盾构机刀盘堆焊技术研究
更新时间:2023-11-22 07:02:01 阅读量: 教育文库 文档下载
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盾构机刀盘堆焊技术研究
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。盾构机刀盘堆焊在此过程中发挥着重要作用,北京固本科技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KB999系列堆焊药芯焊丝。KB999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。
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。
1 北京地区地层渣土 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
北京固本科技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 KB999系列药芯焊丝及其性能 2.1 KB999系列药芯焊丝
KB999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)。KB999系列焊丝具有良好的焊接工艺性能,堆焊层焊态硬度可达58~64HRC,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。
堆焊试样所用的试板为Q235钢板,尺寸为100×200×10mm,堆焊层数为三层,层间温度控制在150℃以下。
2.2 KB999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KB999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。
4 3.5Kg铅球1m自由落体冲击10次前的组织
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。
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