CN1686661A - 盾构刀头刃口用堆焊药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明属材料加工工程中的焊接领域，该发明主要应用于地铁隧道挖掘盾构机刀头的堆焊制造。目前刀具主要从德国进口，采用整体式铸造，在刀头部分钎焊硬质合金。当硬质合金磨损或剥落时，刀具即报废。盾构刀头刃口用堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯成分质量百分含量：高碳铬铁：45～60％；金属铬：5～15％；钼铁：4～8％；金属锰：5～10％；铌铁：2～5％；钛铁：2～4％；钒铁：2～4％；硅灰石：1～3％；CaF2：1～3％；SiO2：2～5％；ZrO2：2～5％；长石：2～5％；TiO2：5～10％；Na2CO3：1～3％；Bi2O3：1～3％；Na2SiF6：1～3％。本发明在北京地铁五号线使用中，已能满足工程施工要求，当刀具磨损失效后，可拆下进行现场堆焊修复。能够显著缩短盾构施工周期。
Description
技术领域
一种盾构刀头刃口用堆焊药芯焊丝，属于材料加工工程中的焊接领域，该发明主要应用于地铁隧道挖掘盾构机刀头的堆焊制造。
背景技术
盾构机是二十世纪出现的高效、安全性强的隧道作业机械，但成本造价高，施工环境复杂，对可靠性要求高，世界上只有日本、德国、美国等少数国家可以生产制造。盾构刀具作为盾构设备在施工过程中的主要损耗件，成为盾构设备售后经营的关键产品。同类盾构机使用最多的刀具为德国产和意大利产刀具，分别代表着国际该领域的不同类型盾构刀具的先进水平。
盾构施工法首次被应用于正在修建的北京地铁五号线。地铁盾构施工的关键设备是土压平衡盾构掘进机。北京地铁五号线施工的盾构机是耗资4800万元左右从德国引进的最新大型机械。经试验段的地下隧道盾构施工，积累了大量经验和实验数据，也显现出一些问题。其中作为消耗品的盾构刀具国产化问题以及提高使用寿命已成为急待解决的瓶颈问题之一。
目前刀具主要从德国进口，每副德国刀具掘进长度250米左右。德国道具刀体采用整体式铸造，在刀头部分钎焊硬质合金，在工作过程中，当硬质合金磨损或剥落时，刀具即报废。
本发明所要解决的问题是：所研发的盾构刀具，达到或超过国外先进水平，实现盾构刀具国产化，降低盾构施工工程造价；加快工程进度，提高盾构施工的安全性；提高北京及国内城市地铁用盾构刀具材料的设计、制造、连接与综合加工水平。
发明内容
本发明所提供的盾构刀头刃口用堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯成分质量百分含量范围如下：
高碳铬铁：45～60％；金属铬：5～15％；钼铁：4～8％；金属锰：5～10％；铌铁：2～5％；钛铁：2～4％；钒铁：2～4％；硅灰石：1～3％；萤石(CaF2)：1～3％；石英(SiO2)：2～5％；锆英石(ZrO2)：2～5％；长石：2～5％；天然金红石(TiO2)：5～10％；Na2CO3：1～3％；Bi2O3：1～3％；Na2SiF6：1～3％。
其中各组分作用如下：
高碳铬铁：向焊缝金属过渡合金元素。
金属铬：焊缝金属的增强相。
钼铁：向焊缝金属过渡合金元素。
金属锰：向焊缝金属过渡合金元素。
铌铁：向焊缝金属过渡合金元素。
钛铁：细化晶粒，提高韧性。
钒铁：向焊缝金属过渡合金元素。
硅灰石：主要作用是造渣，并可调整熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性。
CaF2：主要用于造渣和改善熔渣的物化性能。
SiO2：主要起造渣作用，降低熔渣的碱度，调整熔渣的物化性能。
ZrO2：主要起造渣，调整熔渣的物化性能，改善脱渣性。
长石：主要是造渣剂，并能调节熔渣的物化性能，由于含K2O及Na2O，有助于提高稳弧性。
TiO2：是渣形成组分，可以改善渣的覆盖性能和焊缝脱渣性。另外，它还起到使电弧集中，稳定，从而减少飞溅的作用。
Na2CO3：主要起造气和稳定电弧的作用。
Bi2O3：改善脱渣性能。
Na2SiF6：造渣，改善熔渣物化性能。
本发明的制备方法采用现有技术，包括以下步骤：
1、将轧钢带成U形，再向U形槽中加入占本发明焊丝总重的20-40％的本发明药芯；
2、将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6mm，得到最终产品。
应用本发明所提供盾构刀头刃口用堆焊用药芯焊丝研制的刀具在北京地铁五号线使用中，已能满足工程施工要求，相比较于进口刀具，其最大的优点在于，当刀具磨损失效后，可拆下进行现场堆焊修复。能够显著缩短盾构施工周期。
附图说明
图1：药芯焊丝成形工艺示意图。
具体实施方式
用本发明所制造出的刀具已在2002年7月-2004年10月间在北京地铁五号线试用。
所有实施例焊丝都是由昆明重机厂制造的“FCWM50被动拉拔式药芯焊丝机”制出：
1.选用10×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)的H08A冷轧钢带。先将其轧成U形。取高碳铬铁粉末4.5千克、金属铬粉末1.5千克、钼铁0.4千克、金属锰粉末0.8千克、铌铁粉末0.5千克、钛铁粉末0.2千克、钒铁粉末0.4千克、硅灰石粉末0.1千克、CaF2粉末0.1千克、ZrO2粉末0.2千克、长石粉末0.2千克、TiO2粉末0.5千克、Na2CO3粉末0.3千克、Bi2O3粉末0.1千克、Na2SiF6粉末0.2千克。(所取粉末的粒度为能通过60目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将混合粉末加入U形的H08A冷轧钢带槽中，填充率为20％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：3.0mm、2.8mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6mm。在刀体基材上堆出刃口部分，焊接电流150～250A，焊接电压20～30V。层间温度控制在100～200℃。堆焊层熔敷金属硬度、相对耐磨性及刀具用于地铁五号线所掘进长度见表1。
