焊機群控管理與盾構刀盤焊接變形控制技術

郜衛鵬/GAO Weipeng

（中鐵工程裝備集團盾構制造有限公司，河南 鄭州 453600）

隨著我國城市基礎設施建設的快速發展，開發與利用城市地下空間已成為新世紀城市發展的必然[1]。在打通地下通道，尤其在跨江、跨海隧道工程建設中，超大直徑盾構在工程中得到越來越多的應用[2]。為適應高水壓、復雜地質環境，以及同時具備較高的施工效率、可靠性和換刀安全性，刀盤的成型質量對盾構施工十分重要[3]。

本文所涉及刀盤現場組焊變形主要是指刀盤邊塊焊后受焊接應力作用，導致其向刀盤中心平移，也稱邊塊焊后收縮。本文通過對數學模型的優化，來準確預測刀盤邊塊焊后收縮量，量化焊接電流對焊接變形的影響，并利用焊機群控管理系統控制焊接電流，最終將刀盤邊塊焊接收縮量控制在預期范圍內。大直徑常壓刀盤結構一般由1 個中心塊和6 個邊塊組成，如圖1 所示。由于刀盤整體直徑太大，為方便運輸，刀盤都是拆解后由制造廠分塊運送到施工現場[4]，在施工現場完成中心塊與邊塊的組焊，徐震[5-6]，運用經驗設計和仿真分析等方法做過比較分析，雖然邊塊質量比中心塊小得多，但每個邊塊也重達幾十噸，刀盤在施工現場組對調平以后，由于待焊部位鋼板較厚（90～100mm），且為全熔透探傷焊縫，焊縫填充量大，焊縫橫向收縮應力較大，所以邊塊焊后主要變形方向便是向刀盤中心平移，且平移量難以控制，再加上刀具軌跡半徑設計公差較為嚴格，所以常壓刀盤邊塊組焊的焊接收縮變形控制一直都是難題。

圖1 常壓刀盤結構示意圖

常用的焊接變形控制方法[7-8]有以下4 點：①設計焊接順序；②剛性固定；③增加反變形；④控制焊接參數。其中焊接順序可以根據理論知識進行設定，剛性固定可以在保證焊接可操作性的基礎上鉚焊碼板加固，而反變形的量化和焊接參數的過程控制問題一直較難解決。

反變形是機械行業控制焊接變形常用的方法，然而在增加反變形量之前需要對工件焊后的變形量做出準確的預測。在其他機械行業曾出現過以下兩種數據模型。

其中，y為焊接收縮變形量；x為母材板厚；e=2.718282。

其中，ΔS為焊接收縮變形量；Aw為焊縫橫截面積；t為母材板厚；d為根部間隙。

第一種數據模型僅考慮母材板厚因素，應用于刀盤焊接顯然行不通。第二種數據模型充分考慮了母材板厚、焊縫填充量和根部間隙的影響因素，但忽略了焊接參數對焊接收縮的影響。為充分考慮各種因素對焊接收縮變形產生的影響，亟需一種新的數據模型來適應常壓刀盤邊塊組焊的焊接變形量預測，并對以后常壓刀盤邊塊組焊提供參考。

焊接參數在傳統的焊接過程中是動態變量，對于焊工的操作難以實時監控，多臺焊機同時施焊的過程更難得到監控，且其對焊接變形的影響至今沒有一個量化的定論，焊接參數定的太小影響焊道熔合質量，焊接參數定的太大又擔心過量變形。若想通過焊接參數來控制焊接變形，首先需要將焊接參數融入數據模型，準確預判焊后收縮量。其次需要控制焊接參數使其上下浮動盡量小，減小焊工技能水平的不同等人為因素對焊接參數的影響，焊機群控管理系統恰能解決此問題。

1 方案提出

1.1 常壓刀盤

大直徑常壓刀盤由于不能實現整體運輸，所以需要分塊運輸，并在施工現場完成刀盤中心塊與六個邊塊的整體組焊，邊塊連接焊縫分布位置見圖2，焊縫坡口型式見圖3。焊接方法選用二氧化碳氣體保護焊（GMAW），單個邊塊和整體組焊均采取對稱位置同時施焊。

圖2 常壓刀盤邊塊連接焊縫

1.2 模型優化

刀盤邊塊焊接前，需根據數據模型推測出邊塊焊后收縮量，并將收縮量提前向外釋放，達到反變形的目的。本項目以式（2）為基礎數據模型作為參考。數據模型充分考慮了母材板厚、焊縫填充量和根部間隙的影響因素，在此基礎上通過融入焊接電流變量并結合以往經驗，來對模型進行優化和驗證。

2 設計方案研究

2.1 數據模型優化

基于有限元理論分析預測[9-10]及歷年常壓刀盤現場組焊測量數據得知，刀盤邊塊焊后收縮變形量基本在3～6mm 之間，由于仰焊位置（PE）、和立焊位置（PF）受焊接位置影響，其焊接電流和可調范圍較小，熱輸入低。而平焊位置（PA）往往焊接電流調節范圍較寬，且PA 位置焊縫填充量和焊接熱輸入量較大，對邊塊焊后變形影響較大，但工藝要求不允許擺動焊接，所以本項目可將平焊位置（PA）焊接電流作為主要變量融入數據模型的優化。優化后的數據模型如下。

