立磨輥焊接工藝技術與應用

成世奇，楊 華，余 波

（廣西柳鋼工程技術有限公司，廣西 柳州 545002）

0 引言

在冶金和水泥工業設備中，立磨輥是最主要的設備，主要組成機構如圖1。磨輥是生產過程中極易磨損的部件，為降低生產成本，立磨輥磨損至達不到使用要求后進行修復再利用，因此立磨輥的修復有著極大的市場和意義。立磨輥是一種由輥套、輥體、軸承和承重軸組成的旋轉體，主要磨損修復的是輥套，通過在輥套外圓面堆焊一定厚度的高硬度、高耐磨合金，來降低輥套與磨盤磨損，延長設備整體使用壽命。

圖1 立磨輥構造

原工藝制作的立磨輥為整體高鉻鑄鐵成分，不需要焊接，成本較高，且新輥磨損后修復難度極大，重復利用的比例極低。目前市場上已經逐步轉變為采用鑄鋼材質的輥套毛坯焊接耐磨合金來達到使用效果，但由于輥套的材質與耐磨合金的成分差別太大，在焊接質量控制上存在較大難度，在使用過程中易可能出現合金層掉落和磨損過快的問題，所以焊接過程中，焊接參數控制、焊縫尺寸、厚度就顯得極為重要。此外，焊接所用的合金焊絲的化學和物理性能也是影響焊接質量的重要因素。因此，保證焊接質量是立磨輥焊接過程中的一個重點難點。

1 焊接性分析

立磨輥套采用母材材質為ZG35SiMn，其主要成分見表1，由于其含碳量較高，焊接性能較差，且焊接耐磨層為高硬度高耐磨的高鉻鑄鐵材質，母材與耐磨層焊絲材質差別太大，機械性能差異大，需增加打底過渡層提高焊層與母材的熔合性[1]。

表1 ZG35SiMn 的化學成分（%）

為達到耐磨性能要求，在焊材選型時需考慮焊材成分和硬度等指標，并對焊材化學、物理及焊接性能進行前期試驗，確保焊材符合要求方可進行批量焊接。為確保焊接后焊層質量良好，且具有良好的機械物理性能，根據所選輥套基材情況，需選用3 種焊絲分別作為打底過渡層、中間耐磨層和蓋面超耐磨層，且所選擇各焊層焊絲需具有對應的物理和化學性能：

（1）打底過渡層焊絲：具有良好的塑性、低硬度及與基材良好結合性，使輥套基材與焊層實現良好過渡，并確保與中間層熔合良好。

（2）中間耐磨層焊絲：作為磨輥最主要的磨損層，選擇高鉻鑄鐵材質焊絲，具有高硬度、高耐磨性及良好的焊接性。

（3）表面超耐磨層焊絲：需增加鈮或鉬元素來提高耐磨性能，具有超強的耐磨性并具有高硬度，并有良好焊接成型性。

2 工藝步驟

立磨輥焊接采用明弧焊工藝，該工藝方案包括以下步驟[2-3]：

（1）鑄件毛坯加工：對輥套毛鑄件坯進行車削加工，根據圖紙耐磨層厚度要求，預留足夠余量進行焊接，加工后進行尺寸確認。

（2）焊前清理：對輥套焊接區域進行清理，去除影響焊接質量的污物、油污、油漆、鐵銹、氧化皮、潮氣。

（3）輥套安裝：將被輥套安裝到焊接工裝上，確保工裝能平穩勻速驅動焊件運轉，對驅動工裝底座進行固定。

（4）探傷檢測：采用超聲波探傷和著色滲透探傷的方法對輥套表面和內部缺陷進行確認，確保焊件內外部無缺陷。

（5）焊接：采用明弧焊接，需焊接打底層、耐磨層、蓋面層，先從焊接厚度最大區域開始焊接打底層，需確保所有焊接位置均進行打底，按工藝方案要求焊接打底完成后焊接耐磨層，最后焊接蓋面層至工藝尺寸要求。

（6）過程控制：由于耐磨焊絲為高鉻鑄鐵材質，硬度高、應力大，焊接過程中需嚴格控制層間溫度，確保層間溫度不高于80 益，若層間溫度高于該溫度極限，需采取水霧冷卻的方法來降低層間溫度。

