本发明涉及一种高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接方法，该方法能够在盾构机刀盘舱的密闭高气压环境中进行优质高效焊接，可以对刀盘刀具的不同部位进行任意位置的焊接维修。
背景技术：
盾构机刀盘刀具受到强烈的冲击和高应力的磨料作用，极易发生磨损。磨损之后的刀盘刀具通常需要在隧道现场的高气压环境中进行切割、焊接维修。目前普遍采用焊条焊进行焊接维修。
盾构机刀盘刀具维修焊接的特点为：一是焊接工作量大，二是焊接涉及多种焊接位置而且作业空间狭窄，三是外界对焊接作业的支持难度大。目前普遍采用的焊条焊，其首要缺点是焊接效率低，一是焊条许用焊接电流较小，二是焊条需要更换，用于实际焊接的时间减少，焊工真正运弧焊接的时间仅有整个工作时间的30％，导致现有的盾构机刀盘刀具维修周期很长，严重影响隧道贯通工期。焊条焊的第二个缺点是焊材浪费，每根焊条总有一部分长度只能废弃。焊条焊的第三个缺点是用于刀盘刀具角落狭窄区域焊接时，需要把焊条折弯才能到达焊接区域进行焊接。焊条焊的第四个缺点是焊缝成形外观不够美观。为此，需要采用新的焊接技术提升盾构机刀盘刀具的维修水平。
对于焊接切割电源而言，如果设定工作电流为270a，在一个大气压力下为顺利形成电弧，要求引弧电压高于3kv，引弧频率高于200khz，才能顺利击穿中性介质气体形成电弧。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接方法，该方法可以在盾构机刀盘舱的密闭高气压环境中，对刀盘刀具不同部位进行焊接维修，能够大幅度提高焊接效率。
本发明提供的高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接方法，一方面，采用高气压环境自适应引弧系统，根据高气压环境的实际环境气体气压，向焊接电源回路提供焊接所需高频高压，击穿焊丝与盾构机刀盘之间的高压空气，引燃电弧进行焊接。
另一方面，采用自保护药芯焊丝代替焊条。自保护药芯焊丝的许用焊接电流远远大于焊条，焊丝连续送进，自保护药芯焊丝分解形成焊接熔池保护气体、无需额外供应保护气体。自保护药芯焊丝焊接效率是焊条焊的3-5倍，而且没有焊材浪费，可以方便地用于狭窄区域，焊缝美观。再者，自保护药芯焊丝具有优良的全位置焊接性能，可以满足复杂的盾构刀盘维修的需要，而且可以通过药芯配方改善焊缝力学性能。此外，自保护药芯焊丝焊接与气体保护焊相比，不需要保护气体供应，既简化了焊接工艺，也降低了外界对焊接作业的支持要求。
本发明的高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接方法，其中，盾构机包括人舱、气垫舱和刀盘舱，人舱具有人舱舱门，气垫舱具有气垫舱舱门和气垫舱法兰，刀盘舱具有刀盘舱舱门和刀盘舱法兰，刀盘位于刀盘舱内；该方法包括以下步骤：
(1)构建地层加固区，建立修复工作空间
先对盾构机的刀盘周围的地层进行加固处理，形成维修作业所需要的地层加固区，地层加固区的掌子面用泥膜保护，从而形成修复工作空间，再往修复工作空间中充入压缩空气以平衡地层泥水压力，并在修复工作空间内设置气压传感器用于测量修复工作空间内的环境气体压力；
(2)焊接前准备
焊接维修作业之前，将送丝机和焊枪布置在修复工作空间内，再将高气压环境自适应引弧系统的焊接电缆正极、负极顺序穿越盾构机的气垫舱法兰和刀盘舱法兰之后，分别与送丝机、盾构机的刀盘连接，组成焊接回路；
(3)焊接维修
焊接维修作业时，焊工通过盾构机的人舱舱门进入盾构机的人舱中，向人舱实施加压使其与盾构机掘进时给定的压力相等，加压根据刀盘舱的压力水平和潜水减压表来进行；加压结束之后，焊工通过盾构机的气垫舱舱门进入气垫舱，然后再通过刀盘舱舱门进入修复工作空间，操作焊枪对盾构机的刀盘进行焊接，所述高气压环境自适应引弧系统根据修复工作空间内的环境气体压力自适应地提供相应的高频高压，该高频高压击穿焊枪与刀盘之间的高压空气，引燃电弧；
焊接维修作业结束，焊工按照上述相反顺序返回到盾构机的人舱，对盾构机的人舱实施减压，实施减压前焊工必须携带氧气呼吸面罩并且必须关闭刀盘舱舱门和气垫舱舱门，减压根据刀盘舱的压力水平和潜水减压表来进行，减压结束之后，焊工通过盾构机的人舱舱门出舱。
