卓金管件有限公司开坯机用轧辊堆焊工艺优化分析的学习体会
文献概况与研究目标
本文发表于2023年《山西冶金》第46卷第4期，作者曹丽梅、安莉蓉、李秋鹤分别来自营口理工学院和石钢京诚装备技术有限公司。文献以60CrMnMo材质轧辊为研究对象，通过选用与轧辊性能更为接近的焊接材料、设计焊接工艺（包括焊前准备、焊接过程中焊材的使用以及焊后热处理），研究堆焊层性能的变化情况，验证优化效果，获得更优焊接工艺。
堆焊复合冶金轧辊是当前世界上最先进的复合轧辊加工技术之一，其核心优势在于基体采用韧性好的材料（如中碳钢），工作层采用硬度高、耐磨性好的材料（如高铬铸铁或高合金钢），通过堆焊将两者结合。这种"刚柔并济"的结构设计使轧辊既具有足够的抗冲击能力，又具有优异的耐磨性能，使用寿命可延长2~3倍，且可重复堆焊修复，显著降低生产成本。
60CrMnMo轧辊的材料特性分析
基体材料特性
60CrMnMo是一种中碳合金结构钢，常用于制造承受较大载荷和冲击的零件。其化学成分和性能特点如下：
| 项目 | 数值/描述 |
|---|---|
| 碳含量 | 0.55~0.65% |
| 铬含量 | 0.8~1.1% |
| 锰含量 | 0.9~1.2% |
| 钼含量 | 0.15~0.25% |
| 淬透性 | 优良 |
| 调质后硬度 | 28~35 HRC |
| 抗拉强度 | 900~1100 MPa |
| 冲击韧性 | 良好 |
60CrMnMo作为轧辊基体材料，具有良好的综合力学性能，能够在承受轧制载荷时保持足够的强度和韧性。但其硬度相对较低，直接用作工作层则耐磨性不足，因此需要通过堆焊高硬度材料来改善表面性能。
堆焊层材料选择
堆焊层材料的选择是堆焊工艺优化的核心。文献提到"选用和轧辊性能更为接近的焊接材料"，这一原则非常重要。堆焊层材料的选择需要考虑以下因素：
- 硬度匹配：堆焊层硬度应显著高于基体（通常高出20~30 HRC），以满足耐磨要求，但两者之间的硬度差不宜过大，否则在轧制过程中堆焊层容易剥落。
- 热膨胀系数匹配：堆焊层与基体的热膨胀系数应尽量接近，以减少轧制过程中因温度变化产生的热应力。
- 导热系数匹配：导热系数差异过大会导致热应力集中，影响堆焊层寿命。
- 冶金兼容性：堆焊层与基体之间应形成良好的冶金结合，无脆性相或裂纹。
常见的轧辊堆焊层材料包括：
| 材料类型 | 典型牌号 | 硬度（HRC） | 耐磨性 | 韧性 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 高铬铸铁 | 高Cr25 | 55~65 | 优 | 低 | 开坯、初轧 |
| 中铬铸铁 | 高Cr15 | 48~55 | 良 | 中 | 中轧 |
| 高合金钢 | 高Cr-Mo-V | 50~58 | 良 | 中高 | 精轧 |
| 碳化钨堆焊 | WC-Co | 65~75 | 优 | 低 | 特殊工况 |
对于开坯机用轧辊，由于承受较大的轧制力和冲击载荷，堆焊层材料应选择韧性和耐磨性兼顾的类型，高铬铸铁或高合金钢是较为合适的选择。
堆焊工艺优化分析
焊前准备
焊前准备是保证堆焊质量的基础环节，包括：
- 表面清理：轧辊工作表面必须彻底清除氧化皮、油污、锈迹等，否则会影响堆焊层与基体的结合质量。常用方法包括砂轮打磨、喷砂、酸洗等。
- 坡口加工：在基体表面加工出堆焊坡口，坡口形状和尺寸直接影响堆焊层的熔深和结合质量。常见的坡口形式包括V形坡口、U形坡口、直边坡口等。对于轧辊堆焊，通常采用V形坡口，坡口角度为60°~90°，坡口深度为2~5 mm。
- 预热处理：60CrMnMo钢的碳当量较高，焊接冷裂纹倾向较大，焊前需要预热。预热温度通常为200~300 ℃，具体温度取决于轧辊直径、环境温度和焊接热输入。预热的作用是降低焊接区域的温度梯度，减少热应力，同时减缓冷却速率，降低冷裂纹敏感性。
焊接过程控制
焊接过程控制是堆焊质量的关键，涉及焊接方法选择、焊接参数优化、焊接顺序设计等方面：
| 焊接方法 | 优点 | 缺点 | 适用性 |
|---|---|---|---|
| 埋弧焊（SAW） | 熔敷率高、成形好 | 热输入大、灵活性差 | 大面积堆焊 |
| 手工电弧焊（SMAW） | 灵活性高、设备简单 | 熔敷率低、质量波动大 | 小面积或补焊 |
| 气体保护焊（GMAW） | 成形好、效率高 | 保护效果受环境影响 | 中等面积堆焊 |
