堆焊修復(fù)技術(shù)的研究與實(shí)踐

1、堆焊材料

大型熱軋支承輥的輥體材質(zhì)種類繁多、成分不一。接觸到的有60CrNiMo、60CrMnMo70Cr3Mo、9CrMnMo 和9Cr2Mo 等；有鍛鋼的，鑄鋼，也有復(fù)合鑄鋼的。

上述材料都是高碳合金鋼，其特點(diǎn)是碳含量高、可焊性差，而且又是幾十噸重的龐然大物，剛性大、焊接應(yīng)力大，焊接時(shí)極易產(chǎn)生裂紋。因此，堆焊硬面工作層前必須先堆焊過(guò)渡層。過(guò)渡層材料為低碳低合金鋼，要求強(qiáng)韌兼?zhèn)?，硬度適中，堆焊層及與輥體結(jié)合面無(wú)裂紋等缺陷，與輥體及硬面工作層均能良好結(jié)合，并在二者之間起到過(guò)渡緩沖作用，從而確保大厚度工作層堆焊的順利進(jìn)行。對(duì)工作層材料的要求是堆焊層無(wú)超標(biāo)工藝缺陷、耐磨性好、屈服（回火索氏體+碳化物+殘余奧氏體）強(qiáng)度高并有一定塑韌性；經(jīng)焊后消應(yīng)力回火，硬度滿足技術(shù)條件要求。兩種焊材的堆焊金屬的典型成分、性能見表1 和表2，工作層堆焊金屬的顯微組織，見圖1。

由圖1 可知，工作層堆焊金屬組織中以回火索氏體為主，并分布了一些碳化物，保證了堆焊金屬具有較高的強(qiáng)度和足夠的硬度。殘余奧氏體的存在使金屬組織具有較好的塑性和必要的韌性（表2）。這樣的組織性能保證了支承輥在高（工作）應(yīng)力擠壓工況條件下不易發(fā)生開裂和剝落等失效現(xiàn)象。

2、工藝裝備

成套、有效的工藝裝備是保證大型支承輥堆焊修復(fù)成功的基本條件，除必要的起重條件外，還必須具備以下工藝裝備。

2.1 滾輪架（轉(zhuǎn)胎）

按工藝要求，設(shè)計(jì)制作了可調(diào)式（適應(yīng)不同輥?zhàn)樱┏匦蜐L輪架，最大承重量160t。通過(guò)變頻調(diào)速裝置，可滿足堆焊工藝全過(guò)程多種轉(zhuǎn)速需要。

2.2 加熱爐根據(jù)實(shí)際工藝需要，設(shè)計(jì)制作了專用加熱爐，加熱爐最大功率600kw，最高工作溫度為700℃。采用電腦控溫，溫控精度為±2℃，為支承輥堆焊熱處理后的輥面硬度均勻性提供了可靠保證。

2.3 焊接機(jī)群和操作平臺(tái)

為提高焊接效率及整個(gè)輥體受熱均勻（有利于減小焊接應(yīng)力），采用多臺(tái)焊機(jī)組成焊接機(jī)群置于同一工作平臺(tái)上同時(shí)作業(yè)。為此，對(duì)焊機(jī)的行走機(jī)構(gòu)和機(jī)頭都作了改造。多臺(tái)焊機(jī)在同一軌道上行走，必須在機(jī)械上保持等速度；其次，所有焊機(jī)的工藝參數(shù)必須保持一致，才能保證堆焊層面的均勻平整。另外，焊機(jī)操作、焊劑的補(bǔ)充（加料）、焊接過(guò)程的監(jiān)控及焊道的脫渣都在相應(yīng)（不同高度）的工作平臺(tái)上進(jìn)行。

3、堆焊工藝關(guān)鍵技術(shù)

3.1 預(yù)熱溫度和預(yù)熱工藝曲線的合理設(shè)計(jì)

高碳合金鋼大型支承輥的預(yù)熱溫度一般控制在400℃左右。如果輥面機(jī)加工后發(fā)現(xiàn)硬度較高，則預(yù)熱溫度可適當(dāng)提高。預(yù)熱過(guò)程中，升溫應(yīng)緩慢（30～40℃/h），并在200℃、300℃保溫一段時(shí)間，升溫到設(shè)定預(yù)熱溫度后保溫較長(zhǎng)時(shí)間，務(wù)必使輥體內(nèi)部熱透，輥體內(nèi)外溫度均勻。

3.2 層間溫度及堆焊過(guò)程中輥體溫度均勻性的控制

堆焊過(guò)程中的層間溫度適當(dāng)與否，對(duì)防止產(chǎn)生裂紋等工藝缺陷起著重要作用，必須保證層間溫度300℃以上（高于材料的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms 點(diǎn)）。為盡可能減小焊接應(yīng)力，整個(gè)輥體溫度應(yīng)力求均勻，特別在堆焊局部深坡口（嚴(yán)重剝落區(qū)）時(shí)，其余部分仍應(yīng)封閉加熱保溫。在堆焊輥面時(shí)，除側(cè)面繼續(xù)由加熱板加熱保溫外，兩端因散熱快，應(yīng)采用火焰加熱器適時(shí)補(bǔ)充加熱保溫。

