三輥卷板機輥軸斷裂修復

莫志豪

一、前言

Φ300mm×3000mm卷板機是20世紀70年代機械廠自行設計制造，因上輥軸斷裂，需要進行焊接修復。由于材料為中碳調質鋼50SiMn，斷裂處截面直徑80mm，焊接施工難度大。為保證質量，研究制定相關焊接工藝。

二、材料焊接分析

50SiMn鋼的含碳量 0.46%～0.54%，含 0.8%～1.1%Si、0.8%～1.1%Mn等合金元素，鋼的淬硬傾向大，有較高的空淬性，尤其是高碳粗大馬氏體，導致嚴重脆化，增大了焊接接頭冷裂傾向。另外，碳和合金元素含量高，焊縫凝固結晶時溫度區間大，偏析傾向也較大，因此，焊接時具有較大的熱裂紋敏感性，所以焊接時容易出現冷裂、熱裂、熱影響區的脆化和軟化以及再熱裂紋等問題，焊接性較差。根據這一特點，對于焊接材料的選擇，要使之化學成份與母材相同或相近，既要滿足接頭的強度和使用條件，又要保證避免裂紋產生。為了保證修復成功，防止裂紋產生，還必須采取焊前預熱，合理控制層間溫度，以降低接頭冷卻速度，并且接頭焊好后要進行熱處理，以消除焊接殘余應力，改善接頭的組織和性能。

三、焊前準備

1.焊接方法選擇

由于上輥軸斷裂截面處于變截面處，斷面處是軸承位，直徑80mm，大端處是輥軸，直徑320mm，斷裂處離輥軸端15mm，輥軸斷截面如圖1所示。

2.焊接材料選擇

由于50SiMn鋼含碳量高，淬火傾向較大，尤其焊接直徑較大的斷軸時，在焊接熱循環作用下，近焊縫區的淬火傾向更大，這種脆性狀態加上較大的收縮應力，就會導致近焊縫區冷裂。此外，因為母材的含碳量較高，施焊第一層時，有大量的母材熔入，使焊縫金屬具有較高的含碳量。因此，必須采用高韌性超低氫型焊條J607RH預堆過渡層，再用J107Cr（或J857 Cr）焊條填充金屬。

3.坡口加工

由于輥軸直徑大而且長，單邊焊縫高30mm，所以決定采用U形坡口焊接，焊縫尺寸如圖2a，U形坡口角度為25°±5°，并保留5mm的鈍邊。加工后用超聲波檢驗，決不允許有殘留裂紋。

斷裂小段由于尺寸變短不能再用，決定重新加工軸承段，如圖2b尺寸，材料采用50SiMnMoB鍛鋼，采用車床加工成型，U形坡口角度為25°±5°，并保留5mm的鈍邊。

四、焊接工藝過程

1.預熱

采用氧乙炔火焰將坡口及附近區域均預熱到250～300℃，要求焊接的地方均要預熱，包括大斷截面處的堆焊及組對施焊。

2.焊接

（1）要求具有經驗且技術熟練的焊工擔任焊接任務，焊工必須持有勞動部門頒發的鍋爐壓力容器焊工合格證，操作項目應在持證范圍并在有效期限之內，且焊接時嚴禁在輥軸上引弧。施焊前，先把輥軸平放在簡易轉胎上，用手提砂輪對坡口及周邊10～15mm范圍內要徹底打磨清理干凈，去除油污、銹蝕、結垢、氧化皮等雜物，直到呈現金屬光澤。然后按表1焊接工藝要求，用J607RH焊條預堆焊過渡層，即凡與母材接觸面均要打底焊兩道（焊條嚴格按烘干溫度烘干，待用的焊條應放在保溫筒內，必須隨用隨取）。施焊時，坡口處鈍邊務必焊透，且要求過渡層達到坡口高度的1/3處時，再改用J107Cr（或J857 Cr）焊條填充。

（2）輥軸的焊接裂紋傾向大，大熔敷量，更容易造成焊接應力而產生裂紋，為減緩應力，避免裂紋產生，盡量采用小參數施焊。打底焊后應立即進行后道的焊接，手弧焊以小擺幅月牙形方式進行，焊條擺動到坡口兩側時應稍稍加以停留，熔化坡口邊緣1～2mm以防咬邊。收弧時對弧坑稍增填熔滴，在更換焊條時，將起焊部位藥皮敲掉10mm左右，直至施焊完成。焊接參數見表1，焊接工藝圖見圖3。

（3）施焊過程中要保持層間溫度為200～250℃，剛焊完的每段焊縫都要要采用錘擊處理，消除焊接殘余應力，打碎正在成長的柱狀晶粒，使焊縫組織致密均勻。

表1 焊接參數表

3.焊后熱處理

焊后立即消除應力，即不讓焊件冷卻就回火處理。由于輥軸較長，需專用加熱爐，為縮短周期、節約費用，采用車間就地消除應力處理，用加熱帶進行加熱回火保溫。回火保溫溫度630±5℃保溫2.5h，每小時升溫50～70℃，上升溫度每差70℃ 延長保溫時間3h。熱處理時，防止軸發生變形，將接頭兩側墊好。

4.焊后機加工

由于輥軸直徑大而且長，所以我們決定采用臥式鏜床加工。熱處理后，對焊縫進行100%X射線檢測，II級片合格率達到100%。然后將輥軸放在臥式鏜床上按圖紙要求加工，加工時要保證軸承與輥軸的同軸度要求。同時要求對軸進行高頻淬火，淬火溫度 850～870℃（油淬），淬后硬度 300～350HB。

五、注意事項

對合金結構鋼的焊接一定要注意：（1）冷裂紋對焊接應力及焊縫含氫量的敏感性大，因此要徹底清除應力集中點，并選用高韌性、超低氫型焊條預堆過渡層。（2）焊接件很大，散熱快，因此要控制好層間溫度，當層間溫度低于200℃時，要停止焊接，重新加熱后再進行施焊。（3）軸較長，焊后要進行熱處理，熱處理時，將接頭兩側墊好防止軸發生變形。（4）接頭焊好后應進行機加工，機加工時要保證軸間的同軸度要求。

輥軸修復后，經過兩年多的使用，一切正常，表明焊接修復成功。

W13.04-10