其中，ΔS為邊塊預測焊后收縮變形量；Aw為焊縫理論設計橫截面積；t為前面板厚度；d為邊塊放量前的前面板根部間隙；k為與PA 位置焊接電流相關的系數，k=1.22ln（i）-5.91；i為PA位置焊接電流。

2.2 焊機群控管理系統構建

在確定了數據模型之后，需要控制PA 位置焊接電流浮動范圍盡量小，此時需要將所有數字化焊機接入群控系統，除了可以實現對多臺焊機進行實時監控[11]，而且可以設定焊接電流及可調范圍。智能化焊機群控管理系統大致由以下3 個模塊組成。

2.2.1 系統構成

焊機群控管理系統主要由“人機交互”、“群控系統服務器”、“無線網絡”、“車間焊機+無線控制器”四部分組成，硬件包含工控機一臺、具有群控功能的奧太數字化焊機若干、USB 轉RS485 接口一個、2×0.5mm2護套雙絞線若干[12]。系統結構框架如圖4 所示。

圖4 焊機群控管理系統結構框架圖

2.2.2 通訊方式的選擇

為不影響焊機的便攜性和可移動性，同時避免線路繁雜的布置，減少成本，本系統的通訊方式選擇了簡單易行的無線通訊方式[13-15]，連接方式見圖5。

圖5 “無線網絡”焊機群控示意圖

3 設計方案驗證

3.1 數據模型驗證

本項目以已竣工的中鐵某常壓刀盤組焊測量數據來對模型進行驗證，其邊塊預測焊后收縮量與實測值見表1，注：因中鐵某刀盤焊接時，焊機未接入群控管理系統，焊接電流值可能存在較大波動。

表1 中鐵某刀盤模型預測值與實測值對比表

由表1 數據對比分析可知，該模型預測邊塊收縮量與實測值相差僅在1mm 以內，如刀盤邊塊按預測值進行放量，則刀具軌跡半徑偏差完全可以控制在設計公差范圍內。

3.2 焊接工藝參數優化

本次工藝參數優化以焊機群控管理系統作為輔助工具，充分利用其工藝管理和數據統計的功能。工藝管理可限定焊接工藝參數，在焊接過程中，焊機自動匹配當前焊接工藝限定，焊工只能在當前工藝允許范圍內進行焊接作業，保證了焊接工藝參數的穩定性。如圖6 所示，焊接電流設定280A，微調范圍30A，那么實際焊接電流則為280±30A（250～310A），焊工只能在這個范圍內工作。數據統計可在線顯示焊材消耗量，對于相同焊縫，通過不同參數下的焊材消耗量數據對比，可從側面反映出不同參數下焊接飛濺的大小。本次選取6 臺焊機作為研究對象，分別用于焊接常規刀盤上的6 組完全相同的扭腿焊縫，如圖7、圖8 所示。

圖6 工藝參數設定界面

圖7 刀盤扭腿

圖8 扭腿接頭形式

6 臺焊機在WPS 許可范圍內分別設定焊接電流220A、240A、260A、280A、300A、320A，微調范圍10A，在不同的焊接電流下，對電弧穩定性、焊接飛濺量、焊道熔合情況以及焊絲熔覆率有不同的影響，最終導致焊縫探傷合格率和焊絲消耗量不同。焊后做UT 探傷統計各組扭腿焊縫合格率，并在群控管理系統后臺統計焊絲消耗量，焊后統計數據如表2 所示。

表2 扭腿不同參數焊后數據統計表

通過焊接6 組扭腿統計數據分析可知，限定焊機電流范圍后，電流值在280A 時，焊接1 個扭腿的焊縫探傷合格率比6 組平均值高出4.5 個百分點，焊絲消耗量比平均值少1.8kg。綜合以上數據，并充分考慮焊接效率、質量和經濟性，對于常壓刀盤邊塊PA 位置的焊接電流選擇范圍宜在260～280A 之間。

4 結論與建議

1）根據模型驗證和中鐵某常壓刀盤的實用結果可以看出，本項目所建數學模型在融入了焊接電流這一變數后，提高了其精確性。該模型的使用完全可以滿足刀盤邊塊焊后變形量的公差要求，可以很好地解決常壓刀盤現場組對時邊塊放量的問題。

2）該數據模型實用的精確性離不開智能化焊機群控管理系統的輔助，焊機群控系統在焊接實踐中實現了工件焊接過程工藝參數的信息化搜集和智能控制，提高了焊接數據的真實可靠性。鑒于該系統集成焊機管理、設備信息監控、設備維保、規范管理、焊工管理、生產任務管理，報警管理、焊接數據統計分析等功能于一體，為焊接管理體系提供了一種全新的模式，值得全面推廣。