3.3 工藝參數(shù)

堆焊時(shí)，焊接工藝參數(shù)必須合適，應(yīng)調(diào)整達(dá)到電弧穩(wěn)定，焊道成形美觀，無(wú)工藝缺陷。由于輥面長(zhǎng)達(dá)2700~3400mm，可采用多臺(tái)焊機(jī)同時(shí)作業(yè)，其工藝參數(shù)必須保持一致：焊絲為Ф 4mm ， 焊接電流450~550A ， 電弧電壓28~30V，焊接線速度500~600mm/min。

3.4 操作技術(shù)要點(diǎn)

3.4.1 輥體預(yù)熱到250~300℃時(shí)，輥端焊接擋邊，以保證兩端焊縫飽滿，并有足夠加工余量。

3.4.2 堆焊過(guò)程中要特別注意焊機(jī)之間相鄰焊道有充分的重疊量，避免銜接處脫焊、假焊而造成嚴(yán)重質(zhì)量隱患。
3.4.3 堆焊過(guò)程中要精心操作，嚴(yán)密監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)工藝缺陷，必須暫停焊接，把缺陷處理干凈后重新引弧堆焊。

3.4.4 中間熱處理與焊后熱處理。有些支承輥局部嚴(yán)重剝落，機(jī)加工后坡口很深（如108t 輥?zhàn)?，坡口深達(dá)193mm）。為避免焊接應(yīng)力積聚過(guò)大而可能產(chǎn)生裂紋，必須進(jìn)行中間熱處理。熱處理工藝為升溫到500~550℃保溫足夠時(shí)間后緩慢降溫到400℃開爐繼續(xù)堆焊過(guò)程。中間熱處理的次數(shù)視坡口深度而定。一般情況下，堆焊厚度達(dá)到30~50mm 應(yīng)進(jìn)行一次熱處理。堆焊過(guò)程全部結(jié)束后則進(jìn)行最終的焊后熱處理。熱處理工藝必須同時(shí)滿足兩個(gè)要求：一是最大程度地消除焊接應(yīng)力，二是熱處理后，輥面硬度滿足用戶要求，一般在550~600℃，保溫足夠時(shí)間后斷電隨爐緩冷。

4、堆焊質(zhì)量檢驗(yàn)

支承輥焊后熱處理結(jié)束，隨爐冷卻到50℃以下出爐，隨即進(jìn)行焊接質(zhì)量檢驗(yàn)和成品加工。

4.1 輥面硬度檢測(cè)支承輥出爐后，取4根母線用砂輪機(jī)打磨，在拋光后用里氏硬度計(jì)檢測(cè)輥面硬度。表3 為50t 和78t 堆焊支承輥輥面硬度測(cè)試結(jié)果。表3 堆焊支承輥輥面硬度(略）由表3 可知，輥面硬度值均滿足用戶要求，均勻性也較好，說(shuō)明采用的堆焊材料和焊后熱處理工藝都是合適的。堆焊后并已檢測(cè)硬度（尚未機(jī)加工）的72 噸支承輥見圖2。

4.2 無(wú)損探傷

堆焊輥機(jī)加工后，對(duì)輥面100%著色探傷，要求輥面無(wú)裂紋和氣孔等工藝缺陷，經(jīng)過(guò)堆焊修復(fù)的大型支承輥進(jìn)行表面著色探傷均能滿足技術(shù)要求。著色探傷合格后對(duì)堆焊層內(nèi)部進(jìn)行全方位超聲波探傷，對(duì)照GB11345-89 和JB4120-85 標(biāo)準(zhǔn)，均未發(fā)現(xiàn)大于Ф 2mm 的單個(gè)缺陷，圖3 為78t 支承輥正在進(jìn)行輥面超聲波探傷。

5、堆焊支承輥的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用和跟蹤服務(wù)
經(jīng)堆焊修復(fù)的大型支承輥已陸續(xù)上機(jī)使用，較早修復(fù)支承輥的過(guò)鋼量已接近200 萬(wàn)噸，有些接近或超過(guò)百萬(wàn)噸，還有從十萬(wàn)噸到幾十萬(wàn)噸不等。對(duì)堆焊支承輥的實(shí)際使用情況，用戶普遍反映良好。有一家用戶還專程上門致謝，因?yàn)樵撚脩粲嗁?gòu)的新輥遲遲不到貨，而堆焊輥的使用保證了該廠生產(chǎn)的正常進(jìn)行。堆焊支承輥上機(jī)使用后跟蹤服務(wù)，經(jīng)表面硬度檢測(cè)和堆焊層無(wú)損探傷顯示，輥面及堆焊層內(nèi)部質(zhì)量均保持良好，堆焊層與輥體結(jié)合面未發(fā)現(xiàn)異常。

