冶金軋輥磨損輥面修復(fù)技術(shù)研究及應(yīng)用

李紅偉

軋輥是軋制過程中的主要工具之一，其可以使金屬發(fā)生變形，同時(shí)其質(zhì)量和使用壽命與軋制生產(chǎn)效率密切相關(guān)。在軋制過程中輥面會(huì)出現(xiàn)一定的磨損現(xiàn)象，為了使相關(guān)生產(chǎn)效率和質(zhì)量得到保障，需要采取有效的修復(fù)技術(shù)來完成相應(yīng)的修復(fù)工作。本文從以下方面來對(duì)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行全面研究。

1 磨損輥面失效形式

冶金軋輥磨損輥面的失效形式有兩種：一種是正常磨損。其指的是在進(jìn)行軋制時(shí)，由于軋制時(shí)間的不斷增長，軋輥表面和軋制面之間就會(huì)發(fā)生一定的接觸和磨削。這樣就會(huì)導(dǎo)致軋輥表面的金屬顆粒不斷脫離的現(xiàn)象出現(xiàn)，從而使得軋輥直徑不斷縮小且耐磨性不斷降低。當(dāng)軋輥直徑磨損小到一定程度或輥面硬度下降到規(guī)定數(shù)值之后，就算不會(huì)出現(xiàn)其他缺陷依然無法對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用。軋輥直徑相對(duì)較小，當(dāng)硬度不斷降低時(shí)，軋制產(chǎn)品就無法對(duì)規(guī)定的尺寸和形狀進(jìn)行滿足。另一種是非正常磨損。其磨損機(jī)制中包含疲勞磨損、腐蝕磨損等。在對(duì)實(shí)際的軋制過程進(jìn)行開展時(shí)，這些磨損機(jī)制都處于并存的狀態(tài)，相互之間還可以產(chǎn)生一定的影響或作用。主要的表現(xiàn)形式以軋輥表面裂紋為主，該裂紋還可以劃分成軸向裂紋以及環(huán)狀裂紋等。從相關(guān)研究資料中可知，冷工作輥表面裂紋的失效率甚至可以超過60%，熱工作輥表面失效率會(huì)達(dá)到20%，裂紋出現(xiàn)頻率相對(duì)較高的位置以軋輥和軋制品接觸處為主。當(dāng)磨損狀況不斷加劇時(shí)，龜裂以及環(huán)狀裂紋就會(huì)從晶界的外部向內(nèi)進(jìn)行不斷的延展，從而使出現(xiàn)輥面淺層剝落或大面積深層剝落的概率大幅度增加。但是該階段的軋輥表面還是可以進(jìn)行修復(fù)。但當(dāng)軋制時(shí)間不斷增加時(shí)，就會(huì)使斷輥現(xiàn)象的發(fā)生率大幅度增加。此時(shí)的軋輥已經(jīng)無法進(jìn)行修復(fù)，只能處于報(bào)廢的狀態(tài)之中。

2 磨損輥面修復(fù)技術(shù)

冶金軋輥輥面磨損在進(jìn)行修復(fù)之前，需要利用機(jī)械加工的方式來進(jìn)行輔助，這樣可以使軋輥面裂紋缺陷或疲勞層得到有效去除，從而使該種裂紋對(duì)軋輥修復(fù)后質(zhì)量所產(chǎn)生的影響得到有效避免。磨損輥面修復(fù)技術(shù)主要包括以下幾種。

2.1 刷鍍技術(shù)

該技術(shù)可以對(duì)軋輥直徑相對(duì)較差的問題進(jìn)行有效解決，并且效果還相對(duì)較好。刷鍍主要依賴一個(gè)與陰極相接觸的墊或刷來對(duì)電鍍所需的電解液進(jìn)行有效提供。在進(jìn)行電鍍時(shí)，墊或刷會(huì)在被鍍陰極上發(fā)生移動(dòng)。刷鍍時(shí)對(duì)直流電源進(jìn)行應(yīng)用，在實(shí)際工作操作過程中，把軋輥和電源負(fù)極進(jìn)行連接，將鍍筆和電源的正極進(jìn)行相連。利用包裹浸滿溶液的陽極來對(duì)工作表面進(jìn)行有效的擦拭。在軋輥表面以及陰極接觸點(diǎn)上，溶液中的金屬離子會(huì)進(jìn)行一定的放電結(jié)晶反應(yīng)，同時(shí)隨著時(shí)間的不斷延長鍍層的厚度也會(huì)不斷的增大。刷鍍技術(shù)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在操作相對(duì)靈活、鍍覆速度相對(duì)較快、鍍層種類具有多樣性等。但是該技術(shù)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)嚴(yán)重的污染，從而使該技術(shù)的使用頻率相對(duì)較低。

