Φ850開坯軋輥孔型堆焊裂紋原因分析

劉志勇 彭建華

（湖南漣鋼機電設備制造有限公司，湖南 婁底 417000）

2017年4月，單位承接了一套（上下各一支）Φ850軋輥（用于模鑄合金特種鋼坯開坯用）堆焊修復業務，堆焊用焊絲、焊接工藝、圖紙由買方提供，焊劑由湖南漣鋼機電設備制造有限公司提供。該套軋輥孔型因堆焊出現大面積的裂紋，兩次返工，耗費了大量的人力、物力和時間，排除多種原因，第三次堆焊才找出裂紋出現的原因。

本文即對此次軋輥堆焊裂紋出現的原因及解決方案做出分析，為后續的軋輥堆焊提供寶貴的經驗。

1 修復工藝制定

軋輥孔型圖如圖1所示。

圖1 軋輥示意圖/mm

出于保密需要，買方未提供軋輥的詳細材質，僅提供了簡單的工藝方案，及堆焊用焊絲。根據其提供的簡單的工藝方案，制定了詳細的、全過程的修復工藝，修復工藝如下：

（1）堆焊前去疲勞層機加工：堆焊前上軋輥車床C8465車去輥子表面的裂紋和缺陷，特別是環狀裂紋，要求是完全去除裂紋。比較深的環形裂紋用圓弧刀車，圓弧刀的半徑要大于R10。車完后進行表面著色探傷，完全無裂紋特別是環狀裂紋去除干凈后方能堆焊。

（2）焊材烘干：使用前烘烤焊絲和焊劑，確保兩者干燥。烘烤溫度250 ℃左右，時間2 h。

（3）焊前預熱：8 h內升溫至350 ℃，在350 ℃時保溫8 h。

（4）焊接。

①過渡層采用YS430焊絲配HJ260焊劑，焊一層，厚度≤2 mm。焊接參數同下；②工作層焊絲采用YS542-1、￠3.2 mm的藥芯埋弧焊絲，配合HJ260焊劑使用（實際使用的是SJ102焊劑）；③焊接電流：380～420 A；④焊接電壓：30 V；⑤焊道搭接量：45%～50%；⑥層間溫度：200～300 ℃。焊接同時給輥子加熱，保證輥面的層間堆焊溫度。焊接過程中，如輥面溫度低于200 ℃，停止焊接，入爐加熱保溫。原則上是最多堆焊25 mm就入爐加熱保溫一次（大型軋輥堆焊時層間溫度過低，特別是輥臺，焊接時層間溫度過低會造成嚴重的熱裂紋）；⑦焊接過程中要注意每個輥臺的位置尺寸，不能偏邊而造成后續無法加工；⑧堆焊順序是先焊孔槽底部，接著是孔的側壁，最后焊輥臺。用卡鉗控制孔槽底部和輥臺尺寸，用樣板控制圓弧孔槽和寬度。因輥子尺寸較大，要考慮2 mm的熱縮，即實際堆焊厚度要比理論計算的多2 mm以上。

（5）焊后退火。

16 h內升溫到520 ℃左右，在520 ℃時保溫10 h，后隨爐冷至100 ℃以下出爐轉機加工（為了保證輥子退火效果，軋輥要旋轉保溫，否則，在保溫5～6 h后將軋輥吊出來，轉動180°后再入爐，完成后面的保溫）。

（6）焊后機加工。

①上輥粗車外園后，根據圖紙先畫好每個輥臺的中心線，用樣板比對加工，注意輥臺中心線不能偏太多；②下輥對應上輥相應孔型加工。

（7）檢驗。

①加工后對輥面進行硬度檢測，達到HRC42-45°為合格；②用樣板對加工后的輥子孔型和外形尺寸進行檢查，應符合圖紙要求。

（8）注意事項。

①采用兩個機頭同時同向焊接，焊接參數相同，各焊輥面的50%；②輥子在焊接過程中要加熱，以保證輥子的層間溫度；③焊接過程中焊接必須連續，中間不能停頓，如果中間因故停焊，必須放入加熱爐中進行保溫；④整個焊接過程中，每0.5 h測量一次輥面溫度，發現溫度低于規定要求時，及時加熱來保證堆焊的層間溫度。

2 堆焊過程出現的問題

堆焊中，裂紋大面積的出現（見圖2）。

圖2 堆焊中出現的裂紋

3 原因分析

針對出現的裂紋，對可能的原因進行了逐一分析排查：

（1）焊前輥面的裂紋未完全清除干凈。

第一次，在輥徑已加工30 mm的情況下，輥槽表面仍有裂紋，考慮繼續下去會增加后續的焊劑成本和時間，內部分析討論后，結合以往的經驗，認為存在的裂紋非環狀裂紋，不會影響后續的焊接質量，于是開始預熱堆焊。因此，焊接過程中出現裂紋后，第一反應是認為裂紋未清除干凈造成的。停止堆焊后重新上車床加工去除裂紋，第二次堆焊，結果裂紋仍然出現。此項原因可排除。

