药芯焊丝埋弧堆焊在冶金连铸辊制造与再制造中的应用学习体会

文献概况与核心观点

孟晓霞发表在《中国表面工程》2009年第4期的这篇文献，聚焦于表面工程技术在热成型部件制造与再制造领域的应用，以大连华锐重工特种备件制造有限公司的实际案例，详细阐述了药芯焊丝埋弧堆焊（FCAW-Submerged Arc Surfacing）在冶金连铸辊制造与再制造中的工程实践。文献的核心观点是：表面功能薄层的厚度仅为工件整体厚度的百分之一到几十分之一，却能赋予工件表面远优于基体材料的耐磨性、抗腐蚀性和耐热性，节能节材效果十分突出。

连铸辊作为钢铁连铸生产线的核心热工部件，长期承受高温钢水冲刷、热应力循环、机械磨损及冷却介质侵蚀的复合工况，服役寿命直接关系到产线停机成本与铸坯质量。传统整体合金化制造方案成本高昂，而表面工程通过局部堆焊形成功能层，既保留了基体材料的力学承载能力，又使工作表面获得所需的耐磨耐热性能，这一思路对钢管行业中的热壁部件修复同样具有借鉴意义。

技术要点解读

药芯焊丝埋弧堆焊的工艺特征

药芯焊丝埋弧堆焊兼具埋弧焊（SAW）与药芯焊丝（FCAW）的双重优势。埋弧焊具有电弧稳定、熔深大、生产效率高、焊缝成形美观等特点；药芯焊丝则通过药皮成分调控焊缝金属的化学成分和微观组织，可实现碳钢、低合金钢、耐热钢、不锈钢等多种堆焊层材料的灵活选择。二者结合后，在连铸辊这类大尺寸、厚壁热工部件的堆焊制造中，表现出以下突出优势：

• 堆焊效率高，单层堆焊速度可达300～500 mm/min，远优于手工电弧焊（SMAW）；
• 熔敷金属的化学成分和微观组织可通过药芯配方精确调控；
• 埋弧焊的熔深较大，有利于降低稀释率，确保堆焊层性能；
• 自动化程度高，适合大批量、重复性生产。

连铸辊堆焊层的材料选择与组织控制

连铸辊的工作面堆焊层通常选用高铬铸铁、高镍铸铁或奥氏体不锈钢等耐磨耐热材料。堆焊层的关键性能指标包括硬度（通常要求≥55 HRC）、热裂纹敏感性、抗热疲劳裂纹能力和与基体的结合强度。药芯焊丝通过药皮中的合金元素（如Cr、Mo、Ni、Ti、V等）向熔池过渡，可在单一焊丝中实现多元素复合强化，这是实心焊丝难以企及的。

堆焊层的稀释率控制是工艺难点之一。对于连铸辊，稀释率一般应控制在10%～20%以下，以确保堆焊层硬度满足使用要求。控制稀释率的途径包括：减小焊接电流、降低焊接速度、增加堆焊层数、采用打底焊层过渡等。

再制造工艺流程

连铸辊再制造的核心流程为：旧辊检测评估→表面清理（火焰切割或机械切削去除旧堆焊层）→基体修复（焊补裂纹、气孔等缺陷）→预热→多层堆焊→机加工至尺寸→热处理（如需要）→检测验收。

与钢管管件工程的结合思考

虽然连铸辊与钢管管件在几何形状上差异较大，但表面堆焊技术在钢管行业的应用场景同样广泛。例如：

• 无缝钢管穿孔机顶头：工作端承受高温高压，采用药芯焊丝堆焊耐磨合金层可显著延长使用寿命；
• 钢管热扩管机的芯棒与顶头：与连铸辊类似的热工工况，堆焊耐磨层是常规做法；
• 管件弯头成型模具：模具工作面的堆焊修复可大幅降低模具更换成本；
• 管道阀门密封面：不锈钢或硬质合金堆焊可提升密封性能与耐腐蚀性。

关键疑问与工程启示

文献中提及的"节能节材效果非常突出"这一结论，在钢管管件行业的推广中值得深入思考。对于钢管生产中的热壁部件，采用表面堆焊替代整体合金化制造，理论上可减少60%～80%的合金材料用量。然而，实际推广中面临以下挑战：

1. 堆焊层与基体的热膨胀匹配问题：若两者热膨胀系数差异过大，在热循环工况下易产生热疲劳裂纹；
2. 多层堆焊的残余应力累积：多层堆焊产生的残余应力可能导致堆焊层剥离或基体变形，需通过合理的层间温度控制和后热处理加以缓解；
3. 再制造的质量一致性：旧辊的基体状态差异较大，如何确保再制造件的质量一致性是工程实践中的难题。

从FMEA（失效模式与影响分析）的角度来看，连铸辊堆焊层的主要失效模式包括：堆焊层开裂、剥落、过度磨损和腐蚀坑蚀。针对这些失效模式，应在工艺设计阶段即进行预防性设计，包括合理的焊接规范选择、适当的预热与后热处理、以及严格的无损检测（MT/PT）验收标准。

总体而言，这篇文献虽然篇幅不长，但其所阐述的表面工程理念——以薄层功能化替代整体材料升级——对于钢管管件行业的降本增效具有重要的参考价值。在"双碳"目标背景下，这种绿色制造思路尤其值得推广。