轧辊的埋弧焊堆焊修复

轧辊堆焊在堆焊领域占有很大比重，几乎所有的大中型钢厂都有轧辊堆焊能力，还 有许多研究单位、焊接材料公司研制和生产有关轧辊堆焊的材料、设备和工艺。被 堆焊的轧辊大多是已经磨损而不能使用的废旧轧辊，轧槽表面除了有铁锈、油污外， 往往有轧制时造成的裂缝和龟纹。采用堆焊技术修复这些废旧轧辊具有重大的经济 效益。钢轧辊埋弧堆焊的工艺过程包括： 钢轧辊进行表面堆焊前必须进行表面清理 经过表面清理的轧辊放入轧辊预热炉中经过一段时间的预热。 在轧辊达到一定的温度后进行钢轧辊的自动埋弧焊堆焊 对堆焊完成的轧辊进行堆焊层的外观质量的检验; 对轧辊进行缓冷 轧辊在使用前进行车削加工 轧辊堆焊前的车削加工为了保证轧辊堆焊层的质量，提高轧辊堆焊效率，在堆焊前必须做好轧辊的表面清 理工作。堆焊前钢轧辊要进行适当的切削，目的是将轧槽表面上的裂纹、龟裂全部 车除。对于无裂纹处，要除去工作表面的铁锈和油污，在车削中发现个别的深孔砂 眼，需要用电钻或砂轮将砂眼钻深及扩大，并用手工电弧焊补焊。轧辊堆焊前车削 加工的原则是消除轧辊表面的任何缺陷。轧辊堆焊前车削加工的车削量，新轧辊应根据图纸的尺寸将轧辊直径车小812 mm, 以保证堆焊后的轧辊工作表面处于堆焊层的第三层以上。由于堆焊能使轧辊工作直径始终处于一个定值，这就改变了过去那种轧辊工作直径 从最大直径、经过几次车削到最小直径的惯例。对轧辊工作直径的选定应根据轧钢 机调整的方便，与轧辊孔型设计人员协商制定。轧辊的轧槽在堆焊前车削加工中应考虑在堆焊过程中防止夹渣的问题。加工部分要 求没有小于90的锐角，以防液态金属和溶剂的流失。也不允许车削后的轧槽有较 薄的部分。防止轧槽在堆焊过程中出现局部过热。轧辊堆焊前的预热采用合金钢焊丝对轧辊进行堆焊时，堆焊前的预热是防止堆焊金属产生裂缝的最有 效的措施。焊前预热能减少堆焊层金属的冷却速度，减少堆焊层金属的结晶偏析， 减少热应力的产生。轧辊堆焊前预热可是基体金属在马氏体相变临界温度以上进行 比较充分的分解，能避免堆焊层金属的淬硬倾向，防止堆焊焊缝及热影响区产生裂 纹。轧辊堆焊的预热温度可根据焊丝的含碳量确定，如图。目前轧辊堆焊采用的焊丝一般为2Cr13、3Cr13、30CrMnSiA、3Cr2W8V、3CrMoSi、3Cr2W4Mn 等合金焊丝。在堆焊过程中，当堆焊层金属与轧辊的基体金属相变临界温 度有较大的温差时，会产生较大的应力。在热状态或冷却时，如果应力总合大于堆 焊层金属的内在结构力时，堆焊层金属就会产生裂纹。轧辊堆焊前预热和焊后的缓 慢冷却，造成堆焊层金属与基体金属平衡膨胀和收缩，可防止产生裂纹。轧辊堆焊的工艺参数及操作要点 合理确定轧辊堆焊的工艺参数的基本要点是：电弧燃烧稳定、堆焊焊缝成型良好， 电能消耗最少、生产效率较高。钢轧辊埋弧焊堆焊的工艺参数见表。表中所列的数据是在小电流、低电压、薄层多次堆焊的情况下得到的。由于采用小 电流和较快的堆焊速度，焊丝中的合金元素在电弧的高温作用下烧损较少，堆焊焊 缝的熔透深度较浅。又因采用了薄层多次堆焊的方法，保证了轧辊轧槽表面的堆焊 层金属具有需要的化学成分，硬度、及金相组织。采用“ 小电流、低电压、薄层多次” 堆焊方法时，电弧电压不能太低或太高。如 果电弧电压高了，虽然对引弧有利，但是在整个堆焊过程中将出现成型高低不平、 脱渣困难，影响堆焊层质量，如果电弧电压太低，又会造成引弧困难，在堆焊过程 中容易熄弧。堆焊层金属和轧辊基体金属不能很好的焊合，造成堆焊层剥落。所以 电弧电压应控制在适当的范围内。轧辊自动埋弧焊堆焊的操作要点如下。 