轧辊堆焊工艺学习体会

文献概况

丁洁、申茜辉发表于《焊接技术》2005年第34卷第2期的这篇文献，由天津中德职业技术学院和天津钢管公司联合完成，研究的是轧辊堆焊工艺。轧辊是钢铁生产中的核心设备，其工作辊和支撑辊在轧制过程中承受极高的接触应力、摩擦磨损和热疲劳。轧辊堆焊修复是延长其使用寿命、降低生产成本的重要手段。

轧辊堆焊的特殊性

轧辊堆焊与一般的耐磨堆焊有显著不同，主要体现在以下方面：

工况特殊性

• 高接触应力：轧辊与轧件之间的接触应力可达3~5 GPa，远超一般磨损工况。
• 高滑动速度：轧件在轧辊表面的滑动速度可达数米每秒，磨损速率高。
• 热循环载荷：轧件温度可达800~1200°C，轧辊表面温度也较高，存在热疲劳问题。
• 冲击载荷：轧件咬入和轧制力波动会产生冲击载荷。

材料特殊性

轧辊基材通常为高碳高铬铸铁（如Cr15、Cr20）或合金钢，碳当量高，焊接性差，冷裂纹倾向大。

药芯焊丝与焊剂的选择

文献中重点讨论了药芯焊丝和焊剂在轧辊堆焊中的应用。药芯焊丝埋弧焊（FCAW-S）是轧辊堆焊的主要工艺方法，其优势在于：

1. 熔敷效率高：相比手工电弧焊，熔敷效率提高2~3倍。
2. 成形好：焊缝成形均匀，表面质量好。
3. 合金化灵活：通过药芯成分调整，可精确控制焊缝合金成分。
4. 自动化程度高：便于实现自动化和半自动化焊接。

焊剂的作用

焊剂在药芯焊丝埋弧焊中起以下作用：

• 保护熔池：隔绝空气，防止氮、氧侵入。
• 冶金反应：脱氧、脱硫、合金化。
• 改善成形：控制熔池形状和冷却速率。
• 稳定电弧：提供稳弧元素，改善电弧稳定性。

焊剂的选择需要考虑：

1. 碱度：碱性焊剂脱硫脱磷能力强，但抗气孔能力差；酸性焊剂相反。
2. 脱氧能力：对于高碳高合金基材，焊剂的脱氧能力至关重要。
3. 合金化能力：焊剂中的合金元素会进入焊缝，影响焊缝成分。
4. 烧结温度：烧结温度过低会导致焊剂提前熔化，过高则流动性差。

碳当量与焊接性

碳当量（CE）是评估钢材焊接性的核心指标。对于轧辊基材，CE值通常较高（>0.6%），这意味着：

• 淬硬倾向大：焊接热影响区容易产生高硬度马氏体组织。
• 冷裂纹倾向大：淬硬组织+氢+应力三因素耦合导致冷裂纹。
• 预热温度要求高：需要较高的预热温度来降低冷却速率。

碳当量与预热温度的关系

堆焊层设计与性能要求

轧辊堆焊层的性能要求是多方面的：

1. 耐磨性：堆焊层硬度应在HRC 55~65范围内，满足抗磨损要求。
2. 抗热疲劳性：堆焊层应能承受反复的热循环而不开裂。
3. 抗冲击性：堆焊层应具有足够的韧性，防止在冲击载荷下开裂。
4. 结合强度：堆焊层与基材的结合强度必须满足使用要求，防止层间剥离。
5. 尺寸精度：堆焊层厚度均匀，表面平整，便于后续加工。

典型堆焊层结构

对于高碳高铬铸铁轧辊，推荐的堆焊层结构为：

• 第一层（过渡层）：采用低合金钢或镍基焊材，改善冶金相容性，降低裂纹敏感性。
• 第二层（过渡层）：采用中合金钢焊材，进一步过渡成分和性能。
• 第三层（功能层）：采用高合金耐磨焊材，提供耐磨性能。

这种多层过渡结构虽然增加了焊接工序，但能显著提高堆焊层的可靠性。

工程实践中的质量控制

轧辊堆焊的质量控制是确保修复效果的关键。我的实践体会如下：

1. 焊前检查：检查基材表面质量、清理焊接区域、检测基材硬度、确认预热温度。
2. 焊中监控：监控焊接参数（电流、电压、速度）、道间温度、焊接顺序。
3. 焊后检测：检测堆焊层硬度、厚度、结合强度、无损检测（MT/UT）。
4. 加工后检测：检测加工后的尺寸精度、表面粗糙度、硬度均匀性。

学习心得与启示

这篇文献虽然篇幅较短，但涵盖了轧辊堆焊工艺的核心要素：基材焊接性评估、焊材选择、工艺参数优化和质量控制。对于从事钢管制造和管件修复的技术人员而言，轧辊堆焊的工艺经验具有重要的借鉴价值。

我的体会是：轧辊堆焊的成功关键在于"预热-焊接-热处理"三位一体的工艺控制。任何一个环节的疏忽都可能导致堆焊层开裂或失效。特别是在高碳高合金基材上堆焊时，预热温度和冷却速率的控制是决定成败的关键因素。

此外，药芯焊丝埋弧焊在轧辊堆焊中的优势明显，但对于小型修复或现场修复，手工电弧焊仍然是必要的补充手段。技术人员应根据具体应用场景选择合适的焊接方法，而不是简单地追求高效率。

从更宏观的角度看，轧辊堆焊工艺的研究体现了"以修代换"的循环经济理念。通过高质量的堆焊修复，可以大幅延长轧辊的使用寿命，降低原材料消耗和能源消耗，这对于钢铁行业的可持续发展具有重要意义。