（2）預熱溫度和輥面層間溫度不夠造成的。

第二次，裂紋還是出現。排除了上述原因，考慮是不是溫度的原因。對堆焊層間溫度向操作者作了要求，要求輥面的層間溫度控制在200～300 ℃以上。堆焊過程中，又對入爐加熱保溫的時間間隔做了要求。操作者嚴格按要求在操作，但裂紋仍然出現，又縮小了加熱保溫的時間間隔。理論上堆焊量不超過25 mm，連續堆焊并輔以加熱，應該可以全部焊完后再入爐。但由于裂紋出現較多且頻率出現越來越頻繁，實際入爐加熱的時間間隔變為1次/h或堆焊一層后就入爐加熱。并且每次出爐后堆焊，1 h內不會有裂紋出現，但超過1 h，裂紋會逐漸顯現，逐漸往后，堆焊時間到30 min就出現裂紋，但溫度卻在要求范圍內。多次反復，裂紋仍然存在。這說明裂紋出現的原因不是溫度不夠造成的，另有原因。

（3）焊材的原因，包括焊絲和焊劑。

前述兩個原因基本排除后，引起裂紋的原因就只有焊絲與焊劑了。鑒于焊絲由買方提供，買方保證焊絲是不存在問題的，所以暫不將焊絲列入原因進行分析。

接著分析焊劑。按照工藝要求，買方要求焊劑選用HJ260，但實際使用的是SJ102。這里做個說明，260和102分別屬于熔煉焊劑和燒結焊劑，現在由于環保因素，熔煉焊劑的生產在逐漸減少，加上目前燒結焊劑的性能與熔煉焊劑區別不大了，脫渣容易，焊道美觀，抗裂性好，且價格比熔煉焊劑便宜，目前很多焊劑生產企業正逐漸轉型生產燒結焊劑了。

在2013年前使用熔煉焊劑多，2013年后，逐漸用SJ102焊劑取代了HJ260，對于表面硬度要求高（＞HRC50）的地方，還是選用熔煉焊劑HJ107。由于庫存焊劑HJ260只有900 kg左右，不足以應付堆焊的需要，并且已放置多年，使用質量無法控制，所以使用SJ102替代HJ260配合焊絲使用。前兩次軋輥堆焊出現裂紋，買方認為使用的焊劑質量不好，但前期根據經驗，一直將原因集中在裂紋和溫度2個方面，買方也未說明不能使用SJ102的原因，故堅持認為使用SJ102沒問題。由于裂紋大面積出現，兩次堆焊均失敗，而交貨期緊。經反復調查發現，由于兩種不同焊劑造成大面積裂紋。分別采用HJ107和HJ260配合焊絲各焊輥面的一部分進行驗證，結果表現效果是一致的，輥面不再出現裂紋了。

至此，裂紋出現的原因可以判斷為是焊劑的原因。

一般來說，用堆焊方式提高產品表面硬度的方法有兩種，在焊絲的藥粉中提高C元素的含量或降低C含量，同時加入其他元素來替代，如Cr、Mo、W、N等。后者對堆焊質量及使用壽命較前者要好，前者僅通過提高C元素含量來提高表面硬度，產品表面容易產生裂紋，但價格較后者要便宜。

目前，越來越多的廠家進入堆焊修復市場，對使用方來說，希望修復好的產品是“物美價廉”，這樣造成市場上堆焊價格變得日趨透明。為了爭奪市場份額，修復廠家在焊材的降本方面做文章。如果焊絲中C含量高，超過0.1%，與母體融合后，表面硬度雖然提高了，但脆性也隨之升高，很容易出現裂紋。因此，理論上焊絲中C含量盡量控制在0.05%以下，通過加入Cr、Mo、W、N等元素，在焊劑形成的熔池中反應，既提高表面硬度，又保證韌性。為了降低堆焊成本，一些焊絲廠家在內含的藥心元素中做文章，單純提高C，減少其他合金元素的含量，焊絲價格要便宜5～10 元/kg。無錳型（如HJ130、HJ107等）價格要高于低錳型（如HJ260、SJ102等）約2～3 元/kg，但一些焊劑廠家回收熔煉焊劑使用后的焊渣再利用，打著低錳型的焊劑銷售，這一類焊劑價格比無錳型要低，但性能要高于同類型的低錳型焊劑（如HJ260）。所以，一些廠家采用上述兩種方式，降低焊材成本，而產品能達到相同的使用效果。這次兩支輥子的堆焊，應該就是這種原因。

綜上所述，兩支軋輥堆焊出現裂紋最終是因使用焊劑不當引起的。目前，在網上，關于焊絲焊劑的匹配、焊劑性能等方面介紹很多，各修復廠家又有各自的技術方案，都是圍繞“降本增效”做文章。所以，此次圍繞開坯軋輥的堆焊裂紋引發的原因分析，是日后類似工作的經驗，有助于后續相似問題的預防和處理。