礦渣輥磨輥套堆焊工藝的試驗研究

王富強，張帆，杜曉軍，趙有恒，蔣建敏

1 前言

我公司是以生產(chǎn)輥磨主機為主導產(chǎn)品的設備制造廠家，為確保整機質(zhì)量的穩(wěn)定提高，近期與北京焊博焊材有限公司和北京工業(yè)大學等單位合作，對目前普遍采用的耐磨焊材、堆焊工藝技術(shù)等進行深入的調(diào)研、分析，在此基礎上根據(jù)自身產(chǎn)品特點對傳統(tǒng)的堆焊工藝技術(shù)進行了研究改進，試焊了輥套部件，取得了較好的效果。

2 堆焊輥磨輥套的主要問題

輥套材料堆焊中存在的主要問題是堆焊基材的焊接性問題，而金屬的焊接性可理解為金屬是否能適應焊接與加工而形成完整的、具備一定使用性能的焊接接頭或焊接工作面的特性，這主要決定于金屬的化學成分以及組織狀態(tài)。焊接性通常表現(xiàn)為兩方面的問題，一是金屬在經(jīng)過焊接和加工時對缺陷的敏感性；二是焊接熱影響區(qū)內(nèi)基材性能的變化。也可認為，焊接性不僅要考慮到金屬的結(jié)合性能，也要考慮到結(jié)合后的使用性能。以我公司輥套所用低合金鑄鋼ZG20SiMn為例，根據(jù)磨輥套的工況和使用要求，堆焊過程主要解決以下問題：

第一，如何選擇恰當?shù)亩押覆牧蟻肀ＷC熔敷金屬的耐磨性。

堆焊過程所用的焊接材料主要以藥芯焊絲為主，藥芯焊絲中Cr、Si、C、Ni、Mn等元素成分含量及配比直接影響熔敷金屬即堆焊層的強度、韌性和硬度等性能，所以堆焊實施的前提就是根據(jù)堆焊基材、工藝條件及使用環(huán)境選擇相匹配的焊絲，以此保證堆焊熔敷金屬的耐磨性。

第二，如何解決堆焊耐磨層使用過程中的剝落。

堆焊耐磨層在后期使用中出現(xiàn)大面積的脫落是堆焊所面臨的主要風險和困難之一。解決這一問題除了根據(jù)基材選擇合適的焊接材料來提高熔敷金屬與基材的結(jié)合性以外，工藝過程的控制十分關鍵?？刂坪霉に囘^程可以得到性能較好的合金組織，防止焊接缺陷的產(chǎn)生，提高硬質(zhì)合金與基材的結(jié)合性，以此降低耐磨層脫落的可能性。

3 基材及焊絲的選擇

3.1 基材的選擇

根據(jù)調(diào)研和分析，相對其他鑄鋼材料，中低碳合金ZG20SiMn，不但具有良好的鑄造性能，而且具有較好的焊接性，非常適合作堆焊輥套的基材。ZG20SiMn化學成分如表1所示。

一般堆焊基材ZG20SiMn含碳量在0.2%～0.25%，相對較低，具有良好的焊接性，有利于提高堆焊合金與基材的結(jié)合性，避免耐磨層的脫落。為保證堆焊達到較好效果，對基材中的有害成分如P、S含量進行嚴格控制，使其實際含量控制在P=0.023%，S=0.020%以下。

3.2 焊絲的選擇

根據(jù)所要堆焊的基材ZG20SiMn，并且為保證堆焊熔敷合金具有較好的耐磨性和與基材的結(jié)合性，堆焊工藝中我們針對實際工況和工藝要求采用三種合金成分不同的焊絲分別進行打底層、填充層、蓋面層的堆焊，逐步實現(xiàn)基材向硬質(zhì)合金的過渡，以達到耐磨層堆焊的目的。采用的三種焊絲成分質(zhì)量分數(shù)如表2。

