立磨輥焊接工藝技術(shù)與應(yīng)用

成世奇，楊 華，余 波

（廣西柳鋼工程技術(shù)有限公司，廣西 柳州 545002）

0 引言

在冶金和水泥工業(yè)設(shè)備中，立磨輥是最主要的設(shè)備，主要組成機(jī)構(gòu)如圖1。磨輥是生產(chǎn)過(guò)程中極易磨損的部件，為降低生產(chǎn)成本，立磨輥磨損至達(dá)不到使用要求后進(jìn)行修復(fù)再利用，因此立磨輥的修復(fù)有著極大的市場(chǎng)和意義。立磨輥是一種由輥套、輥體、軸承和承重軸組成的旋轉(zhuǎn)體，主要磨損修復(fù)的是輥套，通過(guò)在輥套外圓面堆焊一定厚度的高硬度、高耐磨合金，來(lái)降低輥套與磨盤(pán)磨損，延長(zhǎng)設(shè)備整體使用壽命。

圖1 立磨輥構(gòu)造

原工藝制作的立磨輥為整體高鉻鑄鐵成分，不需要焊接，成本較高，且新輥磨損后修復(fù)難度極大，重復(fù)利用的比例極低。目前市場(chǎng)上已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎描T鋼材質(zhì)的輥套毛坯焊接耐磨合金來(lái)達(dá)到使用效果，但由于輥套的材質(zhì)與耐磨合金的成分差別太大，在焊接質(zhì)量控制上存在較大難度，在使用過(guò)程中易可能出現(xiàn)合金層掉落和磨損過(guò)快的問(wèn)題，所以焊接過(guò)程中，焊接參數(shù)控制、焊縫尺寸、厚度就顯得極為重要。此外，焊接所用的合金焊絲的化學(xué)和物理性能也是影響焊接質(zhì)量的重要因素。因此，保證焊接質(zhì)量是立磨輥焊接過(guò)程中的一個(gè)重點(diǎn)難點(diǎn)。

1 焊接性分析

立磨輥套采用母材材質(zhì)為ZG35SiMn，其主要成分見(jiàn)表1，由于其含碳量較高，焊接性能較差，且焊接耐磨層為高硬度高耐磨的高鉻鑄鐵材質(zhì)，母材與耐磨層焊絲材質(zhì)差別太大，機(jī)械性能差異大，需增加打底過(guò)渡層提高焊層與母材的熔合性[1]。

表1 ZG35SiMn 的化學(xué)成分（%）

為達(dá)到耐磨性能要求，在焊材選型時(shí)需考慮焊材成分和硬度等指標(biāo)，并對(duì)焊材化學(xué)、物理及焊接性能進(jìn)行前期試驗(yàn)，確保焊材符合要求方可進(jìn)行批量焊接。為確保焊接后焊層質(zhì)量良好，且具有良好的機(jī)械物理性能，根據(jù)所選輥套基材情況，需選用3 種焊絲分別作為打底過(guò)渡層、中間耐磨層和蓋面超耐磨層，且所選擇各焊層焊絲需具有對(duì)應(yīng)的物理和化學(xué)性能：

（1）打底過(guò)渡層焊絲：具有良好的塑性、低硬度及與基材良好結(jié)合性，使輥套基材與焊層實(shí)現(xiàn)良好過(guò)渡，并確保與中間層熔合良好。

（2）中間耐磨層焊絲：作為磨輥?zhàn)钪饕哪p層，選擇高鉻鑄鐵材質(zhì)焊絲，具有高硬度、高耐磨性及良好的焊接性。

（3）表面超耐磨層焊絲：需增加鈮或鉬元素來(lái)提高耐磨性能，具有超強(qiáng)的耐磨性并具有高硬度，并有良好焊接成型性。

2 工藝步驟

立磨輥焊接采用明弧焊工藝，該工藝方案包括以下步驟[2-3]：

（1）鑄件毛坯加工：對(duì)輥套毛鑄件坯進(jìn)行車(chē)削加工，根據(jù)圖紙耐磨層厚度要求，預(yù)留足夠余量進(jìn)行焊接，加工后進(jìn)行尺寸確認(rèn)。

