连铸辊表面堆焊层开裂原因分析学习体会

文献概况与研究背景

洪永昌在《热加工工艺》2006年第3期发表的这篇文献，针对连铸辊表面堆焊层开裂问题进行了系统的失效分析。连铸辊是连铸生产线的核心部件，其表面堆焊层直接关系到铸坯表面质量和连铸生产的连续性。堆焊层开裂不仅导致连铸辊早期失效，还会造成铸坯表面缺陷、拉漏等严重生产事故，造成巨大的经济损失。

失效分析方法与结果

分析手段

本文采用了多种分析手段对连铸辊堆焊层开裂部位进行了取样分析：

• 化学成分分析：确定堆焊层和热影响区的元素含量
• 金相组织观察：观察堆焊层、热影响区和基体的组织特征
• 扫描电镜断口分析：观察裂纹源和裂纹扩展路径
• 显微硬度测定：测定不同区域的硬度分布

开裂原因分析

分析结果表明，堆焊层开裂的主要原因有两方面：

1. 热影响区过热区形成高碳粗大马氏体组织：连铸辊基体通常为高碳铬轴承钢或高碳合金钢，在堆焊过程中，热影响区过热区温度可达1200°C以上，导致碳化物溶解，形成高碳奥氏体。冷却过程中，高碳奥氏体转变为粗大马氏体，硬度和脆性急剧增加。
2. 保留了较大的焊接应力：连铸辊堆焊通常采用多层多道焊，每道焊缝的收缩受到相邻焊缝和基体的约束，产生较大的残余拉应力。当残余拉应力叠加热应力和使用应力时，超过堆焊层或热影响区的强度极限，导致开裂。

关键工艺问题与改进措施

堆焊工艺制定不当的具体表现

改进措施

针对上述问题，提出以下改进措施：

1. 优化焊接热输入：采用小电流、快速焊的焊接参数，控制热输入在8~15kJ/cm范围内，避免热影响区过热。
2. 提高预热温度：基体预热温度应提高至300~400°C，降低冷却速度，促进珠光体和铁素体组织的形成，避免马氏体转变。
3. 严格控制层间温度：层间温度控制在250~350°C，避免温度过高导致组织粗化。
4. 焊后去应力退火：焊后进行600~650°C的去应力退火处理，保温2~4小时，消除残余应力。
5. 采用多层多道焊：通过多层多道焊控制每道焊缝的厚度，减少单道焊缝的应力集中。

工程实践思考

连铸辊堆焊层开裂问题在钢铁行业并不少见，其根本原因在于堆焊工艺与基体材质的匹配性不足。在实际生产中，连铸辊的堆焊修复往往追求效率，忽略了工艺细节的严格控制。

从FMEA（失效模式与影响分析）的角度来看，连铸辊堆焊层的开裂失效模式包括：热影响区开裂、堆焊层开裂和熔合线开裂。其中热影响区开裂的发生概率最高，影响最为严重，应采取重点防控措施。

在实际工程中，建议采用以下预防策略：

• 建立连铸辊堆焊工艺规程，明确焊接参数和工艺要求
• 对焊工进行专项培训，提高焊接技能
• 建立堆焊质量检验制度，对每道焊缝进行检验
• 定期进行连铸辊堆焊层硬度检测和无损检测

连铸辊堆焊层开裂问题虽然复杂，但通过科学的工艺制定和严格的质量控制，完全可以得到有效预防和控制。