連鑄輥堆焊焊條研制與應用

0前言

隨著冶金工業的發展，不同規格的板坯連鑄機已得到廣泛應用。連鑄機堆焊輥是扇形段的重要部件，它的質量好壞直接影響整機生產和換輥次數。中國第一重型機械股份有限公司（簡稱“中國一重公司”）生產的1 600 mm連鑄機堆焊輥采用低合金高強鋼為基體，在其輥身上堆焊1Cr13Ni3MoV新合金，設計要求堆焊層要耐腐蝕、耐氧化、耐磨損和耐熱疲勞。中國一重公司在20世紀80年代與日方合作生產的寶鋼1900坂坯連鑄機堆焊輥用堆焊材料全部采用進口，二期工程連鑄國產化率提高到60%，有部分采用國內生產的藥芯焊帶，其材質相當于1Cr13NiMoV，新合金與之相比增加了Ni、Mo、V的含量以期提高輥子使用壽命，減少換輥次數，但合金含量的增加給焊材制造和堆焊帶來了很大困難。

連鑄機堆焊輥主要以埋弧自動堆焊為主，堆焊過程中出現搭接不良、凹坑、裂紋、未熔合等焊接缺陷是難免的，需要采用焊條手工修復，修復用的焊條也必須滿足堆焊層技術要求。該合金較特殊，市售無合適代用材料，為此進行了堆焊連鑄輥修復用合金焊條的研制。1新型焊條研制

1.1焊條藥皮渣系選擇

焊條選用CaOCaF2TiO2SiO2渣系，與傳統的堿性渣系相比，該渣系用TiO2代替了部分SiO2，改變渣的熔點和結構，形成短渣，焊接工藝性好。TiO2具有穩弧和造渣的功能，可以調節渣的熔點、粘度、表面張力和流動性，大大提高了焊條的穩弧性，減少了引弧氣孔的產生，改善焊縫成形，減少飛濺和咬邊，并可以改善脫渣性，有利于全位置焊接。

研制的焊條在藥皮中嚴格控制含結晶水的物質，提高碳酸鹽和氟化物比例，還加入適量稀土元素，使熔敷金屬擴散氫含量小于3.0 mL/100 g（水銀法）。為提高藥皮抗潮能力，采用了高模數低密度水玻璃，取得了良好的效果。

1.2焊條合金成分確定

碳是合金形成碳化物并保證熔敷金屬硬度和耐磨性的的重要元素，實驗確定的碳成分范圍為0.15%～02%。鉻是該合金系統的主要成分，是保證熔敷金屬在工況條件下具有一定的耐腐蝕，耐氧化，耐磨損的關鍵，確定加入量為13.0%～14.0%。鎳和鉬作用是穩定組織提高合金耐熱疲勞性能，確定加入量為帶極堆焊材料成分的上限。為了提高合金材料的耐磨性，合金中釩的加入量控制在0.35%左右。

1.3焊條試制與定型

焊條涂壓是在TH125液壓機上進行，焊條烘干溫度380 ℃，保溫2 h。首先，按確定的焊芯和藥皮渣系，根據經驗先初定試驗配方，然后試制焊條進行工藝性及合金成分分析，依分析結果再進行調整配方，直至獲得理想的工藝性和合適的化學成分的焊條。經反復多次調整配方，最終確定的焊條為LZ42。工藝性試驗表明，研制的焊條引弧容易，電弧燃燒穩定，脫渣性好，成形美觀。其化學成分見表1。表1焊條熔敷金屬化學成分（質量分數，%）焊條型號CSiMnPSCrNiMoVLZ420.200.921.270.0260.01813.183.120.380.34PB100.120.500.910.0180.02313.960.780.50注 ： PB10為日本焊條

2工藝性試驗

使用所研制的焊條模擬實際補焊條件在HZ102F基體和帶極堆焊層表面進行堆焊抗裂試驗、熱處理試驗、抗冷熱疲勞試驗、抗氧化試驗及化學和金相組織分析。

2.1抗裂試驗

試驗母材HZ102F，200 mm×300 mm×30 mm。試驗方法：在試板中間縱向焊6道3層，試板分別預熱100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃，LZ42焊條為 4 mm，電流150～170 A，短弧焊，焊后機加焊道表面進行著色探傷檢查，試驗結果見表2。

表2抗裂試驗結果溫度T/℃裂紋情況100兩條裂紋150一條微小裂紋200無裂紋250無裂紋

由表2可以看出，預熱溫度應大于150 ℃，為把握起見，焊前預熱溫度確定在180 ℃～250 ℃為宜，過高的預熱溫度會使焊縫合金燒損且高溫時脫渣性受影響。

2.2焊縫硬度測試

利用抗裂試樣進行硬度試驗，分別測試焊后和經550 ℃±10 ℃保溫6 h后的熔敷金屬硬度，試驗結果見表3。

表3硬度試驗結果 狀態硬度（HRC）焊后46、45、48、46、47保溫550 ℃×6 h45、43、44、46、45

2.3金相分析

研制的焊條熔敷金屬經550 ℃×6 h焊后消應力熱處理，并進行了金相組織觀察，如圖1所示，其組織為馬氏體基+少量鐵素體，晶界處有高硬度質點的碳化物。

2.4抗氧化試驗

采用純熔敷金屬加工成 20 mm×5 mm試塊。原理是將試樣加熱到600 ℃，保溫24 h，以試樣增重來檢驗材料的抗氧化性能。經過試驗并用高精度天平測得基本無增重，因為本材料Cr的質量分數大于13加之又增加了大量的Ni，所以抗氧化性能是優良的。事實上輥子工作溫度遠遠不到600 ℃，所以研制的焊條滿足了輥子使用要求。 圖1金相組織觀察2.5抗冷熱疲勞試驗

連鑄堆焊輥經常處在急冷、急熱條件下使用，所以，要求研制的合金經反復多次的冷熱交變，而不產生疲勞裂紋。一般的說，冷熱交變（急冷、急熱）50次，材料不產生裂紋，就說明該材料的抗疲勞能力很好。本試驗是將試樣加熱到600～650 ℃出爐急冷，反復加熱60次，每次進行一次表面拋光，檢查均未發現裂紋，說明焊條的抗疲勞性能是優良的。

2.6產品應用試驗

在工藝試驗基礎上，用所研制的焊條修復了連鑄輥堆焊時搭接不完整的部位及邊緣，如圖2所示。

（1）研制的LZ42焊條熔敷金屬熱穩定性好，經550 ℃×6 h 消應力回火后硬度44.6HRC。

（2）研制的低氫型焊條藥皮用TiO2代替部分SiO2后，焊條脫渣容易、成形美觀、電弧穩定，研制的焊條不僅含氫量低，且焊條工藝性好。

（3）研制的LZ42焊條熔敷金屬具有優良的抗裂、耐腐蝕、耐氧化及耐熱疲勞性能，完全滿足連鑄堆焊輥技術條件要求。該焊條已成功地在連鑄輥堆焊生產修復中得到應用，不僅解決了連鑄輥堆焊生產問題，也為今后開發新的焊接材料積累了經驗。