盾构刀具在地下盾构苛刻服役工作条件下,刀具断裂失效、磨损严重时有发生,刀具的更换维修费用占总施工费用近1/4左右。而盾构最常用刮刀要求一次性焊接硬质合金块数量多、焊接面数量多且分为竖直面、水平面、内镶嵌结构等多个空间位置焊接,影响刮刀钎焊接头质量。焊后残余应力场异常复杂,容易造成刮刀虚焊掉块等问题。因此从钎焊材料选择、钎焊结构优化、刮刀加热工艺方案优化出发,对盾构机刮刀超粗硬质合金高强韧钎焊技术、盾构机刮刀整体感应加热技术进行研究,并通过现场服役表现来评价刮刀质量。首先,利用扫描电镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)等方法观察分析不同焊接工艺条件下钎料BAg49ZnCuMnNi(Ag49Ni)钎焊接头显微组织、析出相并测试析出相的显微硬度和接头抗剪强度,研究Ag49Ni钎料的凝固过程和强化机制。钎缝中岛状分布α-铜基固溶体(α-Cu(s.s))相由于硬度高起弥散强化作用,母材界面处α-Cu(s.s)层起界面强化作用。当岛状分布α-Cu(s.s)相弥散强化作用和层状分布α-Cu(s.s)相界面强化同时作用良好时,钎焊接头性能最佳。α-Cu(s.s)相分布形态受焊接工艺参数影响,当焊接温度为770°C,保温时间为30s时,钎焊接头抗剪强度最高,最大值为345 MPA。焊接温度过高或保温时间过长,岛状分布α-Cu(s.s)相数量减少,层状α-Cu(s.s)相厚度增加。搭建超声辅助试验平台,采用超声辅助钎焊方法时,超声振动使得钎缝中岛状α-Cu(s.s)相数量增多,当超声时间控制在0~15s之内,钎焊接头力学性能得到提高。然后,利用SEM、EDS、XRD等方法分析Ag49Ni+不同片状/网状夹层钎焊接头的显微组织、析出相,测试接头显微硬度分布和接头抗剪强度,观察钎焊接头断口和断裂路径,研究Ag49Ni+不同片状/网状夹层钎焊接头的凝固形核机理和强化机制。采用SS304网状夹层钎焊接头抗剪强度最高为353 MPa,接头断裂主要发生在钎缝靠近硬质合金界面Ag(s.s)和共晶组织中。网状夹层不仅提升了钎焊接头力学性能,还改善了钎焊工艺性,使得钎缝宽度保持在一定宽度。采用Cu38Zn4Mn(CuZn)片状夹层钎焊接头平均抗剪强度只有313 MPa,接头性能受钎缝中α-Cu(s.s)相、β-Cu(s.s)相和CuZn片状夹层分布形态影响。焊接温度提高和保温时间延长使得CuZn片状夹层熔解消失,钎料成分发生亚共晶-共晶-过共晶转变。网状夹层结构比片状夹层结构对硬质合金钎焊接头性能有更好的提升效果。进一步,采用Ansys软件建立盾构机刮刀的感应加热数值计算模型,研究感应线圈结构及工艺参数对刮刀加热功率影响,并根据刮刀加热温度场分布调整加热工艺方案;采用ABAQUS软件建立刮刀冷却温度场-应力场数值计算模型,研究刮刀冷却过程内部温度场和残余应力场的分布规律。结果表明采用单匝大线圈,线圈内圈尺寸为325 mm×180 mm,截面高度为50 mm,线圈与刮刀高差为12 mm,交变电流大小为15000A,电流频率为3500Hz时进行加热,此时刮刀整体加热功率较大,且各部位加热功率比较均匀。刮刀焊前预热温度为300°C,加热过程采用400°C-600°C-800°C的3段加热保温方案,既能使刮刀硬质合金达到钎焊温度,也能使刮刀整体温差最小,且模拟结果与实测刮刀钎焊加热规律一致。焊后刮刀体内Mises残余应力是硬质合金块碎裂的主要因素,残余应力在刮刀两侧合金块(wc_c)与前刀头合金块(wc_a)、上部钢基体(s_up)三者交界处有最大值。最后,通过以上研究方法进行刮刀的实际钎焊工作,刮刀表面钎料铺展良好,钎焊接头抗剪强度最低为250 MPa,满足JB/T 11861-2014标准要求。感应钎焊过程对YG15C硬质合金性能影响很小,其密度、硬度、矫顽磁力、抗弯强度性能变化很小。刮刀在不同地质工况现场服役时均表现良好,没有出现硬质合金块崩落、碎裂等现象,满足现场使用要求。