在地铁盾构施工中，刀具磨损严重，严重影响了施工工期和成本。通过选择合适的堆焊材料，改善了刀头表面性能，有效延长了其使用寿命。
地铁5号线首次将盾构施工法应用于北京城市地铁隧道建设，地铁盾构施工的关键设备是盾构掘进机。北京地铁5号线施工用的土压平衡盾构机是耗资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。
盾构机的零部件还需要进口，而作为消耗品的盾构刀具更是成为影响施工工期和成本的一个重要问题。围绕提高盾构机刀具的使用寿命开展研究，进而实现盾构机刀具的国产化已成为急待解决的问题之一。北京工业大学相关课题组就盾构机刀具的修复及国产化进行了研究。刀具刃口的修复方法选择为堆焊；材料的选择方面，结合课题组的研究经验和盾构机刀具的性能要求确定为药芯焊丝。
北京地铁5号线盾构试验段属于砂卵石地层，沙砾含量大。地层中石英含量高达45%，使刀具磨损速度加快。盾构机刀盘直径为6.2m，刀盘最外边刀具切削线速度最大可达1m/s，周边刀受到很大的冲击力。通过以上分析可知，在砂卵石地层施工中，盾构机刀具主要的失效形式为冲击破坏和磨粒磨损。
盾构刀头在施工过程中不仅承受着沙砾磨损，还遭受强烈的冲击。这就要求堆焊合金不仅要具有高硬度，还要具有较好的韧性，在反复强烈冲击的情况下不易发生脱落。
堆焊材料选择
铁基堆焊合金性能变化广泛，韧性和耐磨性配合好，能满足不同的需要，而且价格低廉，因此本研究确定采用铁基合金系。对于铁基合金来说，C是最重要的元素，C含量在一定范围内，堆焊层硬度和耐磨性随含C量增加而增加，堆焊层的耐冲击性能也随之提高，但C含量太高，堆焊层受到冲击时韧性表现较差，尤其受到较为强烈的冲击时会有开裂和剥落现象。为了防止堆焊层的冲击开裂和剥落，本研究要求限制堆焊层中碳的含量，并利用Mo等具有细化晶粒、与碳结合能力强的合金元素来改善堆焊层的综合性能，同时加入Ni来提高堆焊层的韧性。为保证堆焊层的耐磨粒磨损性能和耐冲击性能，确定Cr-Ni-Si-Mn-Mo多元强化合金系作为药芯配方的主要组分。
为保证焊丝力学性能，堆焊药芯焊丝中药芯组成大部分为合金粉末（质量分数75%～80%）。药芯焊丝药芯中含有少量的稳弧剂和造渣剂（质量分数20%～25%），主要是用来保证药芯焊丝的焊接工艺性能，包括焊接电弧的稳定性、焊缝成型、脱渣性、飞溅、焊接烟尘等。
一般来说，堆焊层在满足力学性能要求的前提下，对氮、氢、氧、硫和磷的含量没有特别要求，但出于对工况和焊接工艺方面的要求，要求对焊缝的裂纹进行严格的控制，即堆焊后焊缝表面无裂纹。碱性渣系的飞溅、脱渣性比酸性渣系难于控制，而且酸性渣系的电弧较碱性的稳定，焊缝成型美观。另外，就焊接的发尘量而言，碱性渣系的发尘量和发尘速率均高于酸性渣系。因此在选择渣系的确定为酸性渣系。在药芯焊丝药芯配方设计时，加入的矿物粉主要有金红石、石英、萤石、氧化铁、锆英石、硅灰石。
由盾构刀具的工况可知，刀具既要具备较高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Cr-Ni-Si-Mn-Mo作为堆焊焊丝的主要成分，具体成分见表1。焊丝焊前无需预热，焊后不必进行热处理，堆焊层表面无裂纹。
表1 堆焊金属主要成分（质量百分数%）
C Cr Mn Si Ni Mo Fe
0.1~0.3 5~10 0.5~2 <1 1~3 <0.5 余量
堆焊层组织主要为低碳的板条状马氏体，该马氏体是由高温下的奥氏体在冷却过程中转变而来，在原奥氏体晶界处有未转变完全的奥氏体残留。
堆焊层性能
用研制的药芯焊丝进行试样堆焊，为去除母材对堆焊层成分、性能上的影响，试验时要堆焊三层以上。堆焊层的洛氏硬度如表2所示。
表2 堆焊层硬度值
堆焊层 硬度（HRC） 硬度平均值（HRC）
第一层 50.0 53.4 53.4 52.8 51.3 52.18
第二层 54.7 56.2 53.4 53.2 55.5 54.60
第三层 55.0 54.5 56.2 53.4 52.8 54.38
在自制冲击架上分别采用质量为3.5kg和7.5kg的铅球由1m高度对试样进行冲击，冲击次数分别为5、10、20和30次。冲击后硬度变化如下图。
冲击对对焊层硬度的影响图
由堆焊层洛氏硬度变化可见，随冲击次数增加，堆焊层硬度呈增加趋势，但是硬度有上限值。而且铅球冲击10次以上堆焊层硬度即可接近该上限值（HRC58.5左右），说明对焊层在较少次数的冲击就表现出了明显地冲击强化现象，这在盾构机刀具的服役过程中具有重要的意义：少数次的卵石冲击就可以使盾构机刀具表现出更高的硬度，从而迅速提高刀具的耐磨性。
通过一系列试验研究，可知该堆焊药芯焊丝焊接工艺良好，焊态硬度可达HRC55，焊前无需预热，焊后不必热处理，堆焊层无裂纹产生。