| 等离子弧焊（PAW） | 热输入集中、稀释率低 | 设备复杂、成本较高 | 高精度堆焊 |
对于轧辊堆焊，埋弧焊是最常用的方法，其熔敷效率高，适合大面积堆焊。但埋弧焊的热输入较大，需要严格控制焊接电流和焊接速度，避免热影响区过热。
焊接参数的优化需要考虑以下因素：
- 焊接电流：电流过大导致熔深过大，稀释率增加，堆焊层合金含量降低；电流过小导致熔敷率不足，堆焊层厚度不够。
- 焊接速度：速度过快导致熔池不稳定，焊缝成形不良；速度过慢导致热输入过大，热影响区晶粒粗化。
- 焊道布置：合理的焊道布置可以均匀分布热输入，减少焊接残余应力。对于轧辊堆焊，通常采用环形焊道，从内向外逐层堆焊。
- 层间温度：层间温度过高会导致前层堆焊金属在高温下长时间停留，晶粒粗化；层间温度过低则增加焊接应力。
焊后热处理
焊后热处理是改善堆焊层组织和性能的重要环节。轧辊堆焊后的热处理通常包括：
- 去应力退火：消除焊接残余应力，防止轧辊在后续使用中产生变形或开裂。退火温度通常为550~650 ℃，保温2~4 h，随炉冷却。
- 淬火+回火：对堆焊层进行淬火处理，获得高硬度的马氏体组织，然后通过回火调整硬度和韧性。淬火介质通常采用油或聚合物淬火液，回火温度根据要求的硬度选择（通常500~600 ℃）。
- 渗碳或渗氮：对堆焊层表面进行化学热处理，进一步提高硬度和耐磨性。渗碳适用于低碳堆焊层，渗氮适用于中碳或高碳堆焊层。
焊后热处理的具体工艺需要根据堆焊层材料的淬透性和性能要求确定。对于高铬铸铁堆焊层，通常需要进行淬火+回火处理，以获得高硬度和适当的韧性。
性能验证与优化效果
文献提到"研究堆焊层性能的变化情况，验证优化效果"，性能验证通常包括以下项目：
| 检测项目 | 检测方法 | 合格标准 | 意义 |
|---|---|---|---|
| 硬度 | 洛氏硬度计（HRC） | 堆焊层≥50 HRC，基体≤35 HRC | 耐磨性指标 |
| 金相组织 | 光学显微镜 | 无裂纹、无未熔合、碳化物分布均匀 | 冶金质量 |
| 冲击韧性 | 夏比冲击试验 | ≥27 J | 抗冲击能力 |
| 结合强度 | 弯曲试验 | 无剥落、无裂纹 | 冶金结合质量 |
| 耐磨性 | 磨损试验 | 磨耗量≤标准值 | 使用寿命 |
| 无损检测 | 磁粉检测（MT） | 无裂纹、无气孔 | 表面质量 |
优化效果的验证需要对比优化前后的性能数据，确认改进措施的有效性。如果优化后的堆焊层硬度、耐磨性、结合强度等指标均达到或超过标准要求，则说明工艺优化成功。
工程实践启示
堆焊复合轧辊的寿命管理
堆焊复合轧辊的优势在于可重复堆焊修复，这为轧辊寿命管理提供了灵活的手段。在实际生产中，轧辊的寿命管理应遵循以下原则：
- 建立轧辊档案：记录每根轧辊的初始状态、每次堆焊的时间、材料、工艺参数、性能检测结果等，为寿命预测提供数据支持。
- 定期检测：在轧制过程中定期检测轧辊工作表面的磨损量、硬度变化、裂纹情况等，及时判断是否需要堆焊修复。
- 堆焊时机选择：当轧辊工作表面磨损量达到一定限度（通常为原始尺寸的5%~10%）时，应进行堆焊修复。过早堆焊浪费材料，过晚堆焊则可能因磨损过深导致堆焊层与基体结合不良。
- 堆焊次数控制：同一位置的堆焊次数不宜过多（通常不超过3~4次），否则基体材料会因反复热循环而性能退化。
常见质量问题与对策
| 问题 | 原因 | 对策 |
|---|---|---|
| 堆焊层剥落 | 结合强度不足、热应力过大 | 优化坡口设计、控制层间温度、焊后热处理 |
| 堆焊层开裂 | 冷裂纹、热裂纹 | 预热、降低碳当量、焊后去应力 |
| 硬度不足 | 合金含量低、稀释率高 | 提高合金粉比例、降低热输入 |
| 表面裂纹 | 热应力、组织应力 | 焊后去应力退火、优化焊道布置 |
| 耐磨性差 | 碳化物形态不良 | 调整合金成分、优化热处理工艺 |
学习心得
这篇文献发表于2023年，反映了当前轧辊堆焊技术的最新进展。其核心贡献在于通过系统化的工艺优化——从焊接材料选择到焊接参数调整再到焊后热处理——实现了60CrMnMo轧辊堆焊性能的显著提升。对于从事钢管管件堆焊、耐磨部件修复的技术人员而言，这篇文献的启示在于：堆焊工艺优化不是单一参数的调整，而是整个工艺链的协同优化。特别是焊接材料与基体材料的匹配性、焊接热输入的控制、焊后热处理的合理性，这三者共同决定了堆焊层的最终性能。在实际工程中，需要根据具体的应用场景和性能要求，系统地设计和验证堆焊工艺，才能实现堆焊层性能的最优化。