三輥卷板機(jī)輥軸斷裂修復(fù)

莫志豪

一、前言

Φ300mm×3000mm卷板機(jī)是20世紀(jì)70年代機(jī)械廠自行設(shè)計(jì)制造，因上輥軸斷裂，需要進(jìn)行焊接修復(fù)。由于材料為中碳調(diào)質(zhì)鋼50SiMn，斷裂處截面直徑80mm，焊接施工難度大。為保證質(zhì)量，研究制定相關(guān)焊接工藝。

二、材料焊接分析

50SiMn鋼的含碳量 0.46%～0.54%，含 0.8%～1.1%Si、0.8%～1.1%Mn等合金元素，鋼的淬硬傾向大，有較高的空淬性，尤其是高碳粗大馬氏體，導(dǎo)致嚴(yán)重脆化，增大了焊接接頭冷裂傾向。另外，碳和合金元素含量高，焊縫凝固結(jié)晶時(shí)溫度區(qū)間大，偏析傾向也較大，因此，焊接時(shí)具有較大的熱裂紋敏感性，所以焊接時(shí)容易出現(xiàn)冷裂、熱裂、熱影響區(qū)的脆化和軟化以及再熱裂紋等問題，焊接性較差。根據(jù)這一特點(diǎn)，對于焊接材料的選擇，要使之化學(xué)成份與母材相同或相近，既要滿足接頭的強(qiáng)度和使用條件，又要保證避免裂紋產(chǎn)生。為了保證修復(fù)成功，防止裂紋產(chǎn)生，還必須采取焊前預(yù)熱，合理控制層間溫度，以降低接頭冷卻速度，并且接頭焊好后要進(jìn)行熱處理，以消除焊接殘余應(yīng)力，改善接頭的組織和性能。

三、焊前準(zhǔn)備

1.焊接方法選擇

由于上輥軸斷裂截面處于變截面處，斷面處是軸承位，直徑80mm，大端處是輥軸，直徑320mm，斷裂處離輥軸端15mm，輥軸斷截面如圖1所示。

2.焊接材料選擇

由于50SiMn鋼含碳量高，淬火傾向較大，尤其焊接直徑較大的斷軸時(shí)，在焊接熱循環(huán)作用下，近焊縫區(qū)的淬火傾向更大，這種脆性狀態(tài)加上較大的收縮應(yīng)力，就會導(dǎo)致近焊縫區(qū)冷裂。此外，因?yàn)槟覆牡暮剂枯^高，施焊第一層時(shí)，有大量的母材熔入，使焊縫金屬具有較高的含碳量。因此，必須采用高韌性超低氫型焊條J607RH預(yù)堆過渡層，再用J107Cr（或J857 Cr）焊條填充金屬。

3.坡口加工

由于輥軸直徑大而且長，單邊焊縫高30mm，所以決定采用U形坡口焊接，焊縫尺寸如圖2a，U形坡口角度為25°±5°，并保留5mm的鈍邊。加工后用超聲波檢驗(yàn)，決不允許有殘留裂紋。

斷裂小段由于尺寸變短不能再用，決定重新加工軸承段，如圖2b尺寸，材料采用50SiMnMoB鍛鋼，采用車床加工成型，U形坡口角度為25°±5°，并保留5mm的鈍邊。

四、焊接工藝過程

1.預(yù)熱

采用氧乙炔火焰將坡口及附近區(qū)域均預(yù)熱到250～300℃，要求焊接的地方均要預(yù)熱，包括大斷截面處的堆焊及組對施焊。

2.焊接

（1）要求具有經(jīng)驗(yàn)且技術(shù)熟練的焊工擔(dān)任焊接任務(wù)，焊工必須持有勞動部門頒發(fā)的鍋爐壓力容器焊工合格證，操作項(xiàng)目應(yīng)在持證范圍并在有效期限之內(nèi)，且焊接時(shí)嚴(yán)禁在輥軸上引弧。施焊前，先把輥軸平放在簡易轉(zhuǎn)胎上，用手提砂輪對坡口及周邊10～15mm范圍內(nèi)要徹底打磨清理干凈，去除油污、銹蝕、結(jié)垢、氧化皮等雜物，直到呈現(xiàn)金屬光澤。然后按表1焊接工藝要求，用J607RH焊條預(yù)堆焊過渡層，即凡與母材接觸面均要打底焊兩道（焊條嚴(yán)格按烘干溫度烘干，待用的焊條應(yīng)放在保溫筒內(nèi)，必須隨用隨取）。施焊時(shí)，坡口處鈍邊務(wù)必焊透，且要求過渡層達(dá)到坡口高度的1/3處時(shí)，再改用J107Cr（或J857 Cr）焊條填充。

（2）輥軸的焊接裂紋傾向大，大熔敷量，更容易造成焊接應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋，為減緩應(yīng)力，避免裂紋產(chǎn)生，盡量采用小參數(shù)施焊。打底焊后應(yīng)立即進(jìn)行后道的焊接，手弧焊以小擺幅月牙形方式進(jìn)行，焊條擺動到坡口兩側(cè)時(shí)應(yīng)稍稍加以停留，熔化坡口邊緣1～2mm以防咬邊。收弧時(shí)對弧坑稍增填熔滴，在更換焊條時(shí)，將起焊部位藥皮敲掉10mm左右，直至施焊完成。焊接參數(shù)見表1，焊接工藝圖見圖3。

（3）施焊過程中要保持層間溫度為200～250℃，剛焊完的每段焊縫都要要采用錘擊處理，消除焊接殘余應(yīng)力，打碎正在成長的柱狀晶粒，使焊縫組織致密均勻。

表1 焊接參數(shù)表

3.焊后熱處理

焊后立即消除應(yīng)力，即不讓焊件冷卻就回火處理。由于輥軸較長，需專用加熱爐，為縮短周期、節(jié)約費(fèi)用，采用車間就地消除應(yīng)力處理，用加熱帶進(jìn)行加熱回火保溫。回火保溫溫度630±5℃保溫2.5h，每小時(shí)升溫50～70℃，上升溫度每差70℃ 延長保溫時(shí)間3h。熱處理時(shí)，防止軸發(fā)生變形，將接頭兩側(cè)墊好。

4.焊后機(jī)加工

由于輥軸直徑大而且長，所以我們決定采用臥式鏜床加工。熱處理后，對焊縫進(jìn)行100%X射線檢測，II級片合格率達(dá)到100%。然后將輥軸放在臥式鏜床上按圖紙要求加工，加工時(shí)要保證軸承與輥軸的同軸度要求。同時(shí)要求對軸進(jìn)行高頻淬火，淬火溫度 850～870℃（油淬），淬后硬度 300～350HB。

五、注意事項(xiàng)

對合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接一定要注意：（1）冷裂紋對焊接應(yīng)力及焊縫含氫量的敏感性大，因此要徹底清除應(yīng)力集中點(diǎn)，并選用高韌性、超低氫型焊條預(yù)堆過渡層。（2）焊接件很大，散熱快，因此要控制好層間溫度，當(dāng)層間溫度低于200℃時(shí)，要停止焊接，重新加熱后再進(jìn)行施焊。（3）軸較長，焊后要進(jìn)行熱處理，熱處理時(shí)，將接頭兩側(cè)墊好防止軸發(fā)生變形。（4）接頭焊好后應(yīng)進(jìn)行機(jī)加工，機(jī)加工時(shí)要保證軸間的同軸度要求。

輥軸修復(fù)后，經(jīng)過兩年多的使用，一切正常，表明焊接修復(fù)成功。

W13.04-10