刮板机高强耐磨钢堆焊工艺学习体会

文献概况与问题背景

张彩霞等人在《电焊机》2014年第10期发表的这篇文献，针对煤炭输送设备刮板输送机顺槽中板的磨损失效问题，开展了高强耐磨钢的堆焊工艺研究。该文献的核心发现是：在高强耐磨钢上进行常规堆焊时，存在严重的热影响区软化现象，导致堆焊层与母材交界处的耐磨性显著下降，堆焊效果不理想。针对这一问题，作者提出了"冷堆焊"工艺方案，通过及时冷却措施有效降低了软化区域，提高了堆焊层的综合耐磨性能。

这一研究切中了煤矿输送设备维护中的一个普遍痛点。刮板输送机顺槽中板长期承受煤块、矸石的冲击和摩擦，是典型的高磨损部件。传统的堆焊修复方法往往因为热影响区软化而无法满足使用要求，导致修复后很快再次失效，形成"修复-失效-再修复"的恶性循环。

关键技术问题分析

高强耐磨钢堆焊软化的机理

高强耐磨钢通常含有较高的碳和合金元素，其基体组织多为马氏体或贝氏体，硬度较高（通常在HRC 40~55范围）。在常规堆焊过程中，焊接热循环会导致热影响区（HAZ）经历高温加热和快速冷却，产生以下不利影响：

• 晶粒粗化：热影响区高温区晶粒过度长大，降低材料的强韧性；
• 回火软化：热影响区马氏体组织在焊接热循环作用下发生回火转变，硬度显著下降；
• 相变脆化：冷却过程中可能析出脆性相，降低韧性；
• 残余应力：焊接残余应力叠加使用载荷，可能导致堆焊层开裂或剥离。

冷堆焊工艺原理

冷堆焊（Cold Surfacing）是指在堆焊过程中或堆焊后立即采取冷却措施（如水冷、风冷等），加速热影响区的冷却速率，从而抑制晶粒粗化和回火软化，保持热影响区的高硬度状态。其核心原理是：

• 通过快速冷却，使热影响区组织保持在马氏体或下贝氏体状态，避免回火软化；
• 控制冷却速率在合理范围内，防止因冷却过快而产生冷裂纹；
• 利用冷却措施降低焊接残余应力，减少变形。

关键工艺参数

焊丝选择与熔敷金属性能

文献中选用高碳高铬药芯焊丝进行堆焊，这类焊丝的熔敷金属通常具有以下特征：

高碳高铬药芯焊丝的熔敷金属中形成大量硬质碳化物，提供优异的耐磨性能，但同时也导致韧性较低。在刮板输送机顺槽中板的应用中，耐磨性是首要考虑因素，因此硬堆焊方案是合理的。

工程实践中的关键问题与对策

冷裂纹风险的控制

冷堆焊虽然有效抑制了热影响区软化，但由于冷却速率加快，冷裂纹（延迟裂纹）的风险显著增加。控制冷裂纹的关键措施包括：

1. 焊丝氢含量控制：药芯焊丝应充分烘干，焊接过程中使用低氢焊剂，减少熔敷金属中的扩散氢含量。
2. 预热温度选择：虽然冷堆焊不依赖预热，但对于厚板或高碳钢，适当的低温预热（100~150 ℃）可以在抑制软化和防止冷裂纹之间取得平衡。
3. 焊后热处理：对于重要部件，可在堆焊后进行低温去应力退火（250~350 ℃），消除残余应力，同时避免高温导致软化。
4. 焊后冷却控制：冷堆焊的冷却速率应控制在合理范围内，避免冷却过快导致淬硬组织过度脆化。

堆焊层与母材结合质量

堆焊层与母材的结合质量直接影响堆焊层的耐磨寿命。文献中通过以下措施确保结合质量：

• 表面清理：堆焊前对母材表面进行喷砂或打磨处理，去除氧化皮、油污和锈蚀，提高结合力。
• 堆焊层数控制：多层堆焊时，每层之间应进行表面清理，确保层间结合良好。
• 稀释率控制：通过调整焊接参数，控制母材稀释率在合理范围内（通常10%~20%），避免过高稀释导致堆焊层硬度下降。
• 焊后检测：通过磁粉检测（MT）或渗透检测（PT）检查堆焊层表面和近表面的裂纹、气孔等缺陷。

刮板输送机顺槽中板的典型失效模式

学习心得与工程启示

这篇文献的价值在于其直面工程实际问题的研究态度。高强耐磨钢堆焊软化问题在行业中长期存在，但很多技术人员对此缺乏系统的机理分析和有效的解决方案。文献提出的冷堆焊方案，虽然原理简单，但实施效果显著，体现了"简单方法解决复杂问题"的工程智慧。

在实际工程实践中，我深刻认识到：堆焊工艺的选择不能仅考虑熔敷金属的性能，还必须充分考虑热影响区的性能变化。对于高强耐磨钢这类对热输入敏感的基体材料，焊接热循环的影响往往比熔敷金属本身的性能更为关键。冷堆焊工艺的核心思想——通过控制冷却速率来优化热影响区组织——具有普适性，可推广到其他类似材料的堆焊修复中。

此外，文献中提到的"及时冷却措施"在实际操作中需要精细控制。冷却过早可能导致未完全熔化的熔池产生冷裂纹，冷却过晚则无法有效抑制软化。因此，冷却时机和冷却速率的优化是冷堆焊工艺成功的关键。工程技术人员在实际应用中，应通过系统试验确定最优冷却方案，而非简单照搬文献参数。

总体而言，刮板机高强耐磨钢冷堆焊工艺的研究，为煤矿输送设备的耐磨修复提供了有效技术方案，具有显著的工程应用价值。