轧辊中心、焊丝位置及焊丝倾斜角 钢轧辊埋弧堆焊过程中，应把焊丝从轧辊顶 点位置移向与回转方向相反的一边，与轧辊纵轴的交角a约5 （见图）这样可以 避免堆焊熔池中的液体金属和溶渣的流失破坏堆焊焊缝成形。为了确定焊丝从轧辊 中心顶点向回转方向相反的一边移开的距离L，应知道堆焊熔池的长度，以便用熔 池长度控制移开的距离。焊丝移开轧辊中心顶点的距离，可用经验方法求得，即 L=5% D其中D为轧辊直径（mm） 堆焊焊缝的节距及堆焊行走速度 堆焊焊缝的节距是指相邻两条螺旋焊缝的重叠 间歇。埋弧堆焊焊缝节距大小，除了影响堆焊层表面平整外，还影响堆焊层金属化 学成分的均匀性和熔合比。在轧辊自动堆焊中，长草用的方法是减少堆焊金属的金 属节距m,降低基体金属在堆焊层中的比例，如图所示。当m V 0.5 b时，轧辊基体金属在堆焊层中所占的比例显著减小（见图）。用这 种方法进行轧辊自动埋弧焊时，轧辊堆焊层的第一层的第 3、4 螺旋堆焊焊缝上的 融合比Y=20%30%。第二层或第三层焊缝的化学成分接近焊丝的成分，满足轧辊 堆焊的要求。实际施焊中，堆焊焊缝节距大小的调节，主要通过埋弧焊小车的行走 速度控制。 轧辊堆焊后的缓冷、车削 轧辊堆焊后的冷却应当是缓慢又均匀的冷却，以使由于堆焊层金属收缩和加热不均 匀引起的内应力最小。堆焊后轧辊的缓冷有以下几种方法： 装入缓冷坑。 简易的缓冷坑是在地面下用水泥砌一个坑，上面有绝热材料制成 的盖。坑内一般可放入干燥的黄沙、石灰、稻草灰等。简易的缓冷坑如图所示 装入保温炉 有轧辊预热、保温炉的地方，利用轧辊加热后的炉子预热，并将堆 焊完毕的轧辊装入炉内，随炉冷却。堆焊后的轧辊应立即进行缓冷，冷却至100C左右出炉（或出坑），然后进行机械 加工。至于缓冷时间，主要是以轧辊的体积为依据。对于质量小于 1.5t 的轧辊， 缓冷时间应在12h以上；对于质量在3t以上的大轧辊，要求缓冷时间在40h以上。 轧辊堆焊中由于采用了 2Cr13、3Cr13、3CrW8V 等合金焊丝，堆焊后的切削加工时 刀具极易磨损和受到破坏。因此，堆焊轧辊粗加工时，采用硬质合金刀具，磨刀时 取负角约5。机床转速约10r/min，吃刀量适当减少。堆焊轧辊的精加工一般没有 问题，因为轧辊表面已经做过粗加工。对于合金钢堆焊层金属的车削，虽然有一些 困难，但还是比较容易克服的在轧制生产中，轧辊与所轧金属直接接触，使金属产生塑性变形，是轧机的主要变 形工具。轧辊是轧机大型消耗性不见，在整个生产过程中轧辊因磨损而消耗的部分 约占轧辊总重量的 10%20%，而大量的轧辊消耗是由于修复过程中局部缺陷而导致 报废的。因此，如何提高轧辊的使用寿命，对轧辊进行修旧利废，成为降低产品成 本的一个重要途径。轧辊堆焊是指去除轧辊表面的疲劳层或缺陷后，用合适的堆焊材料、采用科 学的工艺方法将其修复至原始辊径的过程，它的主要优点是轧辊使用前后的辊径不 变。因此轧辊堆焊技术为轧辊生产中降低轧辊消耗、提高轧辊使用寿命提供了可能。各种堆焊技术的特点目前在国内外冶金行业使用的堆焊技术有喷镀、气体保护焊、埋弧焊、电渣 焊，其中轧辊埋弧焊是应用最广泛的工艺，具有生产效率高、质量好、经济效益较 好的优点。各种工艺特点如表1。表1 各种工艺特点喷镀气体保护焊埋弧焊电渣焊熔敷速度/kg h-1201030200400堆焊厚度/mm4102010015100堆焊特点单层或多层 多层 多层 多层第一层稀释率/% 理论上为0850850850结合形式机械冶金冶金冶金轧辊堆焊材料 轧辊根据其使用要求的不同，对堆焊材料的选择也不同，按其合金类型可归 纳为八类：1 低合金钢：此类合金价格便宜，堆焊金属组织以索氏体或屈氏体为主，冲 击韧性好，抗裂性好，硬度HRC3035，易于加工。