冶金設備50CrMo支撐輥表面裂紋的焊接修復工藝研究

天津賽瑞機器設備有限公司 （300301） 張貴芳 王天德

1. 概述

我公司是大型無縫管生產基地，在長期的生產過程中，經常遇到各種冶金設備的焊接修復任務，由于50CrMo支撐輥具有較高的強度、硬度及耐蝕性能，足以抵抗熱軋過程中高溫及冷卻媒介的腐蝕，所以在冶金行業廣泛使用。但它的碳當量高，焊接性能較差，所以輥子的本體一旦產生裂紋需要焊接修復時比較困難。如果選擇報廢，既影響正常的生產，又增加了企業成本。通過我們對支撐輥裂紋的分析，制定出合理的焊接工藝，圓滿地完成了焊接修復任務。支撐輥總長1310mm ， 最大直徑700mm，輥子中間 V形處直徑580mm。

2. 裂紋分析

由于交貨的鑄件在制造過程中緩冷效果不良，鋼材內外組織和性能存在不均勻差異，或在鍛造加熱時加溫速度過快，造成支撐輥在機械加工前輥子本身存在應力，在加工時破壞了支撐輥原有力的平衡，加上鑄造過程中輥子存在雜質，所以在機械加工過程中容易在輥子中間V形處產生應力集中或沿輥子表面鑄造時非金屬雜質處開裂，粗加工過程中出現裂紋如附圖所示。支撐輥的材質為50CrMo，屬中碳調質鑄鋼，其化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

粗加工產品

表1 50CrMo化學成分（質量分數） （%）

表2 50CrMo力學性能

3. 焊接難點

（1）焊接裂紋 ①由于50CrMo屬中碳調質鋼，其含碳量較高，焊后如果焊縫冷卻速度過快，接頭易產生淬硬組織，使接頭的組織和性能變差，在焊縫收縮應力的作用下易產生裂紋。②支撐輥的剛性較大，焊接時接頭將產生較大的拘束應力，當它超過焊縫所能承受的塑性極限時將產生裂紋。③由于氫在焊接時易產生氫脆、白點、冷裂紋，所以焊接前后如果不能很好地去除或減少輥子中的氫，焊后易產生冷裂紋。

（2）焊接對支撐輥硬度的影響 ①由于50CrMo具有較高的強度、硬度及明顯的淬硬傾向，所以焊接接頭會產生不同硬度的區域。②焊縫的熔敷金屬不但起到修復支撐輥裂紋的作用，而且在輥子工作運行時與它周圍金屬同樣起到對鋼管的支撐作用，如果接頭的硬度過高或過低都將使支撐輥在使用一段時間后，焊縫周圍沿熔合線產生凸起或下凹的現象，易產生裂紋。所以焊縫接頭金屬的硬度要與母材相符。

4. 修復工藝的確定

（1）焊材的選擇 主要依據支撐輥的使用環境、強度及硬度等。依據50CrMo的化學成分及力學性能。我們選擇的焊條是J107Cr，對應的型號為E10015-G(GB)，屬于低氫鈉型低合金高強度焊條，采用直流反接，可全位置焊。適用于抗拉強度相當于980MPa的低合金高強度鋼的焊接。熔敷金屬的化學成分及力學性能如表3、表4所示。

（2）預熱的目的及溫度確定 ①預熱能降低焊縫與周圍金屬的溫差，減少焊縫的收縮量，從而減小焊接應力，避免產生裂紋。②能降低焊縫的冷卻速度，避免因焊縫冷卻過快而產生淬硬組織使接頭的組織和性能變差。③通過焊前預熱可使支撐輥中的氫變得活躍得到釋放，避免產生冷裂紋。

表3 J107Cr熔敷金屬化學成分（質量分數） （%）

表4 J107Cr 熔敷金屬力學性能

根據母材的化學成分及工件的厚度通過預熱經驗公式計算，50CrMo支撐輥表面裂紋焊接修復的預熱溫度為350～400℃。

5. 焊接過程

（1）焊前準備 焊前準備直流弧焊機，把J107Cr電焊條放入烘干箱加熱350℃，保溫2h。用角向砂輪根除支撐輥表面的裂紋，為避免應力集中而選擇V形坡口。坡口修磨后應做PT探傷檢測。

（2）預熱 把支撐輥放入電爐中加熱，加熱的上升溫度應控制在50～60℃/h。為使支撐輥熱透，根據它的輪廓尺寸計算保溫時間≥12h。

（4）焊接 選用φ2.5～φ3.2mm，J107Cr電焊條對預熱后的支撐輥進行施焊，為減小焊接應力，焊接時盡量選用較小的熱輸入，填充過程中每焊完一層都要用帶有圓錐形的鐵錘對焊縫進行敲擊，使焊縫表面得以伸展。層間溫度≥300℃。焊后應進行880℃油淬及520℃回火空冷調質處理，消除焊件的殘余應力，使組織均勻化。

（5）焊后檢測 通過對精加工后支撐輥焊接部位MT檢測，未發現焊接缺陷，硬度測試合格，焊接修復獲得成功。

6. 結語

由于50CrMo支撐輥剛性大、強度高、淬硬傾向明顯，所以焊接時易產生裂紋。選擇合理的焊材、焊前預熱，以及焊后熱處理是保證焊接成功的關鍵。