本发明的焊接方法采用了独特的高气压环境自适应引弧系统，能够根据高气压焊接环境的气体压力控制直线滑台自适应地滑动，向焊接电源电路提供相适应的高频高压，将该高频高压施加在焊枪与刀具之间，击穿焊丝与刀具之间的高压空气，引燃电弧。
本发明的焊接方法操作简单安全，环境适应性好，焊接效率高。
附图说明
图1为本发明的高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接装置的结构示意图；
图2为本发明的高气压环境自适应引弧系统的原理示意图；
图3为本发明的控制单元的电路示意图。
图中：1-高气压环境自适应引弧系统，2-送丝机，3-自保护药芯焊丝，4-焊枪，5-盾构机，5-1-水封槽，5-2-人舱舱门，5-3-人舱，5-4-气垫舱舱门，5-5-气垫舱法兰，5-6-气垫舱，5-7-刀盘舱舱门，5-8-刀盘舱法兰，5-9-刀盘，5-10-吸烟机，5-11-地层加固区，6-修复工作空间，11-高频振荡器，t1-一级高压变压器，t2-二级高频耦合变压器，12-直线滑台，13-控制单元，14-气压传感器，15-焊接电源回路，p-火花隙放电器，c-振荡电容。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的焊接装置及其焊接方法进行详细描述和说明。
首先，介绍本发明的焊接装置。
如图1所示，本发明所涉及的盾构机5包括人舱5-3、气垫舱5-6、刀盘舱、吸烟机5-10以及水封槽5-1。其中，刀盘5-9位于刀盘舱内，人舱5-3具有人舱舱门5-2，气垫舱5-6具有气垫舱舱门5-4和气垫舱法兰5-5，刀盘舱具有刀盘舱舱门5-7和刀盘舱法兰5-8。
本发明的高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接装置包括高气压环境自适应引弧系统1(也可称为“高气压环境焊接电源”)、送丝机2和焊枪4，焊枪4采用自保护药芯焊丝3。其中，送丝机2和焊枪4布置在掘进隧道内的修复工作空间6内，高气压环境自适应引弧系统1的焊接电缆正极、负极顺序穿越盾构机5的气垫舱法兰5-5和刀盘舱法兰5-8之后，分别与送丝机2、盾构机5的刀盘5-9连接，组成焊接回路。
吸烟机5-10设置在修复工作空间6内的焊枪4附近，优选设置在焊枪4的正上方，吸烟机5-10通过排气管路连接至盾构机外的水封槽5-1。
如图2所示，本发明采用的高气压环境自适应引弧系统1包括高频振荡器11、直线滑台12、控制单元13、气压传感器14和焊接电源回路15。其中，高频振荡器11包括一级高压变压器t1和二级高频耦合变压器t2，直线滑台12与二级高频耦合变压器t2的次级线圈l2可滑动接触，控制单元13与直线滑台12和置于修复工作空间6内的气压传感器14电连接，高频振荡器11通过串联方式与焊接电源回路15连接。其中，气压传感器14测量修复工作空间6内的气体压力并将压力信号传送给控制单元13，控制单元13对压力信号进行分析计算并驱动直线滑台12直线移动相应的移动距离，获得与上述压力信号相对应的高频高压，焊接电源回路15将该高频高压施加在焊枪4与刀盘5-9之间。
如图2所示，高频振荡器11的输入为交流电源信号。高频振荡器11的一级高压变压器t1的次级与火花隙放电器p并联连接，并且一级高压变压器t1的次级与振荡电容c串联连接后，再连接到二级高频耦合变压器t2的初级，二级高频耦合变压器t2的次级串联接入焊接电源回路15。二级高频耦合变压器t2的次级线圈l2为一个滑动线圈，直线滑台12上设有滑块，滑块上连接有移动滑片，该移动滑片与次级线圈l2可滑动接触。
如图3所示，控制单元13包括计算机、数据采集卡、驱动器、小型伺服电机和减速器，其中，数据采集卡安装在计算机主板上，驱动器与计算机串口连接。
参见图2，当高频振荡器11的输入端接通交流电源(例如120v)后，交流电压经一级高压变压器t1升压(例如5kv)，并对振荡电容c充电，从而火花隙放电器p的端电压逐渐升高，最后被击穿。火花隙放电器p被击穿后，一方面使得一级高压变压器t1的二次回路短路而终止对振荡电容c的充电，另一方面使得已经充电的振荡电容c与二级高频耦合变压器t2的初级线圈l1组成振荡回路。振荡回路产生的振荡电压u1经二级高频耦合变压器t2耦合后，获得高频高压(例如11.25kv、56.25kv)。