具有一定的耐磨性，但不能进一 步提高轧辊使用寿命。2 热作模具钢：该类材料具有良好的红硬性、高温耐磨性及较高的冲击韧性， 焊后消除应力退火后，硬度一般在HRC4550，使用寿命比原轧辊提高1 5倍。3 马氏体钢：焊接性能好、耐磨、耐热性能也较好，但成本较贵。4弥散硬化钢：15Cr3Mo2MnV等，焊态硬度HRC3538，易加工。经560C, 保温15小时弥散硬化处理后，硬度可提高到HRC4647。5 奥氏体加工硬化钢：此类材料焊后硬度较低，但使用过程中由于冷加工硬 化而大幅度提高。该合金系多用于深孔槽轧辊的孔型堆焊。6 合金铸铁：这类合金具有很高的硬度和耐磨性、良好的热稳定性和抗氧化 性。由于含碳很高，无法拔丝故埋弧焊很难，只能铸成管子作为电极进行电渣堆焊 堆焊轧辊比同样成分铸造辊耐磨性提高1.52倍，而成本比复合铸铁轧辊低1倍。7 高碳合金钢：该类材料含炭量及合金元素较高，为防止堆焊时出现裂纹， 要求较高的预热温度和层间温度，堆焊后要进行一定的热处理。8马氏体时效钢：该材料为Fe-Ni-Co-Mo合金系，焊态低硬度，便于加工， 经时效处理硬度大为提高。上面介绍了集中主要堆焊合金系统的可焊性、抗裂性、加工性及经济性，在 具体选材时要根据轧辊类型、工作条件，预期寿命及设备条件等，进行综合分析、 以选区合适的材料。轧辊堆焊工艺严格执行正确的轧辊堆焊工艺，是保证轧辊堆焊质量的好坏及成功与否的决 定性因素。轧辊堆焊过程包括以下步骤：1 堆焊前采用机械加工方法，对堆焊孔型进行粗加工，去除轧辊表面的疲劳 层及缺陷，特别是裂纹必须彻底清除，对多次堆焊的轧辊，应经超声波探伤，检查 内部情况，在确认无裂纹的情况下方可进行焊接。2 预热由于轧辊及堆焊材料均为含炭量和合金元素较高的材料，加之轧辊辊径大、 刚性大、冷却速度快，很容易在焊接时造成脆性区，并且由于温度不均形成很大的 热应力造成裂纹。为了防止裂纹的发生，堆焊前必须对轧辊进行预热，预热温度由 辊身及堆焊材料成分而定。为了使轧辊表面得到均匀的硬度，预热温度应在材料的 Ms点以上。为了减少热应力，加热速度也应当控制，特别是大轧辊，升温速度开始 100C采用约20C/h，之后可为40C/h。要求均匀加热。3 焊接焊接是堆焊成败的关键环节，要获得理想的堆焊层必须综合考虑某些可变因 素，如：焊接电压、焊接速度、轧辊转速、轧辊的保温、焊接电流、焊接材料等， 对一些含碳及合金元素高的辊芯，为防止脆性区的裂纹，除一定的预热措施外，多 采用低碳低合金过渡层进行预先堆焊过渡层。4 焊后处理这是轧辊堆焊的最后一道工序，为了减少由于表面和内部冷速不一造成体积 应力而引起裂纹，要控制冷速。一般控制冷速和加热速度大致相同，冷至100C时 要保温一定时间，冷至50C以下可不再控制冷速。为了消除焊接残余应力，必须进 行回火处理，回火温度视轧辊使用条件，一般控制在450600C之间。回火温度高， 内应力消除彻底，但硬度降低。因而回火温度的选择，既要保证轧辊表面一定的硬 度，又要尽量消除内应力。回火的保温时间通常取每一寸直径保温一小时，多在410 小时内选取，冷却大部分是随炉缓冷，降温至150C后可空冷。结论轧辊堆焊作为“复活”轧辊的一项先进技术，具有如下优点：1 堆焊后的轧辊使用寿命普遍提高一倍以上。2 极大的降低了吨钢成本，提高了生产效率。3 堆焊后的轧辊具有良好的抗裂性、耐磨性、耐冷热疲劳性