2.选用10×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)的H08A冷轧钢带。先将其轧成U形。取高碳铬铁粉末5千克、金属铬粉末1千克、钼铁0.6千克、金属锰粉末0.7千克、铌铁粉末0.2千克、钛铁粉末0.4千克、钒铁粉末0.2千克、硅灰石粉末0.2千克、CaF2粉末0.3千克、SiO2粉末0.4千克、TiO2粉末0.7千克、Na2CO3粉末0.1千克、Bi2O3粉末0.1千克、Na2SiF6粉末0.1千克。(所取粉末的粒度为能通过60目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将混合粉末加入U形的H08A冷轧钢带槽中，填充率为30％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：3.0mm、2.8mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6mm。在刀体基材上堆出刃口部分，焊接电流150～250A，焊接电压20～30V。层间温度控制在100～200℃。堆焊层熔敷金属硬度、相对耐磨性及刀具用于地铁五号线所掘进长度见表1。
3.选用10×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)的H08A冷轧钢带。先将其轧成U形。取高碳铬铁粉末5.5千克、金属铬粉末0.6千克、钼铁0.6千克、金属锰粉末0.5千克、铌铁粉末0.3千克、钛铁粉末0.3千克、钒铁粉末0.2千克、硅灰石粉末0.3千克、SiO2粉末0.5千克、ZrO2粉末0.2千克、TiO2粉末1千克。(所取粉末的粒度为能通过60目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将混合粉末加入U形的H08A冷轧钢带槽中，填充率为40％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：3.0mm、2.8mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6mm。在刀体基材上堆出刃口部分，焊接电流150～250A，焊接电压20～30V。层间温度控制在100～200℃。堆焊层熔敷金属硬度、相对耐磨性及刀具用于地铁五号线所掘进长度见表1。
4.选用10×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)的H08A冷轧钢带。先将其轧成U形。取高碳铬铁粉末6千克、金属铬粉末0.5千克、钼铁0.8千克、金属锰粉末1千克、铌铁粉末0.2千克、钛铁粉末0.2千克、硅灰石粉末0.1千克、CaF2粉末0.1千克、ZrO2粉末0.5千克、TiO2粉末0.5千克、Na2SiF6粉末0.1千克。(所取粉末的粒度为能通过60目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合10分钟，然后将混合粉末加入U形的H08A冷轧钢带槽中，填充率为35％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：3.0mm、2.8mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6mm。在刀体基材上堆出刃口部分，焊接电流150～250A，焊接电压20～30V。层间温度控制在100～200℃。堆焊层熔敷金属硬度、相对耐磨性及刀具用于地铁五号线所掘进长度见表1。
表1所打硬度均采用HR-150A洛氏硬度机，载荷为150kg，对堆焊层取五点打硬度，最后得到该焊丝堆焊层的平均洛氏硬度值。
磨损实验采用MLS-225型湿式橡胶轮磨粒磨损试验机进行磨损实验。
在堆焊层中取六个57×25×5mm磨损式样，磨损实验时，实验参数如下橡胶轮转速：240转/分，橡胶轮直径：178mm，橡胶轮硬度：60(邵尔硬度)，载荷：10Kg，磨损时间：250s，橡胶轮转数：约1000转，磨料：40～70目的石英砂。材料的耐磨性能用磨损的失重量来衡量。在实验前、后，将试目的石英砂。材料的耐磨性能用磨损的失重量来衡量。在实验前、后，将试件放入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3～5分钟，实验时用Q235钢作为对比，对比件失重量与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性。相对耐磨性
如表1所示，所研制的刀具刀头硬度高，HRC＞50，耐磨性好，其相对耐磨性为Q235钢的17倍以上，掘进长度170米以上，已能满足工程施工要求，改进后的刀具掘进长度达310米，远超过德国刀具的250米。
表1
| 硬度(HRC) | 相对耐磨性(ε) | 掘进长度(M) | |
| 1 | 51 | 17.15 | 170 |
| 2 | 54 | 19.23 | 210 |
| 3 | 55 | 23.39 | 280 |
| 4 | 58 | 26.24 | 310 |
Claims (1)
1、一种盾构刀头刃口用堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯成分质量百分含量范围如下：高碳铬铁：45～60％；金属铬：5～15％；钼铁：4～8％；金属锰：5～10％；铌铁：2～5％；钛铁：2～4％；钒铁：2～4％；硅灰石：1～3％；CaF2：1～3％；SiO2：2～5％；ZrO2：2～5％；长石：2～5％；TiO2：5～10％；Na2CO3：1～3％；Bi2O3：1～3％；Na2SiF6：1～3％。
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