控制单元驱动直线滑台进行直线移动是这样实现的：参见图2-3，控制单元13对气压传感器14所测量的修复工作空间6内的环境气体压力进行分析计算，确定直线滑台12的移动距离，控制单元13基于该计算结果控制伺服电机的转动方向和转动角度，其中，转动方向根据直线滑台需要的移动方向来确定伺服电机是正转还是反转，转动角度根据直线滑台需要的移动距离大小来确定。这样，控制单元13的驱动器驱动伺服电机按照需要的转动方向和转动角度转动，再经减速器减速，然后驱动直线滑台12的滑块进行直线移动。其中，压力信号处理、直线滑台移动距离计算均由相应的控制程序完成，在此不再赘述。
直线滑台12的移动距离决定了二级高频耦合变压器t2的次级线圈l2的有效输出圈数。当直线滑台12的滑块带着移动滑片与二级高频耦合变压器t2的次级线圈l2滑动接触时，该次级线圈l2的有效输出圈数就随着直线滑台的移动而发生变化，从而次级线圈l2输出的感应电压u2也随之变化。因此，根据不同的环境气体压力，能够从次级线圈l2获得所需的不同感应电压，从而能够向焊接电源回路15提供所需的高频高压，以适应不同环境气体压力下引弧对于不同电压的需要。就是说，根据焊接环境中的实际环境气体压力，通过控制单元自适应地调节直线滑台的移动距离，使得二级高频耦合变压器输出与环境气体压力相适应的高频高压，实现自适应引弧。
例如，根据本发明，在一个大气压力的工况下，通过对两级变压器的线圈圈数进行配置，使得一级高压变压器t1将120v交流电升压到5kv，二级高频耦合变压器t2再将一级高压变压器t1的输出电压升高到11.25kv。高压陶瓷振荡电容c耐压为25kv，等效电容为4200pf，二级高频耦合变压器t2的初级线圈l1的电感为6uh，振荡频率为1mhz，满足引弧要求。
当环境气压升高为5个大气压时，移动直线滑台的滑块，使得二级高频耦合变压器t2的次级线圈以原来5倍的线圈(有效输出线圈)被接入，从而将二级高频耦合变压器t2的输出电压升高到56.25kv，实现引弧。
下面详细介绍本发明的焊接方法。该焊接方法具体包括以下步骤：
1.构建地层加固区，建立修复工作空间
先对盾构机5的刀盘5-9周围的地层进行加固处理，形成维修作业所需要的地层加固区5-11，地层加固区5-11的掌子面用泥膜保护，这样就在掘进隧道内形成了修复工作空间6；再往修复工作空间6中充入压缩空气以平衡地层泥水压力，并在修复工作空间6内设置气压传感器14用于测量修复工作空间6内的环境气体压力。
2.焊接前准备
焊接维修作业之前，将送丝机2和焊枪4布置在掘进隧道内的修复工作空间6内，再将高气压环境自适应引弧系统1的焊接电缆正极、负极顺序穿越盾构机5的气垫舱法兰5-5和刀盘舱法兰5-8之后，分别与送丝机2、盾构机5的刀盘5-9连接，组成焊接回路。
3.焊接维修
焊接维修作业时，焊工通过盾构机5的人舱舱门5-2进入盾构机5的人舱5-3中，向人舱5-3实施加压使其与盾构机5掘进时给定的压力相等，加压根据刀盘舱的压力水平和潜水减压表来进行；加压结束之后，焊工通过盾构机5的气垫舱舱门5-4进入气垫舱5-6，然后再通过刀盘舱舱门5-7进入修复工作空间6，操作焊枪4对盾构机5的刀盘5-9进行焊接，高气压环境自适应引弧系统1提供的高频高压击穿焊丝与刀盘5-9之间的高压空气，引燃电弧。
焊接维修作业结束，焊工按照上述相反顺序返回到盾构机5的人舱5-3，对盾构机5的人舱5-3实施减压，实施减压前焊工必须携带氧气呼吸面罩并且必须关闭刀盘舱舱门5-7和气垫舱舱门5-4，减压根据盾构机5的刀盘舱的压力水平和潜水减压表来进行，减压结束之后，焊工通过盾构机5的人舱舱门5-2出舱。
本发明的焊接方法中，采用了独特的高气压环境自适应引弧系统1，其提供的高频高压能够击穿自保护药芯焊丝3与盾构机5的刀盘5-9之间的高压空气，实现引燃电弧。送丝机2将自保护药芯焊丝3连续送进给焊枪4进行焊接。焊接过程中自保护药芯焊丝3分解形成焊接熔池保护气体，焊接过程中产生的烟雾通过盾构机5的吸烟机5-10抽吸，然后排入到盾构机5的水封槽5-1中。
