堆焊辊热处理工艺改进技术学习体会

文献概况

本文发表于2004年《热加工工艺》第33卷第4期，由沈阳工业学院材料科学与工程分院赵晖完成。研究针对φ1550支承辊埋弧自动焊修复工艺中的热处理环节，采用正交试验设计方法对热处理工艺参数进行优选，改进了热处理炉，实施了优化后的工艺方案，不仅显著改善了堆焊效果，还大幅降低了能源消耗。

核心观点与技术路线

该研究的核心问题在于：在大型轧辊（φ1550支承辊）的埋弧自动焊修复过程中，热处理工艺参数的不合理选择会直接导致堆焊层剥落、表面起层等严重缺陷，最终导致修复辊报废。热处理是轧辊修复工艺中至关重要的一环，其质量直接影响修复辊的使用寿命和安全可靠性。

轧辊修复工艺概述

大型轧辊的修复通常包括以下步骤：

热处理缺陷分析

热处理不当导致的典型缺陷包括：

• 堆焊层剥落：堆焊层与基体之间或堆焊层内部产生分层，通常是由于残余应力过大或组织转变不充分导致；
• 表面起层：堆焊层表面出现片状剥落，可能与表面氧化、脱碳或微裂纹扩展有关；
• 硬度不均：热处理温度或保温时间不当，导致堆焊层硬度分布不均匀；
• 变形超差：加热或冷却速率过快，导致轧辊产生不可接受的变形。

正交试验设计方法的应用

正交试验设计是一种高效的试验优化方法，能够在较少的试验次数内获得较优的工艺参数组合。该方法的核心在于利用正交表的均衡分散性和整齐可比性，从多个因素中筛选出对试验指标影响显著的因素，并确定各因素的最佳水平。

在该研究中，热处理工艺参数可能包括：

通过正交试验，可以系统地评价各因素对堆焊层质量（如硬度、结合强度、缺陷率）的影响，找出最优的工艺参数组合。

热处理炉的改进

文献中提到改进了热处理炉，这一改进可能是实现工艺优化的物质基础。大型轧辊的热处理炉需要具备以下能力：

• 温度均匀性好，炉内温差控制在±10℃以内；
• 加热和冷却速率可控，避免热应力过大；
• 气氛可控，防止高温氧化和脱碳；
• 装载量大，能够容纳φ1550的大型轧辊；
• 能耗低，热效率高。

炉子的改进可能涉及加热元件布局优化、炉衬材料改进、气氛控制系统升级等方面，这些改进直接影响了热处理工艺的实施效果。

热处理工艺与堆焊层组织的关联

热处理对堆焊层组织和性能的影响主要通过以下机制实现：

去应力退火

去应力退火的主要目的是消除焊接残余应力。焊接过程中，由于不均匀加热和冷却，在堆焊层和基体中产生复杂的残余应力场。这些残余应力如果超过材料的屈服强度，会导致堆焊层变形、开裂甚至剥落。去应力退火的温度通常在Ac1以下（约600~700℃），在此温度下材料发生应力松弛，残余应力显著降低。

组织均匀化

堆焊层的快速冷却导致组织不均匀，存在马氏体、贝氏体、铁素体等多种组织的混合。通过适当的热处理，可以使组织向更稳定、更均匀的状态转变，提高堆焊层的综合力学性能。

碳化物再分布

堆焊层中的碳化物在快速冷却条件下可能以不均匀的方式析出，特别是在晶界处富集。热处理可以促使碳化物从晶界向晶内迁移，减少晶界脆化倾向，提高堆焊层的韧性。

工程实践启示

该研究的工程价值在于：通过系统的方法（正交试验）优化热处理工艺，既提高了修复质量，又降低了能耗。这对于大型轧辊修复企业具有重要的经济意义。在钢管、管件制造中，大型焊管的修复同样面临热处理问题，该研究的思路和方法可以借鉴应用。

特别是在以下场景中，热处理工艺的优化尤为重要：

• 大口径螺旋焊管（LSAW）的修复；
• 厚壁合金管的堆焊修复；
• 大型管件（如三通、异径管）的焊接后热处理；
• 管道耐磨堆焊层的后处理。

学习心得

该文献体现了工艺优化中"系统方法+工程实践"的结合。正交试验设计作为一种统计学方法，在焊接工艺优化中的应用价值被充分展现。通过科学的方法确定最优工艺参数，避免了传统的"试错法"带来的资源浪费和质量波动。同时，热处理炉的改进也提醒我们，工艺优化不能仅停留在参数调整层面，设备条件的改善同样是实现工艺目标的重要保障。在钢管、管件制造中，我们应该更加注重工艺优化的系统性，将试验设计、设备改进、质量控制等环节有机结合起来，实现质量提升和成本降低的双重目标。