該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中需要首先進(jìn)行鍍層設(shè)計(jì)，修復(fù)后的待修復(fù)物品表面應(yīng)平整，具有足夠的強(qiáng)度、硬度及較強(qiáng)的耐磨損、抗腐蝕等性能。力學(xué)性能要求：鍍層表面硬度≥450HV；拉伸強(qiáng)度≥350MPa；剪切強(qiáng)度≥250MPa。根據(jù)車床待修復(fù)物品損傷情況，待修復(fù)物品修復(fù)分2個(gè)階段。第1階段：局部修復(fù)。首先對(duì)深度≥0.2mm的劃痕、凹坑進(jìn)行修復(fù)，選用堿性銅（SDY403）鍍底層,堿性銅能夠改變釬焊性；然后用Sn-Bi+Cu+Ni合金以釬焊形式填充劃痕、凹坑，使劃痕、凹坑深度＜0.2mm。第2階段：整體修復(fù)。對(duì)被修復(fù)物的整個(gè)表面進(jìn)行修復(fù)，按照被修復(fù)物表面的技術(shù)要求進(jìn)行復(fù)合涂層處理。選擇堿性鍍銅底層可以提高鍍層和基材的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；上漿層選擇用于快速鍍鎳，上漿層是電鍍層，可以恢復(fù)零件的尺寸，從而節(jié)省工作時(shí)間。金屬表層上，增加修復(fù)層的厚度和附著力是目標(biāo)；選用Ni-Wu“D”合金鍍液鍍工作層，滿足待修復(fù)物品的物理力學(xué)性能要求。

在實(shí)際進(jìn)行操作過程中應(yīng)注意做好準(zhǔn)備工作，對(duì)待修復(fù)物品表面進(jìn)行清潔以及打磨，隨后方可正式開展修復(fù)作業(yè)。從修復(fù)結(jié)果角度分析，該工藝在實(shí)際應(yīng)用過程中可以有效應(yīng)用于損傷面積大且劃痕較深的物體表面，且該工藝操作較為簡便，經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)且修復(fù)質(zhì)量高。

2.2 傳統(tǒng)堆焊技術(shù)

傳統(tǒng)堆焊技術(shù)指的是將一層特殊性能的合金層熔覆在軋輥表面，該合金層既耐熱耐磨還具有耐腐蝕性。在冶金軋輥磨損輥面修復(fù)技術(shù)中使用頻率最高的技術(shù)之一為傳統(tǒng)堆焊技術(shù)。堆焊技術(shù)的種類有三種，一種是埋弧自動(dòng)焊，一種是手工電弧焊，另一種是鎢極氬弧焊。不同修復(fù)技術(shù)之間的修復(fù)特點(diǎn)也存在一定的差異性。

2.2.1 埋弧自動(dòng)焊

埋弧焊，包括埋弧堆焊、渣堆焊等，是一種在焊劑層下進(jìn)行電弧焊的方法，具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)率高、電弧輕、煙塵少等優(yōu)點(diǎn)，是一種可在壓力容器制造、管段制造、箱梁柱制造等領(lǐng)域應(yīng)用的方法。如今，雖然國內(nèi)外出現(xiàn)了許多高效、高質(zhì)量的新焊接方法，但埋弧焊的應(yīng)用并未受到影響。在各種焊接方法中，埋弧焊約占金屬重量的10%，近年來幾乎沒有變化。我國錳資源短缺，尤其是適合生產(chǎn)高品位、低磷、低鐵的錳資源。國內(nèi)僅在廣西、云南、湖南等省有錳礦礦脈，但經(jīng)過多年的開采，錳礦產(chǎn)品的生產(chǎn)和流通日趨緊張。為了替代高錳渣，迫切需要開發(fā)和推廣中錳和低錳渣焊劑，在含錳焊絲生產(chǎn)和供應(yīng)的不斷擴(kuò)大基礎(chǔ)上，中錳和低錳渣的市場(chǎng)應(yīng)該有廣闊的發(fā)展前景。

