用高精度测量仪器，依据设计图纸精确调整各分块位置，保证分块间对接间隙均匀，错边量控制在规定范围内。采用定位工装固定分块，防止焊接过程中位移，为后续焊接施工奠定良好基础，保障焊接精度与质量。

2.分块对接与焊接施工工艺

分块对接时，先进行点固焊，固定分块相对位置。随后开展正式焊接，遵循既定焊接工艺参数。对于角焊缝，采用船形焊位置施焊，保证焊缝成型美观、质量可靠。焊接过程中，焊工密切关注焊缝情况，及时调整焊接参数。多层多道焊接时，控制每层焊缝厚度与宽度，保证层间熔合良好。

3.焊接完成后的质量检验与应力释放

焊接完成后，进行全面质量检验。外观检查焊缝表面有无气孔、咬边、焊瘤等缺陷，尺寸是否符合标准。采用无损探伤方法，如超声波探伤、射线探伤，检测焊缝内部质量，确保无裂纹等严重缺陷。针对焊接产生的残余应力，采用振动时效、热时效等方法进行应力释放。振动时效通过激振器使刀盘产生共振，消除部分应力；热时效则将刀盘加热至一定温度并保温，缓慢冷却，释放应力，提高刀盘焊接质量与使用寿命。

三、现场拼装焊接的控制办法

1.焊接变形的预测与控制方法

焊接变形对盾构机分块式刀盘的精度与性能影响深远，因此提前精准预测与有效控制至关重要。有限元分析软件在此过程中发挥着核心作用，它基于复杂的数学模型，将焊接过程中的材料特性、热源分布、边界条件等因素纳入模拟。如 ANSYS，它是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，能与多数 CAD 软件接口实现数据共享与交换。其前处理模块可方便构建有限元模型，分析计算模块涵盖多种分析类型，后处理模块能以丰富图形、图表形式展示结果。通过模拟，能直观呈现焊接时刀盘各部位的变形趋势，精确量化变形程度，为后续控制措施提供有力依据。在实际施工中，刚性固定法是常用手段，特制的高强度夹具紧密贴合刀盘分块，配合稳固的支撑结构，将分块牢牢固定，极大限制焊接时因热胀冷缩引发的位移。焊接顺序的合理规划也不可或缺，先对收缩量大的焊缝施焊，利用后续焊缝的收缩力平衡前期变形。

2.焊接应力释放及焊接过程温度控制

焊接应力如同隐藏在刀盘结构中的隐患，会显著降低刀盘强度，必须妥善释放。除了常规的振动时效与热时效处理，焊接过程中的温度控制是关键一环。焊接电流、电压与焊接速度紧密关联着焊接热输入量，通过精确调节这些参数，可避免刀盘局部过热。例如，在焊接较薄刀盘分块时，适当降低电流、提高焊接速度，减少热量积聚。多层多道焊接时，层间温度的严格把控尤为重要，过高温度会使焊缝金属晶粒粗大，降低其韧性与强度。借助红外测温仪，能实时监测焊接区域温度，一旦温度偏离预设范围，焊工可迅速调整焊接参数，如增大或减小电流、调整焊接速度。

3.质量管理与焊接缺陷的预防对策

构建完善的质量管理体系是保障盾构机分块式刀盘焊接质量的基石。人员方面，对焊工进行严格资质审查，只有具备丰富经验与专业技能的焊工才能参与施工，并定期开展技能培训，使其掌握最新焊接工艺与技巧。焊接材料管理同样严格，从采购源头把控，仔细核对型号、批次，对每一批次材料进行抽样检测，确保材料性能稳定。设备维护不容忽视，定期对焊接设备进行深度保养，校准焊接参数，保证设备性能处于最佳状态。工艺管理上，制定详细且严格的焊接工艺规程，要求焊工严格执行。

4.多层多道焊的说明及缘由

多层多道焊是指在焊接较厚焊件时，将焊缝分成若干层，每层又由多道焊缝组成的焊接方法。采用多层多道焊，主要是为了提高焊接质量。一方面，它能有效控制焊接热输入，避免因单次热输入过大导致焊缝金属过热，使晶粒粗大，降低焊缝的力学性能。另一方面，后续焊道对前一焊道有热处理作用，能改善前一焊道的组织性能，细化晶粒，增强焊缝的强度与韧性。

四、结语

盾构机分块式刀盘现场拼装焊接是一项技术含量高、操作难度大的关键工序。未来，可结合智能化焊接设备和数字化监测技术，进一步优化刀盘焊接施工工艺，为盾构机的稳定运行和高效掘进提供更加可靠的技术保障。

参考文献

[1]宋永生.复杂地层盾构机刀盘设计分析[J].机械管理开发,2024,39(12):83-86.

[2]石世勇.大直径盾构机刀盘分块组装分析研究[J].工程建设与设计,2024,(17):209-212.