助卷輥堆焊修復技術及應用

成世奇，唐定忠，余 波

（廣西柳鋼工程技術有限公司，廣西 柳州545002）

1 概述

助卷輥是熱軋生產線上的重要部件，使用過程中受激冷激熱和沖擊載荷影響，工作條件惡劣，其表面質量的好壞直接影響到輥子的使用壽命和卷帶的質量與成本。因此，對助卷輥進行修復再利用，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掉塊等問題而下線（圖1）。助卷輥產生損壞原因有：（1）輥面與帶卷間產生沖擊和摩擦造成的磨粒磨損；（2）由于交變冷熱循環作用，經過一段時間使用后，表面產生熱疲勞裂紋，嚴重時可導致剝落掉塊，見圖1所示；（3）冷卻水在外表產生高的蒸汽壓后，造成沖蝕和氣蝕，促進非磨損消耗；（4）表面在高溫環境下，組織和性能發生變化，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合良好的金屬材料，以保證表層有優良的耐磨性、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因裂紋敏感性大而產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行嚴格遏制。為避免堆焊問題的出現，焊接工藝需要重點考慮的問題有：（1）焊接前的預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）預熱焊接時，采用保溫措施保證層間溫度；（3）焊后進行中溫回火，消除焊接應力，同時消除焊縫成分偏析[2]。

綜合考慮技術質量要求和堆焊過程質量問題的控制方法，對助卷輥的焊接性進行系統分析，初步確定助卷輥焊接性符合堆焊修復條件。

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等對強硬度、耐磨性有利元素的焊材，用戶要求硬度值為HRC52-58。根據上述要求，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行光譜分析，兩試塊成分一致，對比LM552焊絲成分指標也符合要求，LM552焊絲成分見表1。

表1 LM552焊絲光譜檢測主要化學成分（%）

5.3 金相檢測

對兩個試塊進行金相分析檢測，試塊1在晶粒晶界區域存在組織偏析晶粒粗大；試塊2在晶粒晶界區域無組織偏析，晶粒細小，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，符合助卷輥修復組織要求，使其具備良好的強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變為需要的組織并消除應力和偏析，而具備優良的物理性能。

5.4 硬度檢測

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

表2 LM552焊絲硬度檢測結果（HRC）

根據成分、硬度及金相組織檢測分析結果可知，LM552焊絲各項性能指標均可達到助卷輥堆焊修復要求；LM001焊絲屬低碳高鉻型焊絲，具備良好的韌性塑性，且結合強度高，對于35#鋼的基體材質，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。

6 工藝確定

6.1 基本焊接參數

據一般埋弧堆焊的標準工藝，并經焊絲檢測、對比，確定最佳的焊接工藝參數為：

（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，易出現焊接裂紋，所以堆焊前需對助卷輥進行預熱，使輥子在堆焊過程整體處在一個相對均勻的溫度預熱要求為：以60℃/h的升溫速度加熱5 h至300℃，在此溫度下保溫10 h，使輥子預熱充分。

6.3 焊后熱處理

焊接完成后，為了消除焊接殘余應力和組織成分偏析，細化晶粒，提高表層金屬強硬度，改善組織性能，需對輥子進行回火處理，回火處理工藝為：輥子堆焊至要求尺寸后，立即進爐，以100℃/h的升溫速度加熱至530℃，在此溫度下保溫10 h，保溫完成后使輥子隨爐緩慢冷卻，爐溫降至室溫方可開爐[4]。

7 應用

7.1 基本流程

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

7.2 堆焊修復過程

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子內部缺陷情況，確保無缺陷堆焊。

根據工藝要求，堆焊前對輥子完全預熱至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層后輥子尺寸達到φ370 mm，LM552堆焊4層后輥身尺寸達到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℃進行回火處理，熱處理后采用粗車+磨削的加工方式使輥子尺寸公差和粗糙度滿足技術質量要求，見圖5所示。

圖5 通過磨削保證加工精度

7.3 修復結果

應用助卷輥修復工藝實施堆焊過程中，焊層熔合成型良好，無裂紋、氣孔等缺陷出現，具有良好的外觀質量。經加工完成后，輥子尺寸公差、表面硬度及光潔度等均達技術質量要求。同時對輥身和輥頸進行全面探傷檢驗，符合JB/T9218-1999規定的4級標準，輥子內部無缺陷。由上可知，采用此工藝技術修復的助卷輥完全符合用戶要求，可用于實際生產。

此外，修復的助卷輥經上線使用后，各項質量參數均符合指標要求，使用壽命達工藝要求，說明修復輥子具備良好的使用性能，也說明工藝和焊材選型是合理可行的。修復后輥子見圖6所示。

圖6 修復完成的助卷輥

8 結論

采用該工藝和焊材修復的助卷輥各項質量指標均滿足用戶要求，且經實踐證明，修復后的輥子既滿足使用要求，也能確保其使用壽命，說明在該工藝和選材下堆焊修復助卷輥是完全可行。

通過理論試驗和實際堆焊修復，確定了選用的焊接材料和堆焊工藝是合理可行的，助卷輥堆焊修復技術也將為其他軋機工作輥修復提供工藝技術基礎。在后續不斷優化、成熟的工藝下，進行批量修復，穩定質量，將會為鋼鐵廠降低生產成本、創造巨大效益。

此外，經了解目前市場上修復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，埋弧堆焊的方法設備要求低、效率高、成本低，符合企業的發展要求。因此，采用埋弧堆焊工藝修復助卷輥是一種可推廣使用的技術方法。