棒材开坯机堆焊轧辊断裂失效分析与工艺改进

文献概况与技术背景

本文出自湖南华菱湘潭钢铁有限公司，发表于《金属材料与冶金工程》2022年第50卷第1期，作者黄杨针对800开坯轧机堆焊轧辊发生的两次断裂事故进行了系统的失效分析。在棒材轧制生产中，开坯机承担着将方坯或圆坯轧制成适合后续精轧机组轧制的中间坯料的艰巨任务，轧辊承受着极大的轧制压力和复杂的交变载荷。锻钢材质轧辊虽然强度高，但耐磨性差、易粘钢，堆焊耐磨层成为行业普遍采用的解决方案，然而堆焊层与基体之间的冶金结合、残余应力分布以及热应力循环等问题，使得堆焊轧辊在服役过程中存在断裂风险。

两次断裂的断口特征与失效机理分析

第一次断裂：扭应力断口

第一次断裂的断口呈现典型的扭应力断裂特征，说明轧辊在承受轧制力的过程中，由于偏载或轧制力矩不平衡，产生了超过材料屈服强度的扭转应力。文章分析认为，加热温度不良是引起第一次断裂的主要原因。在开坯轧制过程中，钢坯入轧温度通常控制在1100至1200摄氏度之间，若加热温度过高，钢坯表面过热甚至局部熔化，会导致轧制力波动增大；若加热温度过低，则轧制力矩增大，同样对轧辊产生额外的扭转载荷。此外，堆焊层与锻钢基体之间的热膨胀系数差异在温度循环中会产生附加热应力，叠加轧制应力后可能超过堆焊层的强度极限。

第二次断裂：疲劳断口

第二次断裂的断口呈现疲劳断裂特征，存在明显的疲劳源区和疲劳扩展区。作者分析认为，冲击载荷、摩擦热应力以及堆焊前气刨清理不彻底是主要原因。在开坯轧制中，钢坯表面氧化铁皮在轧制过程中脱落并嵌入轧辊表面，形成局部应力集中点；轧辊与钢坯之间的剧烈摩擦产生大量摩擦热，导致堆焊层表面温度急剧升高，形成热应力循环；更为关键的是，堆焊前使用气刨清理锻钢基体表面时，若清理不彻底，残留的旧堆焊层或氧化铁皮会在焊接过程中形成夹杂物或微裂纹，成为疲劳裂纹的萌生源。

工艺改进措施与工程实践启示

加热制度优化

针对第一次断裂，改进措施集中在加热温度控制方面。具体措施包括：严格控制钢坯入轧温度在1120至1160摄氏度之间，避免过热和过烧；在加热炉出口设置红外测温仪实时监测钢坯温度，建立温度-轧制力的关联数据库；在低温季节或高负荷生产时，适当提高加热炉温度设定值，确保钢坯温度均匀性。

堆焊工艺改良

针对第二次断裂，改进措施涉及堆焊前清理、堆焊参数和堆焊工艺三个方面。在清理环节，要求气刨清理后必须使用角磨机对基体表面进行彻底打磨，去除所有旧堆焊层残留物和氧化铁皮，直至露出金属光泽，并通过磁粉检测确认无裂纹缺陷。在堆焊参数方面，优化堆焊电流、电压和焊接速度，控制单层堆焊厚度在3至5毫米之间，层间温度控制在200至300摄氏度，避免过热。在堆焊工艺方面，采用多层多道焊工艺，第一层采用小电流打底焊以改善熔合质量，后续层逐步增大电流和焊接速度，最后一层采用细颗粒焊丝以保证表面质量。

轧制工艺条件调整

在轧制工艺方面，通过调整轧辊辊型设计、道次压下分配和轧制速度，降低轧辊承受的冲击载荷和摩擦热应力。具体做法包括：采用合理的辊缝分配，避免单道次压下量过大；适当提高轧制速度以减少单位时间内轧辊承受的摩擦热；定期检查和更换导卫装置，确保钢坯在轧制过程中不发生偏斜。

学习心得与技术反思

从失效分析的方法论角度来看，本文采用了典型的5W2H分析法：What（断裂形式）、When（发生时间）、Where（断裂位置）、Why（根本原因）、Who（责任环节）、How（改进措施）、How much（影响程度）。两次断裂虽然发生在同一台轧机上，但断口特征截然不同，失效机理也完全不同，这充分体现了失效分析中"一断裂一分析"的原则，不能简单套用前次结论。

在实际工程中，堆焊轧辊的断裂问题往往被忽视或简单归因于"材料质量问题"，而忽略了工艺控制和操作规范的影响。本文的价值在于，通过对两次断裂的深入分析，揭示了加热制度、堆焊清理、冲击载荷等多个因素对堆焊轧辊寿命的综合影响，为同类轧辊的维护和管理提供了系统的技术参考。

从质量控制的角度来看，堆焊轧辊的制造过程应建立完善的FMEA（失效模式与影响分析）体系，将堆焊前清理质量、堆焊参数控制、层间温度监控、焊后热处理等关键环节纳入过程控制点，通过SPC（统计过程控制）方法监控关键参数的波动，实现预防性质量管理。

对于钢管制造和管件成型行业而言，堆焊技术同样广泛应用于轧辊、导卫、辊环等关键部件的表面强化。本文的失效分析方法论和工艺改进思路具有广泛的借鉴意义：任何堆焊应用都必须综合考虑基体状态、堆焊材料匹配、焊接工艺参数、服役载荷和热环境等因素，建立系统化的质量控制体系，才能确保堆焊件的安全可靠运行。