盾构机刀具刀盘修复堆焊焊丝和耐磨复合钢板研究.doc

盾构机刀具刀盘修复堆焊焊丝和耐磨复合钢板研究赵学彬，孙哲峰，张发云，王建英(北京佳倍德工程技术有限公司，北京 100025)摘 要： 北京地区地层中含有大量的砂砾和卵石，地铁盾构施工时盾构机刀具受到高应力下的磨粒磨损和冲击作用，损耗严重。进口刀具仅能掘进250米左右，这不仅增加了地铁施工成本，影响了施工进程，还增加了因刀具更换次数过多而带来的塌方隐患。本文从刀具的堆焊修复着手开展了盾构机刀具强化研究，开发了SHIELD系列堆焊药芯焊丝。SHIELD系列焊丝所制堆焊层硬度在HRC51以上，堆焊时无需对刀体进行预热和焊后热处理，堆焊层无裂纹。通过冲击实验和磨粒磨损实验，考察了堆焊层的硬度、组织及其磨粒磨损性能，实验结果表明堆焊层具有优异的耐磨耐冲击性能。通过合理的堆焊层设计，强化的盾构机刀具达到掘进780余米的使用寿命。关键词： 盾构机刀具；堆焊；药芯焊丝；冲击；磨粒磨损Abstract: In Beijing area, there are plenty of grit and scree in soil. When shield machine works, its cutters suffer from strong impact and high stress grinding abrasion. And the import cutters service life is just about 250m. It increases the cost and delays the schedule of subway construction, and also takes more dangers for more times of shield cutters replacing. Launched on repairing of the cutters, hardfacing flux-cored wire named SHIELD is devised. The hardness of deposited metal is above to 51HRC. It needs no preheating and after-heating to cutters in welding and there are no cracks in the deposited metal. The hardness, microstructure and performance of deposited metal were researched through impact testing and grinding abrasion testing. The results show that the deposited metal is good at hard-working and bearing of wear abrasion. The service distance of developed cutters is more than 780m through appropriate design of hardfacing layer with SHIELD.Key Words: shield machine; hardfacing; flux-cored wire; impact; grinding abrasion中图分类号：TG47,TG71 文献标识码：A0 引言盾构法是利用盾构机在地面以下暗挖隧道的一种施工方法，具有安全高效、对地面干扰小等优点，是当前城市隧道建设的最佳选择。2001年7月北京地铁五号线盾构试验段进行始发掘进，这是北京地区首次将盾构施工法引入地铁隧道建设。在北京市科委的大力资助下，通过对盾构机刀具、刀盘的详细失效分析，研发了刀具、刀盘修复专用系列堆焊焊丝和耐磨复合钢板，有效解决了刀具刀盘的磨损问题，大幅提高了刀具寿命。1 北京地区地质特征及盾构机刀具失效原因北京市地处永定河洪冲积扇的中上部1，地层中含有大量的砂卵石（见图1），而且一般级配良好，含砂率在25 40之间2，盾构机在此地层中施工远比在砂性土层中施工困难。地铁隧道施工时，盾构机刀具受到强烈的冲击和高应力的磨粒磨损，这是造成刀具迅速失效的主要原因3。图2为刀具的失效形貌图，可见刀具的失效主要是刃口上镶嵌的硬质合金的脱落和折断。刀具作为盾构机的主要损耗件之一，全部依赖进口，不但造价昂贵，运输耗时、耗资，对地铁施工的进程造成了很大的影响,而且频繁更换刀具使得开仓次数增加，加大了塌方危险发生的可能性。因此，开展盾构机刀具、刀盘的修复研究，显得尤为必要。 