表1 ZG20SiMn鑄鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)），%

如表2所示，1號焊絲作為打底層焊絲，采用碳含量和合金元素較低的焊絲，硬度較低，但具有較好的焊接性能。2號焊絲堆焊合金層承擔主要耐磨任務，合金元素量大幅增加，同時增加了較多C、Cr元素含量，使熔敷金屬硬度有較大提高。3號焊絲較2號焊絲主要增加了Nb元素含量，起到細化晶粒和進一步提高耐磨性的作用，使得到蓋面層組織具有較好的綜合性能。

4 堆焊工藝的制定

4.1 基材結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及堆焊質(zhì)量的控制

堆焊磨輥采用錐型外套（見圖1），由于磨機運作時，磨盤上物料受離心力作用向輥套A端面集中，輥套A端面磨損應力遠大于對B端面磨損應力，采用此種階梯外形在有效增加A端耐磨性能的同時，可有效降低堆焊成本。

為保證堆焊質(zhì)量，防止因母材缺陷延伸至堆焊合金層，導致堆焊后耐磨層大面積脫落，在堆焊前對經(jīng)過加工后的輥套基材進行嚴格的探傷檢驗。針對檢驗出的裂紋、砂眼、氣孔等鑄造缺陷，采用碳弧氣刨、補焊、打磨等措施修補（見圖2、3），修補后再次探傷直至無缺陷為止。

4.2 堆焊工藝過程

4.2.1 堆焊工藝的確定

基于母材與堆焊硬質(zhì)合金材質(zhì)的較大差異（硬度、線膨脹系數(shù)、金屬組織的不同），直接進行較高硬度焊絲的堆焊難度較大，并且容易產(chǎn)生大面積脫落。在對現(xiàn)行的工藝進行優(yōu)化后，采用三種不同焊絲（如表2）依次進行打底、填充、蓋面層堆焊。堆焊設備采用ARC-NMG7-1磨輥自動堆焊機，直流電源，明弧自保護藥芯焊絲堆焊。堆焊過程中保證堆焊層厚度不大于2mm，盡可能降低堆焊稀釋率；打底層采用硬度較低、韌性較好的焊絲，主要解決與母材結(jié)合性問題，在硬度較高的熔敷金屬與母材之間起過渡作用，同時也避免鑄造組織中可能的缺陷向耐磨層擴展；填充層采用硬度較高的藥芯焊絲，做為堆焊層數(shù)較多熔敷金屬，主要以高碳高鉻成分為主，它的堆焊質(zhì)量、層數(shù)和厚度一定程度上決定輥套的耐磨性高低；蓋面層則采用硬度更高的焊絲，以得到較好的耐磨質(zhì)量和較好的表面質(zhì)量。

4.2.2 堆焊中過程控制

確定好堆焊方案后，堆焊能否成功實現(xiàn)過程控制是關鍵。堆焊過程控制主要是焊道質(zhì)量控制，如表面清理、預熱、成形控制、層間溫度控制和焊后熱處理。

（1）清理及預熱

當堆焊碳鋼或低合金鋼時常根據(jù)碳當量估計預熱溫度，碳當量計算公式為CeP=C+1/6Mn+1/24Si+1/15Ni+1/5Cr，不同碳當量所需最低預熱溫度如表3。

表2 采用不同焊絲熔敷金屬的化學成分，%

圖1 經(jīng)機加工和缺陷檢驗后的堆焊母材及結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 對缺陷修補前情況

圖3 對缺陷修補后情況

表3 堆焊材料碳當量與預熱溫度的關系

圖4 堆焊過程中冷卻方式

圖5 1號、2號、3號輥套大、中、小端平均硬度值號

根據(jù)ZG20SiMn的碳當量，考慮工件大小材質(zhì)厚度及工件堆焊面積等因素，在堆焊前對堆焊輥套表面的油污等雜質(zhì)物進行清理后，采用丙烷氣體將輥套基材加熱至150～180℃的預熱溫度。

