助卷輥堆焊修復(fù)技術(shù)及應(yīng)用

成世奇，唐定忠，余 波

（廣西柳鋼工程技術(shù)有限公司，廣西 柳州545002）

1 概述

助卷輥是熱軋生產(chǎn)線上的重要部件，使用過程中受激冷激熱和沖擊載荷影響，工作條件惡劣，其表面質(zhì)量的好壞直接影響到輥?zhàn)拥氖褂脡勖途韼У馁|(zhì)量與成本。因此，對助卷輥進(jìn)行修復(fù)再利用，提高其使用壽命十分重要。

2 失效原因分析

一般情況下，使用一段時間后由于表面熱疲勞磨損和輥面出現(xiàn)掉塊等問題而下線（圖1）。助卷輥產(chǎn)生損壞原因有：（1）輥面與帶卷間產(chǎn)生沖擊和摩擦造成的磨粒磨損；（2）由于交變冷熱循環(huán)作用，經(jīng)過一段時間使用后，表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋，嚴(yán)重時可導(dǎo)致剝落掉塊，見圖1所示；（3）冷卻水在外表產(chǎn)生高的蒸汽壓后，造成沖蝕和氣蝕，促進(jìn)非磨損消耗；（4）表面在高溫環(huán)境下，組織和性能發(fā)生變化，物理性能降低，特別是紅硬性下降，加劇了疲勞磨損[1]。

圖1 助卷輥表面疲勞導(dǎo)致剝落掉塊

3 焊接性能分析

助卷輥失效的根本原因是磨損和熱疲勞。助卷輥基體為35號鋼，焊接性能較好，考慮在其表面堆焊一種紅硬性、耐磨性且能與基體結(jié)合良好的金屬材料，以保證表層有優(yōu)良的耐磨性、紅硬性和耐熱疲勞性[1]。

由于焊材和工藝的特殊，堆焊過程及焊后易出現(xiàn)因裂紋敏感性大而產(chǎn)生的裂紋和熔合不良等問題，所以在工藝制定時必須對其進(jìn)行嚴(yán)格遏制。為避免堆焊問題的出現(xiàn)，焊接工藝需要重點(diǎn)考慮的問題有：（1）焊接前的預(yù)熱與焊接過程的層間溫度控制；（2）選用焊材與母材的匹配性；（3）焊后熱處理工藝。

針對易出現(xiàn)問題的控制措施有：（1）焊材選型時，選用塑性、韌性較好的焊材作為打底過渡層；（2）預(yù)熱焊接時，采用保溫措施保證層間溫度；（3）焊后進(jìn)行中溫回火，消除焊接應(yīng)力，同時消除焊縫成分偏析[2]。

綜合考慮技術(shù)質(zhì)量要求和堆焊過程質(zhì)量問題的控制方法，對助卷輥的焊接性進(jìn)行系統(tǒng)分析，初步確定助卷輥焊接性符合堆焊修復(fù)條件。

4 焊材選型

由于工況較為惡劣，工作時輥面承受沖擊擠壓和強(qiáng)磨損作用，故對輥面硬度、耐磨性及抗氧化性等性能有很高要求。在焊材選型和堆焊工藝制定時，必須嚴(yán)格考慮其上述物理性能要求，以確保工藝和焊材的合理可行性。為此，初步選定主要含有Cr、Mn、Mo、Si等對強(qiáng)硬度、耐磨性有利元素的焊材，用戶要求硬度值為HRC52-58。根據(jù)上述要求，選擇了以下焊材：

（1）打底層焊絲：LM001埋弧藥芯焊絲（Ф3.2 mm）；

（2）合金耐磨層焊絲：LM552埋弧藥芯焊絲（Ф3.2 mm）；

（3）焊劑：HJ107熔煉焊劑。

5 焊材檢測

5.1 試樣制作

采用埋弧堆焊的方式在尺寸為100 mm*100 mm的Q235B鋼板上堆焊LM552焊絲4層，焊層厚度10 mm以上，制作試樣2件，一件不做熱處理（試塊1），另一件采用530℃進(jìn)行10 h的中溫回火（試塊2），熱處理后各加工成30 mm*30 mm的試塊用作檢測分析。

