热轧工作辊堆焊修复选材与工艺学习体会

文献概况与行业背景

聂斌英在《机械工程材料》2004年第28卷第7期发表的这篇文章，针对ZUB140NCrMo半钢热轧工作辊的堆焊修复进行了选材与工艺研究。热轧工作辊是轧钢生产线的核心部件，承受高温、高压、强摩擦和热疲劳的综合作用，其使用寿命直接影响轧钢生产的连续性和经济性。

半钢工作辊（ZUB140NCrMo）是一种半钢质轧辊，其工作层为高铬铸铁或高合金铸铁，芯部为合金锻钢。这种结构兼顾了工作层的高硬度耐磨性与芯部的高强度抗弯能力。然而，工作层在长期使用后会因磨损、热疲劳、表面剥落等原因失效，需要修复或更换。

堆焊修复的选材策略

堆焊修复的核心在于焊接材料的选择，需满足以下要求：

文献中提到的"弥散硬化"是堆焊层强化的核心机制。弥散硬化是指在基体中均匀弥散分布细小的第二相颗粒（如碳化物、氮化物、金属间化合物），通过阻碍位错运动来提高材料强度。在堆焊层中，弥散硬化的实现依赖于：

• 合金元素的合理配比：Cr、Mo、V、W等碳化物形成元素提供硬质相。
• 凝固组织的细化控制：快速冷却或变质处理细化晶粒，增加相界面积。
• 热处理工艺：固溶处理+时效处理优化第二相的形态与分布。

ZUB140NCrMo基体的合金成分包含Cr和Mo，堆焊材料的选择需考虑与基体的冶金兼容性。若堆焊材料含碳量过高，可能导致堆焊层与基体界面处形成脆性相；若含碳量过低，则无法获得足够的硬度和耐磨性。合理的选材策略是采用多层堆焊：第一层为过渡层，成分介于基体与最终工作层之间；后续层逐步提高合金含量，最终达到工作层性能要求。

焊接工艺参数优化

热轧工作辊的堆焊修复通常采用GTAW（TIG焊）或PAW（等离子弧焊）工艺。这两种工艺的共同特点是热输入集中、稀释率低、堆焊层成分可控。

PAW工艺在堆焊修复中具有独特优势：等离子弧的温度高达20000℃以上，能量密度极高，可实现快速熔敷；同时等离子弧的压缩效应使熔池深宽比大，稀释率低，有利于保持堆焊层的合金成分。但PAW设备的投资成本较高，且对操作技能要求严格。

GTAW工艺则更为普及，设备简单、操作灵活，适合现场修复作业。但其热输入相对较低，熔敷效率不如PAW，多层堆焊时总工时较长。

修复质量评价与寿命验证

堆焊修复的质量评价包括：

• 宏观检验：堆焊层表面应平整、无气孔、无裂纹、无未熔合。
• 硬度测试：堆焊层硬度分布应均匀，从表面到界面硬度梯度合理。
• 金相分析：堆焊层组织应为高硬度相（碳化物）均匀弥散于基体中，界面处无脆性相。
• 耐磨试验：通过干摩擦或湿摩擦磨损试验，对比修复辊与新辊的磨耗量。
• 服役验证：在轧钢生产线实际使用，记录修复辊的工作寿命。

文献报道修复后轧辊的工作寿命与新辊相当，修复费用为新辊成本的40%，经济效益显著。这一结果表明，堆焊修复技术是热轧工作辊再制造的有效途径。

工程实践中的关键经验

热轧工作辊堆焊修复的工程实践需要关注以下几个关键问题：

第一，基体状态评估。修复前需对轧辊基体进行全面的无损检测（UT/MT），确认基体无内部裂纹或严重缺陷。若基体存在裂纹，必须先进行裂纹清除（如碳弧气刨或磨削去除），再进行堆焊修复。

第二，表面准备。堆焊前的表面清理至关重要，需去除旧工作层的残余物、氧化皮、油污等。通常采用砂轮打磨或喷砂处理，露出金属光泽。表面粗糙度应控制在Ra 6.3 μm以下，以确保堆焊层与基体的良好结合。

第三，多层堆焊的顺序控制。对于大厚度修复，需采用多层多道焊。每层的厚度控制在2-3 mm，层间温度不超过150℃。堆焊顺序应采用对称跳焊法，减少焊接变形。

第四，焊后热处理。堆焊修复后的轧辊通常需要进行去应力退火处理，消除焊接残余应力，防止服役过程中产生延迟裂纹。退火温度一般为550-600℃，保温时间根据厚度确定，冷却速率不超过1℃/min。

学习心得与总结

这篇文献虽然篇幅不长，但涵盖了热轧工作辊堆焊修复的选材、工艺和质量评价等核心内容。其最突出的贡献在于：通过合理的材料选择和工艺优化，实现了修复辊寿命与新辊相当的目标，同时成本仅为新辊的40%。这一成果对轧钢行业的降本增效具有直接的指导意义。

从更广泛的视角看，再制造技术（Remanufacturing）是循环经济的重要组成部分。热轧工作辊的堆焊修复是再制造技术的典型应用，通过焊接技术恢复或提升零部件的性能，延长其使用寿命，减少新材料消耗和废弃物排放。在"双碳"目标背景下，再制造技术的重要性日益凸显。

然而，堆焊修复也面临一些挑战：修复质量的稳定性与一致性、多层堆焊的效率提升、新型耐磨材料的应用等。未来，随着增材制造（3D打印）技术的发展，热轧工作辊的修复方式可能从传统的电弧堆焊向激光熔覆、电子束熔覆等先进再制造技术转变，实现更精确的成分控制和更优的微观组织。