上文所述及的加压、减压是焊工等作业人员执行高气压刀盘舱内检修操作所必须遵循的程序。加压是个体含气腔室压力从常压(1个大气压)升高到工作压力，减压是个体各个组织压力从工作压力降低到常压(1个大气压)。加压、减压在人舱中进行，人舱是一种用于盾构机的潜水减压舱(或称为加压舱)，是特制的耐压容器，通过注入压缩空气形成高压环境，可供作业人员加压、减压之用。作业之前，作业人员在人舱中进行加压，加压的目的是使得作业人员人体平衡体内与外界相通的含气腔室的气压。作业之后，作业人员在人舱中进行减压，减压的目的是让作业人员体内气体排出、恢复正常生活。
作业人员在高气压下呼吸空气时，惰性气体(主要是氮气)会扩散到机体各个组织之中，氮气摄入总量随着压力水平和作业时间增加而增加。减压时，为了防止氮的扩散速度过快，必须小心地控制机体各个组织与循环系统和呼吸系统(血液和肺)氮分压之间的压差梯度，否则组织和血液会形成氮气气泡而引起减压病。为了防止减压病的发生，有关部门制定了一些专用的减压表即潜水减压表，该表是考虑了压力水平和作业时间所摄入的氮气总量、不会引起大量气泡形成的容许压差梯度、机体组织排氮速率等因素的专用表格。
加压、减压均需要按照有关规程来执行，逐渐升高或者降低，尤其是减压需要严格执行潜水减压表的规定。
对盾构机的刀盘进行焊接维修时，所采用的高气压环境焊接参数包括与环境气体压力匹配的焊接电流、焊接电压、送丝速度等参数，这些参数通过预先进行的高气压环境焊接工艺试验来确定。
高气压环境焊接参数的确定需要通过焊接工艺试验来确定，焊接工艺试验在耐压容器中进行，焊接过程可以采用自动焊接机构来执行。高气压焊接工艺试验与常压(1个大气压)普通环境焊接工艺试验相比，采用相同的自动焊接机构、焊接材料，需要确定的主要参数也是相同的即焊接电流、焊接电压、送丝速度等，唯一的不同是环境压力不同。先在常压下进行焊接工艺试验，获得能够进行稳定焊接、焊缝质量与焊接效率满足要求的主要焊接参数。然后在高气压下进行焊接工艺试验，试验目标同样是获得能够进行稳定焊接、焊缝质量与焊接效率满足要求的主要焊接参数。但是，高气压下的焊接，需要解决引弧困难、焊接过程不稳定、焊接效率低、焊缝力学性能差等问题，常压下的焊接参数不能用于高气压环境，而需要进行调整。此外，高气压环境焊接参数需要与压力级别相适应，相关标准的要求是压力变化超过0.1mpa(相当于10m水深)时，需要对焊接参数重新进行评定。
1.一种高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接方法，其中，盾构机(5)包括人舱(5-3)、气垫舱(5-6)和刀盘舱，人舱(5-3)具有人舱舱门(5-2)，气垫舱(5-6)具有气垫舱舱门(5-4)和气垫舱法兰(5-5)，刀盘舱具有刀盘舱舱门(5-7)和刀盘舱法兰(5-8)，刀盘(5-9)位于刀盘舱内；其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)构建地层加固区，建立修复工作空间
先对盾构机(5)的刀盘(5-9)周围的地层进行加固处理，形成维修作业所需要的地层加固区(5-11)，地层加固区(5-11)的掌子面用泥膜保护，从而形成修复工作空间(6)，再往修复工作空间(6)中充入压缩空气以平衡地层泥水压力，并在修复工作空间(6)内设置气压传感器(14)用于测量修复工作空间(6)内的环境气体压力；
(2)焊接前准备
焊接维修作业之前，将送丝机(2)和焊枪(4)布置在修复工作空间(6)内，再将高气压环境自适应引弧系统(1)的焊接电缆正极、负极顺序穿越盾构机(5)的气垫舱法兰(5-5)和刀盘舱法兰(5-8)之后，分别与送丝机(2)、盾构机(5)的刀盘(5-9)连接，组成焊接回路；
(3)焊接维修
焊接维修作业时，焊工通过盾构机(5)的人舱舱门(5-2)进入盾构机(5)的人舱(5-3)中，向人舱(5-3)实施加压使其与盾构机(5)掘进时给定的压力相等，加压根据刀盘舱的压力水平和潜水减压表来进行；加压结束之后，焊工通过盾构机(5)的气垫舱舱门(5-4)进入气垫舱(5-6)，然后再通过刀盘舱舱门(5-7)进入修复工作空间(6)，操作焊枪(4)对盾构机(5)的刀盘(5-9)进行焊接，所述高气压环境自适应引弧系统(1)根据修复工作空间(6)内的环境气体压力自适应地提供相应的高频高压，该高频高压击穿焊枪(4)与刀盘(5-9)之间的高压空气，引燃电弧；
