卓金管件有限公司预热对夹送辊堆焊裂纹影响的学习体会
文献概况与工程背景
本文发表于2006年《热加工工艺》期刊，由西安航空职业技术学院王丽华与陕西压延设备厂惠渊博合作完成。研究聚焦于夹送辊堆焊过程中冷裂纹和热裂纹的形成机理及预热方法的消除效果。夹送辊是轧机中的重要部件，负责在轧制过程中夹持和输送轧件，其表面堆焊层需承受高温、高压和摩擦的综合作用。由于夹送辊通常由高合金铸铁或锻钢制成，淬硬性高、碳当量高，堆焊时极易产生裂纹。该研究从实践和理论两个层面探讨了预热对消除冷裂纹和热裂纹的影响，对工程实践具有直接的指导意义。
冷裂纹与热裂纹的形成机理
冷裂纹的三重因素
文献指出夹送辊堆焊冷裂纹的产生是由于"淬硬组织、氢的存在等原因"。这实际上对应了冷裂纹的三大要素：淬硬组织（马氏体）、扩散氢和焊接拉应力。高合金铸铁或锻钢母材的碳当量通常较高（Ceq > 0.6%），堆焊时热影响区极易形成高硬度马氏体组织，其塑性极低，在氢原子聚集和拉应力共同作用下，沿晶界或相界萌生微裂纹并扩展。氢的来源包括焊丝药皮中的水分、保护气体中的水分、工件表面的油污和锈蚀等。
热裂纹的液态薄膜机理
文献提到热裂纹的产生是由于"液态薄膜的存在、焊接应力等原因"。热裂纹（特别是结晶裂纹）的形成机理是：在焊缝凝固末期，晶界处存在低熔点共晶组成的液态薄膜，当凝固收缩产生的拉应力超过液态薄膜的强度时，液态薄膜被拉开形成裂纹。对于高合金堆焊层，如含Cr、Mo、Ni等元素的焊材，低熔点共晶（如Fe-Cr-S、Fe-Ni-P等）的析出倾向增大，热裂纹敏感性升高。
预热的作用机理分析
预热对冷裂纹的抑制
预热通过以下途径抑制冷裂纹：
| 预热作用 | 机理说明 | 效果 |
|---|---|---|
| 降低冷却速率 | 延长高温停留时间，减少马氏体形成量 | 降低HAZ硬度 |
| 促进氢逸出 | 高温下氢的扩散系数增大，加速氢的脱除 | 降低扩散氢含量 |
| 减小温度梯度 | 降低母材与焊缝之间的温差，减小热应力 | 降低拉应力 |
| 改善塑性 | 提高HAZ的塑性储备，延缓裂纹萌生 | 提高抗裂性 |
预热对热裂纹的抑制
预热对热裂纹的抑制作用相对间接：通过降低冷却速率，减少凝固收缩速率，从而降低液态薄膜承受的拉应力峰值。同时，预热使母材温度升高，改善了焊缝金属的流动性，有利于液态薄膜的补充和愈合。但需要注意的是，过高的预热温度可能导致堆焊层稀释率增大、硬度降低，反而影响耐磨性能。
预热温度的确定原则
预热温度的确定是一个需要综合考虑多方面因素的工程决策。文献虽未给出具体预热温度数值，但根据工程经验，夹送辊堆焊的预热温度可按以下原则确定：
- 碳当量法：根据母材的碳当量（Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15）确定预热温度。一般Ceq < 0.4%时可不预热；Ceq = 0.4-0.6%时预热150-250℃；Ceq > 0.6%时预热250-400℃。
- 相图法：根据母材的共晶温度和马氏体转变温度确定预热温度，确保冷却速率低于临界冷却速率。
- 经验法：参考类似材料的成功焊接经验，结合现场条件进行调整。
在实际操作中，预热温度的控制精度也很重要。预热不足则效果不明显，预热过高则可能导致母材组织退化、变形增大。建议采用红外测温仪或热电偶实时监测预热温度，确保整个焊接区域均匀受热。
与工程实践的结合
在轧辊堆焊修复的实际工程中，预热通常采用以下方法实施：
- 火焰加热法：使用氧乙炔火焰或天然气火焰对焊接区域进行均匀加热，适用于中小尺寸辊体。加热时需不断移动火焰，避免局部过热。
- 感应加热法：利用中频或工频感应加热设备，加热效率高、温度控制精确，适用于大型辊体。但设备投资较大。
- 电阻加热法：通过通入电流产生焦耳热，加热速度快，但需要良好的电极接触。
预热后还需控制层间温度，确保后续焊道的冷却速率也处于安全范围。层间温度一般不低于预热温度，且不超过母材的允许上限（通常为400-500℃）。焊后缓冷同样重要，可采用石棉布包裹或埋入干砂中缓冷，避免急冷产生新的应力。
关键疑问与思考
一个值得深入探讨的问题是：预热能否完全消除热裂纹？从机理上看，热裂纹的形成主要与焊缝金属的化学成分（低熔点共晶）和凝固收缩应力有关，预热的作用相对有限。对于高合金堆焊层，即使充分预热，如果焊材本身的热裂纹敏感性很高，仍然可能出现热裂纹。此时应考虑调整焊材成分（如降低S、P含量，增加Ti、B等细化晶粒元素）或改变焊接工艺（如采用多道多层焊、减小焊道宽度、采用摆动焊等）来抑制热裂纹。
另一个问题是预热对堆焊层性能的影响。预热温度过高可能导致母材中的合金元素过度扩散进入堆焊层，改变堆焊层的化学成分和组织，进而影响硬度、耐磨性和韧性。对于要求高硬度的堆焊层，预热温度应严格控制，避免过度稀释。
学习心得与启示
这篇文献虽然篇幅不长，但涵盖了冷裂纹和热裂纹两种主要裂纹类型的形成机理及预热的抑制效果，对工程技术人员具有实用的参考价值。最深刻的启示是：焊接裂纹的预防是一个系统工程，需要从材料选择、工艺参数、预热控制、焊后处理等多个环节协同优化。预热是预防冷裂纹最有效的手段之一，但对热裂纹的抑制效果有限，不能仅依赖预热来解决所有裂纹问题。在实际工作中，应建立系统的焊接工艺评定体系，通过实验确定最优预热温度和层间温度，并制定严格的作业指导书，确保操作的一致性。