过渡层对夹送辊堆焊热裂纹影响学习体会

文献概况与研究意义

王丽华发表于《热加工工艺》2006年第35卷第15期，针对夹送辊堆焊过程中常见的热裂纹问题，从实践和理论两个角度研究了过渡层对减少热裂纹的影响。夹送辊是轧钢生产线上的关键部件，用于夹持和引导轧件，其堆焊修复质量直接影响生产线的连续运行。

热裂纹是堆焊焊接中最为常见的缺陷之一，其产生与母材成分、堆焊材料成分、焊接工艺参数以及焊接热循环密切相关。夹送辊的母材通常为碳钢或低合金钢，其硫、磷含量相对较高，而堆焊材料（如高碳高铬铸铁或钴基合金）含碳量高、硬度大，两者之间的冶金不相容性极易导致热裂纹的产生。

热裂纹的成因分析

母材因素

夹送辊母材中的硫、磷元素是热裂纹的主要诱发因素。硫与铁形成低熔点的FeS（熔点约1193°C），在焊接凝固过程中，FeS在晶界处偏聚，形成液态薄膜。当凝固收缩应力超过液态薄膜的强度时，便产生热裂纹。磷元素则促进偏析，增加热裂纹敏感性。

堆焊材料因素

高碳高铬铸铁或钴基合金堆焊材料含碳量高，凝固过程中碳的偏析严重，形成大量脆性碳化物（如Fe₃C、Cr₇C₃等）。碳化物在晶界处聚集，降低了晶界的结合强度，加剧了热裂纹的倾向。此外，高碳合金的凝固温度范围宽，凝固收缩量大，也增加了热裂纹的风险。

焊接热循环因素

堆焊过程中，母材和堆焊层经历快速加热和冷却的热循环。高温使母材中的有害元素（S、P）向晶界迁移，加剧偏析；快速冷却使凝固组织粗大，碳化物沿晶界析出，降低晶界强度。焊接残余应力（尤其是拉应力）是热裂纹产生的驱动力。

过渡层的作用机理

过渡层（也称缓冲层）是在母材与堆焊层之间施加的一层或多层中间合金，其主要作用是：

1. 稀释有害元素：过渡层材料中的合金元素（如Mn、Si、Ti等）与母材中的S、P反应，形成高熔点化合物（如MnS、TiS、TiP等），降低低熔点液态薄膜的形成倾向。
2. 调节碳当量：过渡层材料的碳当量介于母材和堆焊材料之间，使凝固温度范围适中，减少偏析和凝固收缩应力。
3. 改善界面冶金结合：过渡层与母材和堆焊层之间形成良好的冶金结合，避免界面处出现脆性相或疏松缺陷。
4. 缓解残余应力：过渡层的弹性模量和热膨胀系数介于母材和堆焊层之间，有助于缓解界面处的残余应力集中。

过渡层材料选择

文献中提到的过渡层材料通常采用复合马氏体（complex martensite）组织，其特点是：

复合马氏体过渡层的优势在于：其碳含量适中，凝固过程中偏析程度较低；马氏体组织具有较高的强度和韧性，能够承受凝固收缩应力；残余奥氏体在冷却过程中发生马氏体相变，产生膨胀，有助于补偿凝固收缩。

实验验证与工艺优化

文献通过实验验证了过渡层对热裂纹的抑制效果。从工程实践角度分析，过渡层的应用需要注意以下几点：

1. 过渡层厚度控制：过渡层过薄则稀释效果不足，过厚则增加成本且可能影响堆焊层的性能。通常过渡层厚度控制在2-5mm范围内。
2. 过渡层焊接工艺：过渡层焊接时应采用较小的热输入，避免母材过热导致有害元素进一步偏析。焊接层间温度应控制在150-250°C范围内。
3. 过渡层与堆焊层的匹配：过渡层的硬度应低于堆焊层，形成硬度梯度，避免界面处应力集中。
4. 多层过渡层方案：对于热裂纹敏感性极高的工况，可采用多层过渡层方案，每层材料成分逐步过渡，实现更平滑的冶金过渡。

学习心得与工程实践启示

这篇文献的核心贡献在于揭示了过渡层抑制热裂纹的机理，并通过实验验证了其有效性。对于从事轧辊堆焊修复的技术人员而言，过渡层技术是解决热裂纹问题的有效手段。

从工程实践角度思考，夹送辊堆焊热裂纹问题还受到以下因素的影响：

• 母材预处理：堆焊前应对母材进行清理，去除表面氧化皮、油污和锈蚀。对于S、P含量过高的母材，可考虑先进行一层"净化"堆焊，去除有害元素。
• 焊接顺序优化：对于长焊缝，应采用分段退焊或跳焊工艺，减少焊接热输入和残余应力。
• 预热与层间温度控制：适当的预热（150-250°C）可以减缓冷却速度，减少凝固应力；层间温度控制则避免母材过热。
• 焊后热处理：堆焊后进行去应力退火（500-650°C），消除残余应力，防止延迟裂纹的产生。

总体而言，过渡层技术是解决堆焊热裂纹问题的有效手段，但其效果取决于过渡层材料的选择、过渡层厚度的控制以及焊接工艺的优化。在实际生产中，应根据母材成分、堆焊材料和工况条件，制定系统化的过渡层方案，并通过工艺试验验证其有效性。