5.2 成分檢測

采用臺式光譜分析儀對兩試塊進(jìn)行光譜分析，兩試塊成分一致，對比LM552焊絲成分指標(biāo)也符合要求，LM552焊絲成分見表1。

表1 LM552焊絲光譜檢測主要化學(xué)成分（%）

5.3 金相檢測

對兩個試塊進(jìn)行金相分析檢測，試塊1在晶粒晶界區(qū)域存在組織偏析晶粒粗大；試塊2在晶粒晶界區(qū)域無組織偏析，晶粒細(xì)小，其組織為回火馬氏體+少量索氏體和貝氏體，且在馬氏體基體上均勻分布有高硬度碳化物，符合助卷輥修復(fù)組織要求，使其具備良好的強(qiáng)硬度和耐磨性等性能。金相圖見圖2、圖3所示。

圖2 未熱處理LM552表面金相圖（200x）

圖3530 ℃回火10小時LM552表面金相圖（200x）

因此，確定LM552焊絲在530℃下回火的熱處理工藝可使其基體組織轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰慕M織并消除應(yīng)力和偏析，而具備優(yōu)良的物理性能。

5.4 硬度檢測

對試塊進(jìn)行多次硬度檢測，其硬度值為HRC53.6-57.2，符合硬度指標(biāo)要求，硬度檢測情況見表2。

表2 LM552焊絲硬度檢測結(jié)果（HRC）

根據(jù)成分、硬度及金相組織檢測分析結(jié)果可知，LM552焊絲各項性能指標(biāo)均可達(dá)到助卷輥堆焊修復(fù)要求；LM001焊絲屬低碳高鉻型焊絲，具備良好的韌性塑性，且結(jié)合強(qiáng)度高，對于35#鋼的基體材質(zhì)，完全符合打底過渡焊層要求。因此，判斷LM001、LM552焊絲可用于助卷輥堆焊修復(fù)。

6 工藝確定

6.1 基本焊接參數(shù)

據(jù)一般埋弧堆焊的標(biāo)準(zhǔn)工藝，并經(jīng)焊絲檢測、對比，確定最佳的焊接工藝參數(shù)為：

（1）打底過渡層

1）堆焊電流：I=380~400 A；2）堆焊電壓：U=28~30 V；3）堆焊速度：400~500 mm/min；4）焊絲伸出長度：20~30 mm；5）焊道搭接量：40%~50%；6）焊層厚度、寬度：20 mm、2 mm；7）層間溫度控制：200℃以上。

（2）耐磨層

1）堆焊電流：I=400~420 A；2）堆焊電壓：U=30~32 V；3）堆焊速度：500~600 mm/min；4）焊絲伸出長度：20~30 mm；5）焊道搭接量：40~50%；6）焊層厚度、寬度：20 mm、2 mm；7）層間溫度控制：200℃以上[3]。

6.2 焊前預(yù)熱

由于LM552焊絲含碳量及硬度較高，存在硬脆性和裂紋傾向，焊接性不良，易出現(xiàn)焊接裂紋，所以堆焊前需對助卷輥進(jìn)行預(yù)熱，使輥?zhàn)釉诙押高^程整體處在一個相對均勻的溫度預(yù)熱要求為：以60℃/h的升溫速度加熱5 h至300℃，在此溫度下保溫10 h，使輥?zhàn)宇A(yù)熱充分。

6.3 焊后熱處理

焊接完成后，為了消除焊接殘余應(yīng)力和組織成分偏析，細(xì)化晶粒，提高表層金屬強(qiáng)硬度，改善組織性能，需對輥?zhàn)舆M(jìn)行回火處理，回火處理工藝為：輥?zhàn)佣押钢烈蟪叽绾螅⒓催M(jìn)爐，以100℃/h的升溫速度加熱至530℃，在此溫度下保溫10 h，保溫完成后使輥?zhàn)与S爐緩慢冷卻，爐溫降至室溫方可開爐[4]。