6、少數(shù)堆焊支承輥提前失效原因分析

多年來(lái)，堆焊修復(fù)的大型熱軋支承輥中，有少數(shù)支承輥服役后提前失效，主要失效形式圖2 72 噸堆焊支承輥圖3 堆焊支承輥現(xiàn)場(chǎng)超聲波探傷是端部剝落，也有較輕度的損壞：即輥面局部發(fā)生掉肉現(xiàn)象。

6.1 剝落原因分析

剝落都發(fā)生在端部，并起始于堆焊層與輥體的結(jié)合面，觀察輥體剝落區(qū)焊道痕跡清晰可見。發(fā)生剝落的堆焊輥已完全失效，必須回廠局部返修后才能恢復(fù)使用性能。一支支承輥端部剝落經(jīng)局部返修后已使用2 年無(wú)異常。眾所周知，熔合區(qū)是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。堆焊輥也一樣，堆焊層與輥體的結(jié)合區(qū)是最薄弱的環(huán)節(jié)，如果在結(jié)合部分存在焊接缺陷（產(chǎn)生這些缺陷可能是焊材因素，也可能是焊接操作因素或工藝因素。當(dāng)然與輥體材質(zhì)的不良焊接性能也密切相關(guān)），當(dāng)支承輥服役時(shí)在軋制力的連續(xù)作用下，這種焊接缺陷將成為萌生裂紋的根源，加之端部應(yīng)力集中，使裂紋迅速擴(kuò)展，發(fā)生剝落就不可避免了。

6.2 “掉肉”原因分析

與剝落比較，掉肉區(qū)域要小得多，其形貌特征是坑坑洼洼，掉肉塊與輥體呈高低交錯(cuò)狀。掉肉也多位于近端部，加之面積不大也不深，一般經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)打磨處理后可繼續(xù)上機(jī)使用。一支40t 的支承輥發(fā)生掉肉（圖4）后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)打磨處理后已正常使用2 年多至今仍保持初始狀態(tài)。發(fā)生掉肉的主要原因是周期下線后對(duì)輥面的微裂紋、硬化層未磨削干凈，再次上機(jī)服役時(shí)，這些固有的微裂紋迅速擴(kuò)展，當(dāng)縱橫交錯(cuò)的裂紋把某一小塊金屬包圍后，則這塊金屬便被割裂而脫落，這就是所謂的掉肉現(xiàn)象。有一支支承輥，在售后跟蹤服務(wù)中，連續(xù)二次發(fā)現(xiàn)磨削量不夠，局部微裂紋未磨削干凈，該輥終究因掉肉并進(jìn)一步惡化而失效。

6.3 防止堆焊輥提前失效的對(duì)策

根據(jù)我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采取以下對(duì)策，對(duì)防止堆焊輥提前失效有良好效果：

（A）6.3.1 嚴(yán)把焊絲質(zhì)量關(guān)，尤其要嚴(yán)格控制C、S、P 等對(duì)產(chǎn)生焊接缺陷特別敏感的元素含量。

（B）6.3.2 對(duì)焊接工藝務(wù)必嚴(yán)格苛求，所有的工裝必須有效可靠。焊后熱處理應(yīng)最大程度消除焊接應(yīng)力。盡最大可能確保堆焊質(zhì)量。

（C）6.3.3 堆焊輥下線磨削時(shí)必須保證，徹底清除微裂紋、硬化層并使輥面硬度恢復(fù)到原始值（指堆焊修復(fù)后使用前的硬度值）。這是防止掉肉的有效措施。

（D）6.3.4 采用合理的輥形，在不影響使用前提下，盡量放大兩端倒角的長(zhǎng)度。這對(duì)防止端部剝落絕對(duì)有利。

7 結(jié)束語(yǔ)

大型支承輥的堆焊修復(fù)成功，充分驗(yàn)證了自主設(shè)計(jì)、制造的成套大型工藝裝備的有效性和合理性。堆焊層的優(yōu)異質(zhì)量說(shuō)明采用的材料、工藝是合適的。實(shí)際上，堆焊修復(fù)大型支承輥是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，尤其是一支訓(xùn)練有素的職工隊(duì)伍顯得更為重要，因?yàn)榇笮椭С休伓押腹ぷ髁看?、周期長(zhǎng)，不僅要求操作人員過(guò)硬的技術(shù)水平，更要求他們具有高度的工作責(zé)任心和對(duì)質(zhì)量一絲不茍的苛求精神。另外，供電保證、設(shè)備保駕、后勤保障都要周密安排，做到萬(wàn)無(wú)一失，絲毫的疏漏都會(huì)造成嚴(yán)重的后果。少數(shù)堆焊輥的提前失效充分說(shuō)明大型熱軋支承輥堆焊修復(fù)技術(shù)的高難度和復(fù)雜性。我們的工作還僅僅開始，尚需通過(guò)進(jìn)一步研究、實(shí)踐，使大型支承輥的堆焊修復(fù)技術(shù)不斷改進(jìn)、完善和提高。