（2）焊前清理：對(duì)輥套焊接區(qū)域進(jìn)行清理，去除影響焊接質(zhì)量的污物、油污、油漆、鐵銹、氧化皮、潮氣。

（3）輥套安裝：將被輥套安裝到焊接工裝上，確保工裝能平穩(wěn)勻速驅(qū)動(dòng)焊件運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)驅(qū)動(dòng)工裝底座進(jìn)行固定。

（4）探傷檢測(cè)：采用超聲波探傷和著色滲透探傷的方法對(duì)輥套表面和內(nèi)部缺陷進(jìn)行確認(rèn)，確保焊件內(nèi)外部無(wú)缺陷。

（5）焊接：采用明弧焊接，需焊接打底層、耐磨層、蓋面層，先從焊接厚度最大區(qū)域開(kāi)始焊接打底層，需確保所有焊接位置均進(jìn)行打底，按工藝方案要求焊接打底完成后焊接耐磨層，最后焊接蓋面層至工藝尺寸要求。

（6）過(guò)程控制：由于耐磨焊絲為高鉻鑄鐵材質(zhì)，硬度高、應(yīng)力大，焊接過(guò)程中需嚴(yán)格控制層間溫度，確保層間溫度不高于80 益，若層間溫度高于該溫度極限，需采取水霧冷卻的方法來(lái)降低層間溫度。

3 應(yīng)用

3.1 焊材選型與檢測(cè)試驗(yàn)

根據(jù)輥套基材材質(zhì)和焊絲成熟穩(wěn)定性，焊絲選型：打底層：KCH-615S，中間層：KCH-626V，表面層：KCH-KZ1，所選焊絲均為明弧焊絲，焊絲規(guī)格為

打底層作為焊層與母材連接過(guò)渡層，需進(jìn)行焊接可行性分析，確保其機(jī)械性與母材性能相似，才能保證焊接的熔合。輥套母材為ZG35SiMn 材質(zhì)，屬奧氏體高錳鋼，其延伸率較低，延伸率若有5%，即可應(yīng)付變形量，而打底層焊絲KCH-615S 延伸率則高達(dá)13%，實(shí)踐證明在使用上不存在問(wèn)題[4-5]。KCH-615S各項(xiàng)物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 KCH-615S 各項(xiàng)物理性能

根據(jù)工藝要求，為確保焊材各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到工藝要求，需對(duì)焊絲進(jìn)行焊前檢測(cè)，檢測(cè)方法是焊絲取樣制作焊接試樣，試樣焊接4 層，然后取樣進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目主要為化學(xué)成分、硬度及金相組織，焊材的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 焊材各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

據(jù)圖2 金相圖分析，進(jìn)行焊接后，取樣進(jìn)行金相分析，在熔合區(qū)域附近未發(fā)現(xiàn)裂紋，因此使用KCH-615S 在ZG35SiMn 母材上進(jìn)行焊接是可行的焊接工藝。據(jù)圖3 金相圖分析，500 倍放大圖來(lái)看，融合區(qū)可明顯看到兩種材料的交界處有交錯(cuò)的過(guò)渡組織產(chǎn)生，證明KCH-615S 與ZG35SiMn 融合情況良好。

圖2 50 倍放大的KCH-615S 與母材交界區(qū)域組織金相圖

圖3 500 倍放大的KCH-615S 與母材交界區(qū)域組織金相圖

此外，取耐磨層焊絲KCH-626V 做焊接試樣進(jìn)行金相分析，其主要金相組織為滲碳體+馬氏體和奧氏體。高鉻鑄鐵的耐磨性主要依靠碳化物的種類、分布和面積比，碳化物的硬度高于基體硬度，在磨損過(guò)程中起耐磨骨架作用，保護(hù)基體，而基體又對(duì)碳化物起到支撐作用；馬氏體具有高硬度、高耐磨性的特點(diǎn)，能夠提高高鉻鑄鐵的硬度和耐磨性能。