焊接维修作业结束，焊工按照上述相反顺序返回到盾构机(5)的人舱(5-3)，对盾构机(5)的人舱(5-3)实施减压，实施减压前焊工必须携带氧气呼吸面罩并且必须关闭刀盘舱舱门(5-7)和气垫舱舱门(5-4)，减压根据刀盘舱的压力水平和潜水减压表来进行，减压结束之后，焊工通过盾构机(5)的人舱舱门(5-2)出舱。
2.根据权利要求1所述的高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接方法，其特征在于：所述高气压环境自适应引弧系统(1)包括高频振荡器(11)、直线滑台(12)、控制单元(13)、所述气压传感器(14)以及焊接电源回路(15)，所述高频振荡器(11)具有一级高压变压器(t1)和二级高频耦合变压器(t2)，将直线滑台(12)与二级高频耦合变压器(t2)的次级线圈(l2)可滑动接触，使控制单元(13)与直线滑台(12)和气压传感器(14)电连接，将高频振荡器(11)串联接入焊接电源回路(15)，将气压传感器(14)测量的环境气体压力信号传送给控制单元(13)，控制单元(13)对压力信号进行分析计算并驱动直线滑台(12)直线移动相应的移动距离，获得与所述环境气体压力相对应的高频高压，焊接电源回路(15)将该高频高压施加在焊枪(4)与刀盘(5-9)之间。
3.根据权利要求2所述的高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接方法，其特征在于：将所述一级高压变压器(t1)的次级与一火花隙放电器(p)并联连接，在将该一级高压变压器(t1)的次级与一振荡电容(c)串联后，再连接到所述二级高频耦合变压器(t2)的初级，并将所述二级高频耦合变压器(t2)的次级串联接入所述焊接电源回路(15)。
4.根据权利要求2或3所述的高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接方法，其特征在于：所述二级高频耦合变压器(t2)的次级线圈(l2)为一个滑动线圈，在直线滑台(12)上设置一滑块，在滑块上连接一移动滑片，使该移动滑片与所述次级线圈(l2)可滑动接触，随着该移动滑片在次级线圈(l2)上滑动，可以自适应地改变次级线圈(l2)的输出电压以适应于引弧的需要。
5.根据权利要求2-4任一项所述的高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接方法，其特征在于：所述控制单元(13)包括计算机、数据采集卡、驱动器、小型伺服电机和减速器，其中，数据采集卡安装在计算机主板上，驱动器与计算机串口连接；所述控制单元(13)通过驱动器、小型伺服电机和减速器驱动所述直线滑台(12)移动。
6.根据权利要求1-5任一项所述的高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接方法，其特征在于：在步骤(2)中，将一吸烟机(5-10)设置在修复工作空间(6)内焊枪(4)的正上方，并使吸烟机(5-10)通过排气管路连接至盾构机(5)外的水封槽(5-1)；在步骤(3)的焊接维修过程中，焊丝分解形成焊接熔池保护气体，产生的烟雾通过吸烟机(5-10)抽吸，然后排入水封槽(5-1)中。
7.根据权利要求1-6任一项所述的高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接方法，其特征在于：所述焊枪(4)采用的焊丝为自保护药芯焊丝(3)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的高气压环境下盾构机刀盘刀具焊接方法，其特征在于：该方法所采用的高气压环境焊接参数包括与所述环境气体压力匹配的焊接电流、焊接电压、送丝速度，这些参数通过预先进行的高气压环境焊接工艺试验来确定。
技术总结