图1 北京地区地层渣土 图2盾构机刀具失效形貌 图3盾构刀具不同失效部位的SEM分析表1 盾构刀具磨损特性分类表刀具部位内侧本体外侧本体外侧球齿刃口磨损性质犁沟式磨粒磨损犁沟磨损+碾压磨损犁沟磨损+塌陷冲击磨损强度等级较弱很强很强很强通过对进口盾构刀具在砂卵石地层的磨损特点分析，我们得出的结论是：盾构刀具在砂卵石地层施工中，主要的失效形式为：冲击破坏、犁沟式磨粒磨损和碾压磨损。由此，我们开成功开发了盾构机刀具专用耐磨堆焊丝和耐磨复合钢板。2 SHIELD系列药芯焊丝及其性能2.1 SHIELD系列药芯焊丝SHIELD系列焊丝是针对盾构机刀具修复开发的一种堆焊药芯焊丝，直径为1.6mm，采用CO2气体保护焊或者自保护焊（无需保护气体）。SHIELD系列焊丝具有良好的焊接工艺性能，堆焊层焊态硬度可达5864HRC，堆焊层裂纹倾向小，而且可以满足盾构机刀具现场修复时苛刻的施焊要求：难以进行焊前预热和焊后热处理、施焊空间狭小、通风条件差等。其熔敷金属的主要化学成分见表2。表2 堆焊药芯焊丝熔敷金属主要成分(wt.%)CCrNiSiNbMoFe0.1%0.3%5%10%1%3%1%0.5%8%2.5%余量堆焊试样所用的试板为Q235钢板，尺寸为10020010mm，堆焊层数为三层，层间温度控制在150以下。2.2 SHIELD系列药芯焊丝熔敷金属的组织由盾构机刀具的工况可知，刀具既要具备较高的硬度以抵御高应力的磨粒磨损，又要有足够的韧性来吸收砂卵石的冲击。所以选择Fe-Cr-Ni-Nb- Mo等元素组成的合金系设计了SHIELD系列堆焊药芯焊丝。堆焊层冲击前后的组织见图3。可见堆焊层为断续网状的奥氏体（白色）与低碳马氏体（细针状）的混合组织，冲击后堆焊层的组织得到一定的细化，马氏体组织明显增加。 图4 3.5Kg铅球1m自由落体冲击10次前（左图）后（右图）的组织随着冲击次数的增加，堆焊层的耐磨粒磨损性能逐步提高。堆焊层受冲击后，一方面其显微组织中的部分残余奥氏体转变为马氏体，另一方面显微组织得到一定的细化4，堆焊层表面位错增加，使得冲击后堆焊层的硬度增加，耐磨粒磨损性能提高。2.3 盾构机刀盘强化用耐磨复合钢板根据不同地质下的具体工况，专门研发生产不同规格和性能特点的耐磨复合钢板，大幅提高了盾构机刀盘，尤其是刀盘边缘及外侧的耐磨损性能。表3 盾构机刀盘用耐磨复合钢板规格表型号SHIELD-6; SHIELD -8; SHIELD -10可根据具体工况定制其他规格及尺寸的耐磨复合钢板规格（mm）（母板+耐磨层）6+(35)，8+(36)，10+(39)，12+(39)可定制其它规格 图4 耐磨复合钢板的制做与切割图5 耐磨复合钢板强化后刀盘在张自忠站出洞时的磨损情况耐磨复合钢板强化明显提高了刀盘、轮辐及刀盘周边直径侧圈的寿命，直接保护了刀盘本体及刀具安装结构，实现了刀盘与刀具的“同步磨损”，有效解决了因“木桶短板效应”导致的刀具、刀盘不均衡失效问题3堆焊焊丝和耐磨复合钢板的工程应用2005年7月底，经SHIELD系列焊丝刃口堆焊强化的盾构机刀具用于地铁五号线试验段北新桥站至雍和宫站右线隧道掘进施工，其地质条件与使用进口盾构刀具的左线基本相同。到2005年11月开仓检查更换刀具，完成掘进370米，对盾构刀具部分受损严重的部位二次堆焊后，又掘进了50米，开仓检查发现刀具磨损量较少（见图6）。至此，SHIELD系列焊丝修复强化的盾构刀具累计完成420米的掘进，而进口刀具的使用寿命仅为250米，其磨损形貌见图7。随着地铁建设的全面开展，盾构刀具的需求迅速加大，SHIELD系列焊丝修复强化刀具在性能达到并超过进口刀具的基础上，经过进一步改进配方、优化生产工艺，在2007年2月结束的北京市地铁十号线第十一标段农展馆站至亮马桥站左线的施工中，通过SHIELD系列焊丝和耐磨复合钢板强化的盾构机刀具、刀盘一次挖掘长度达780余米，大大超过了进口刀具的使用寿命。SHIELD系列焊丝的研发成功大大节约了地铁施工的成本，推进了地铁建设进程。此外，该系列焊丝和耐磨复合钢板还成功应用于南京、成都、沈阳等多条地铁和过江隧道的施工。 图6 SHIELD焊丝强化的刀具掘进420米后形貌图 图7 进口刀具掘进250米后形貌图4 结论（1）盾构机刀具失效主要是由于刀具受到地层中沙砾和卵石的强烈冲击和高应力的磨粒磨损，表现形式为硬质合金的脱落和折断。（2）SHIELD系列焊丝具有良好的焊接工艺性能，能够满足盾构机刀具修复和强化的施焊要求。堆焊层具有较高的焊态硬度，其显微组织为断续网状的奥氏体和低碳马氏体，具有良好的加工硬化性能和耐磨粒磨损性能。刀盘强化用耐磨复合钢板满足盾构施工工况的要求，大幅提高了盾构机刀盘的使用寿命。（3）SHIELD系列焊丝已成功应用于地铁、过江隧道施工用盾构机刀具的修复与强化，其使用寿命明显长于进口刀具，配合耐磨复合钢板的强化措施，大幅提高了盾构机刀具和刀盘的掘进长度。5 参考文献1 乐