7 應(yīng)用

7.1 基本流程

去除疲勞層——探傷檢驗——焊前預(yù)熱——堆焊（打底層+耐磨層）——焊后熱處理——機(jī)加工——成品檢驗。

7.2 堆焊修復(fù)過程

助卷輥身圖紙尺寸為φ380 mm，工藝要求疲勞層車削量為16 mm，車削后尺寸為φ364 mm，同時采用超聲波探傷檢測輥?zhàn)觾?nèi)部缺陷情況，確保無缺陷堆焊。

根據(jù)工藝要求，堆焊前對輥?zhàn)油耆A(yù)熱至300℃，堆焊過程通過火焰加熱保持焊縫層間溫度在200℃以上，見圖4所示。LM001堆焊1層后輥?zhàn)映叽邕_(dá)到φ370 mm，LM552堆焊4層后輥身尺寸達(dá)到φ385 mm，確保足夠加工余量。

圖4 通過火焰加熱保證焊縫層間溫度

焊后按工藝采用530℃進(jìn)行回火處理，熱處理后采用粗車+磨削的加工方式使輥?zhàn)映叽绻詈痛植诙葷M足技術(shù)質(zhì)量要求，見圖5所示。

圖5 通過磨削保證加工精度

7.3 修復(fù)結(jié)果

應(yīng)用助卷輥修復(fù)工藝實(shí)施堆焊過程中，焊層熔合成型良好，無裂紋、氣孔等缺陷出現(xiàn)，具有良好的外觀質(zhì)量。經(jīng)加工完成后，輥?zhàn)映叽绻睢⒈砻嬗捕燃肮鉂嵍鹊染_(dá)技術(shù)質(zhì)量要求。同時對輥身和輥頸進(jìn)行全面探傷檢驗，符合JB/T9218-1999規(guī)定的4級標(biāo)準(zhǔn)，輥?zhàn)觾?nèi)部無缺陷。由上可知，采用此工藝技術(shù)修復(fù)的助卷輥完全符合用戶要求，可用于實(shí)際生產(chǎn)。

此外，修復(fù)的助卷輥經(jīng)上線使用后，各項質(zhì)量參數(shù)均符合指標(biāo)要求，使用壽命達(dá)工藝要求，說明修復(fù)輥?zhàn)泳邆淞己玫氖褂眯阅埽舱f明工藝和焊材選型是合理可行的。修復(fù)后輥?zhàn)右妶D6所示。

圖6 修復(fù)完成的助卷輥

8 結(jié)論

采用該工藝和焊材修復(fù)的助卷輥各項質(zhì)量指標(biāo)均滿足用戶要求，且經(jīng)實(shí)踐證明，修復(fù)后的輥?zhàn)蛹葷M足使用要求，也能確保其使用壽命，說明在該工藝和選材下堆焊修復(fù)助卷輥是完全可行。

通過理論試驗和實(shí)際堆焊修復(fù)，確定了選用的焊接材料和堆焊工藝是合理可行的，助卷輥堆焊修復(fù)技術(shù)也將為其他軋機(jī)工作輥修復(fù)提供工藝技術(shù)基礎(chǔ)。在后續(xù)不斷優(yōu)化、成熟的工藝下，進(jìn)行批量修復(fù)，穩(wěn)定質(zhì)量，將會為鋼鐵廠降低生產(chǎn)成本、創(chuàng)造巨大效益。

此外，經(jīng)了解目前市場上修復(fù)助卷輥的工藝主要有埋弧堆焊和噴焊兩種，從成本和效率考慮，埋弧堆焊的方法設(shè)備要求低、效率高、成本低，符合企業(yè)的發(fā)展要求。因此，采用埋弧堆焊工藝修復(fù)助卷輥是一種可推廣使用的技術(shù)方法。