3 應用

3.1 焊材選型與檢測試驗

根據輥套基材材質和焊絲成熟穩定性，焊絲選型：打底層：KCH-615S，中間層：KCH-626V，表面層：KCH-KZ1，所選焊絲均為明弧焊絲，焊絲規格為

打底層作為焊層與母材連接過渡層，需進行焊接可行性分析，確保其機械性與母材性能相似，才能保證焊接的熔合。輥套母材為ZG35SiMn 材質，屬奧氏體高錳鋼，其延伸率較低，延伸率若有5%，即可應付變形量，而打底層焊絲KCH-615S 延伸率則高達13%，實踐證明在使用上不存在問題[4-5]。KCH-615S各項物理性能指標見表2。

表2 KCH-615S 各項物理性能

根據工藝要求，為確保焊材各項質量指標達到工藝要求，需對焊絲進行焊前檢測，檢測方法是焊絲取樣制作焊接試樣，試樣焊接4 層，然后取樣進行檢測，檢測項目主要為化學成分、硬度及金相組織，焊材的檢測結果見表3。

表3 焊材各項指標檢測結果

據圖2 金相圖分析，進行焊接后，取樣進行金相分析，在熔合區域附近未發現裂紋，因此使用KCH-615S 在ZG35SiMn 母材上進行焊接是可行的焊接工藝。據圖3 金相圖分析，500 倍放大圖來看，融合區可明顯看到兩種材料的交界處有交錯的過渡組織產生，證明KCH-615S 與ZG35SiMn 融合情況良好。

圖2 50 倍放大的KCH-615S 與母材交界區域組織金相圖

圖3 500 倍放大的KCH-615S 與母材交界區域組織金相圖

此外，取耐磨層焊絲KCH-626V 做焊接試樣進行金相分析，其主要金相組織為滲碳體+馬氏體和奧氏體。高鉻鑄鐵的耐磨性主要依靠碳化物的種類、分布和面積比，碳化物的硬度高于基體硬度，在磨損過程中起耐磨骨架作用，保護基體，而基體又對碳化物起到支撐作用；馬氏體具有高硬度、高耐磨性的特點，能夠提高高鉻鑄鐵的硬度和耐磨性能。

3.2 焊接工藝方案實施

（1）根據制定工藝步驟，結合焊材選型及立磨輥焊接技術要求焊接實施采用NBC-630 逆變焊機，明弧焊接的方法，按照明弧焊接工藝參數，對打底層、中間層、表面層的步驟實施焊接。

（2）通過焊前探傷檢測、清理及焊前預熱后，采取自主設計焊接工裝實施連續焊接作業。焊接工裝替代常用的變位機，既可降低生產成本，又能減少作業空間，提高生產效率。焊接工裝如圖4 所示。

圖4 立磨輥焊接工裝

（3）過程控制：按照工藝技術要求控制不同焊材焊接厚度，并做好焊接過程缺陷的處置，同時需嚴格控制焊接過程層間溫度，確保層間溫度在80益以下，采用水霧冷卻來降低溫度

3.3 工藝應用結果

（1）根據既定焊接工藝，實施打底層、中間層和蓋面層焊接，過程各項質量指標控制良好，未出現不可控質量問題出現，按要求完成各項焊接工作；

（2）焊接完成后，檢測各項技術參數為，圓周跳動小于5 mm，輥面平面度小于3 mm，輥面硬度為HRC58-63，各尺寸均符合技術質量要求，質量合格。焊接成品如圖5。

圖5 焊接完成的磨輥

（3）根據立磨輥結構和裝配要求，將焊接合格并經加工的輥套與其他裝配構建進行組裝，根據裝配流程以及軸承裝配的核心要求，采用“內熱外冷法，先外后內，先輪轂再裝軸后圓錐軸承及端蓋，整體豎裝”的組裝方式，總結、制定出一套切實可行的磨輥組裝工藝方法。具體的組裝流程如圖6。

圖6 立磨輥組裝流程簡圖

4 結語

本次焊接新制的立磨輥在尺寸公差、輥面硬度及外觀成型上均滿足技術要求，經裝配后上線生產使用各項性能指標均符合要求，輥子使用壽命達到3000 h，達到壽命要求，得到了用戶的認可。

在此次立磨輥焊接制作開發過程中，通過理論試驗和實際焊接實施，確定了選用的焊接材料、焊接工藝及焊接工裝輔具是合理可行的，積累了高鉻鑄鐵耐磨輥類焊接技術方法和經驗。同時，立磨輥焊接工藝開發及應用成果形成《立磨輥的堆焊方法及變位焊接工裝》獲得發明專利授權。

在機械、冶金等行業中，高耐磨設備使用面廣、需求量大，具有較大的修復需求和市場，磨輥焊接工藝的成功開發應用，特別是解決了大型設備的堆焊修復問題，為開發同類設備修復工藝方法提供經驗，并進一步應用到其他同類型耐磨設備修復。