3.2 焊接工藝方案實(shí)施

（1）根據(jù)制定工藝步驟，結(jié)合焊材選型及立磨輥焊接技術(shù)要求焊接實(shí)施采用NBC-630 逆變焊機(jī)，明弧焊接的方法，按照明弧焊接工藝參數(shù)，對(duì)打底層、中間層、表面層的步驟實(shí)施焊接。

（2）通過(guò)焊前探傷檢測(cè)、清理及焊前預(yù)熱后，采取自主設(shè)計(jì)焊接工裝實(shí)施連續(xù)焊接作業(yè)。焊接工裝替代常用的變位機(jī)，既可降低生產(chǎn)成本，又能減少作業(yè)空間，提高生產(chǎn)效率。焊接工裝如圖4 所示。

圖4 立磨輥焊接工裝

（3）過(guò)程控制：按照工藝技術(shù)要求控制不同焊材焊接厚度，并做好焊接過(guò)程缺陷的處置，同時(shí)需嚴(yán)格控制焊接過(guò)程層間溫度，確保層間溫度在80益以下，采用水霧冷卻來(lái)降低溫度

3.3 工藝應(yīng)用結(jié)果

（1）根據(jù)既定焊接工藝，實(shí)施打底層、中間層和蓋面層焊接，過(guò)程各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)控制良好，未出現(xiàn)不可控質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)，按要求完成各項(xiàng)焊接工作；

（2）焊接完成后，檢測(cè)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)為，圓周跳動(dòng)小于5 mm，輥面平面度小于3 mm，輥面硬度為HRC58-63，各尺寸均符合技術(shù)質(zhì)量要求，質(zhì)量合格。焊接成品如圖5。

圖5 焊接完成的磨輥

（3）根據(jù)立磨輥結(jié)構(gòu)和裝配要求，將焊接合格并經(jīng)加工的輥套與其他裝配構(gòu)建進(jìn)行組裝，根據(jù)裝配流程以及軸承裝配的核心要求，采用“內(nèi)熱外冷法，先外后內(nèi)，先輪轂再裝軸后圓錐軸承及端蓋，整體豎裝”的組裝方式，總結(jié)、制定出一套切實(shí)可行的磨輥組裝工藝方法。具體的組裝流程如圖6。

圖6 立磨輥組裝流程簡(jiǎn)圖

4 結(jié)語(yǔ)

本次焊接新制的立磨輥在尺寸公差、輥面硬度及外觀成型上均滿足技術(shù)要求，經(jīng)裝配后上線生產(chǎn)使用各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合要求，輥?zhàn)邮褂脡勖_(dá)到3000 h，達(dá)到壽命要求，得到了用戶的認(rèn)可。

在此次立磨輥焊接制作開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)理論試驗(yàn)和實(shí)際焊接實(shí)施，確定了選用的焊接材料、焊接工藝及焊接工裝輔具是合理可行的，積累了高鉻鑄鐵耐磨輥類焊接技術(shù)方法和經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，立磨輥焊接工藝開(kāi)發(fā)及應(yīng)用成果形成《立磨輥的堆焊方法及變位焊接工裝》獲得發(fā)明專利授權(quán)。

在機(jī)械、冶金等行業(yè)中，高耐磨設(shè)備使用面廣、需求量大，具有較大的修復(fù)需求和市場(chǎng)，磨輥焊接工藝的成功開(kāi)發(fā)應(yīng)用，特別是解決了大型設(shè)備的堆焊修復(fù)問(wèn)題，為開(kāi)發(fā)同類設(shè)備修復(fù)工藝方法提供經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)一步應(yīng)用到其他同類型耐磨設(shè)備修復(fù)。