（2）過程中的成形控制

成形控制主要分為焊道成形和整體成形控制，堆焊過程中采用多道不擺動焊接方式，盡可能減少堆焊焊道厚度，降低稀釋率。焊道允許產(chǎn)生均勻分布的裂紋以釋放焊接應力，但對于產(chǎn)生較大貫穿性裂紋應予以及時修補，并對修補后的情況進行探傷檢驗。堆焊過程中，應注意避免出現(xiàn)局部過熱，另外需要注意大端不能堆焊得角度過小，否則容易造成受力剝落。

堆焊層數(shù)則根據(jù)最終產(chǎn)品要求尺寸及整體外形進行確定，為了保證成形形面和尺寸要求，制作專門的形面靠具進行檢驗控制。

（3）層間溫度控制

所謂層間溫度,是指多層多道焊時,后一層（道）焊縫焊接前,前層（道）焊縫的最低溫度，實際上層間溫度會起到預熱作用，但過高的層間溫度會引起焊道熱影響區(qū)晶粒粗大，影響堆焊金屬的性能，所以層間溫度控制是保證堆焊質(zhì)量的關鍵。以往的工藝在這一環(huán)節(jié)沒有很好控制，導致耐磨層出現(xiàn)大面積脫落。經(jīng)過工藝改進后，我們采用壓縮空氣及霧式水噴頭（見圖4）和紅外測溫儀來監(jiān)測和控制層間溫度，層間溫度控制在80℃左右，使焊接過程中的堆焊層裂紋能充分釋放出來，保證堆焊焊縫有較好的組織和力學性能。

（4）焊后熱處理

由于堆焊合金硬度和脆性較高，為避免產(chǎn)生冷脆裂紋，特別是在環(huán)境溫度較低的情況下，應及時采取緩冷措施（后熱處理），工藝優(yōu)化后，我們將堆焊后緩冷的輥套在低溫電阻加熱爐中進行消除應力處理，以一定速度加熱至250℃，保溫4～5h，冷卻至80℃后出爐，空冷至室溫。處理后可以在保證較好的硬度和強度的情況下降低焊接應力和脆性，同時使堆焊層硬度分布均勻，改善工件組織性能。

5 堆焊結(jié)果

5.1 外形尺寸

由于采用形面靠具，在堆焊過程中根據(jù)測量形面調(diào)整輥套不同位置堆焊層數(shù)，堆焊后得到的尺寸外形符合裝配和使用要求。

5.2 硬度檢測

在實際生產(chǎn)運行中，由于物料粒度、硬度及運行工況等外界因素不同，堆焊合金層的耐磨性在不同環(huán)境中存在差異，但是基本可以根據(jù)硬度來評判材料耐磨性。在此次試制階段，我們采用不同焊絲進行打底、填充層、蓋面層的堆焊，在保證堆焊不脫落、無較大缺陷的情況下逐步提高堆焊焊絲硬度，試制3個輥套，檢測硬度平均值結(jié)果見圖5。

如圖5中所示，1號輥套在進行打底層堆焊時采用的是?1.6CO2氣體保護焊藥芯焊絲，由于焊接過程中氣體保護等因素影響，打底層局部出現(xiàn)過密集氣孔，且焊道成形較差，堆焊后測量各端面硬度值總體較低，但未出現(xiàn)較大脫落和缺陷?；谝陨锨闆r，在對2號、3號輥套堆焊時采用? 2.8明弧自保護藥芯焊絲，堆焊效果有較大改善，平均硬度值（圖5）也有較大提高，基本達到58～62HRC的硬度要求。同時根據(jù)圖5所示，低溫回火熱處理后前后3輥套各部分硬度差值縮小，說明經(jīng)過熱處理后硬度均化效果較為明顯。

6 結(jié)語

輥磨輥套堆焊質(zhì)量的好壞，取決于焊材（焊絲、焊條）的選用、堆焊操作技術(shù)水平（電流、電壓、焊速的控制）的高低和過程的嚴格控制。在此次試制中，我們根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)質(zhì)量要求，通過對焊絲的選擇、層間溫度控制、焊后的熱處理等工藝方法的探索，建立、完善了一套適合自身產(chǎn)品特點的輥磨輥套堆焊工藝，效果較好，取得階段性的成果。

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