現(xiàn)階段，工業(yè)上的普遍做法是，焊劑給出焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分和機(jī)械性能，而燒結(jié)焊劑僅給出熔渣的成分和機(jī)械性能，用焊絲熔敷金屬，使用這種方法欠缺實(shí)用性。由于分析結(jié)果與用戶要求相差甚遠(yuǎn)，且分析方法和設(shè)備比較困難，很少有用戶分析批次的化學(xué)成分。而埋弧焊是目前最有效的自動(dòng)焊接方法之一，生產(chǎn)效率高。不僅能夠縮短導(dǎo)電焊絲長度，提高電流密度，焊接電弧的熔深和焊絲的焊接效率也得到了提升。再者，由于熔劑和熔渣的保溫作用，電弧基本不輻射，熱損失小。雖然通量的熱損失增加，但總體效率較低，熱電偶仍在顯著增加。保證焊接質(zhì)量，對(duì)熔渣和空氣的保護(hù)有較好效果，也可通過自動(dòng)調(diào)整保持穩(wěn)定的焊接參數(shù)，且對(duì)焊接工藝水平要求低，可保證焊接穩(wěn)定。該組合物具有良好的機(jī)械性能、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、工作條件好、無電弧輻射，降低了手工焊接過程中的勞動(dòng)強(qiáng)度，這也是埋弧焊所具備的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。埋弧自動(dòng)焊目前主要用于各種鋼結(jié)構(gòu)的焊接，可焊接結(jié)構(gòu)鋼，包括碳鋼、不銹鋼、耐熱鋼和復(fù)合鋼。埋弧焊也廣泛應(yīng)用于造船、鍋爐、化工容器、橋梁、起重機(jī)、冶金機(jī)械制造、船舶結(jié)構(gòu)、核電設(shè)備等領(lǐng)域。此外，埋弧自動(dòng)焊也適用于通過埋弧焊焊接耐磨合金或鎳基合金，以及釬焊銅合金。

埋弧焊絲的長度遠(yuǎn)小于手工電弧焊，一般約為50mm，是一種輕型焊絲，埋弧焊不會(huì)因電流的增加問題而造成損壞。對(duì)于20mm以下用于對(duì)接焊接的對(duì)接坡口無需打開，也可不留下間隙，以此來減少填充金屬的數(shù)量。二是焊接質(zhì)量高、熔池保護(hù)完善、焊縫金屬雜質(zhì)少，只要選擇合適的焊接工藝，就很容易獲得高質(zhì)量、穩(wěn)定的焊接。三是工作條件好，除降低手動(dòng)操作的勞動(dòng)強(qiáng)度外，電弧燈埋在流動(dòng)層內(nèi)，無電弧輻射，工作條件良好。目前埋弧焊仍然是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的焊接方法之一，適用于大批量、大厚度、大直徑長環(huán)焊縫的線性焊接，在化工容器、鍋爐、造船、橋梁等金屬結(jié)構(gòu)的制造中也得到了廣泛應(yīng)用。

通過操作控制面板上的開關(guān)按鈕，可以自動(dòng)控制焊接過程。在焊接過程中，工件的焊接部分覆蓋一層厚度為30mm～50mm的粒狀焊劑，焊劑層下方的電極連續(xù)進(jìn)給，電極和工件之間的電弧加熱使電極和熔體流動(dòng)，形成熔融金屬池，與空氣隔離。隨著自動(dòng)焊機(jī)的發(fā)展，電弧繼續(xù)熔化焊接金屬，焊絲向前流動(dòng)，熔池后緣開始冷卻和硬化，形成焊縫，熔渣隨后在焊縫上凝結(jié)，形成固體渣殼，且非熔融流可以回收。手工電弧焊中的焊絲流動(dòng)，包括焊芯、焊劑和涂層，不同的焊接材料應(yīng)選擇不同的焊絲成分和焊劑，例如，H08A焊絲用于焊接低碳鋼、高錳鋼和高硅焊劑HJ431。大容量弧焊變壓器是焊接電源中常見的變壓器，但該方法存在手工焊接彈性差的缺陷，僅適用于水平位置或小傾角，邊緣的準(zhǔn)備和裝配要求高且耗時(shí)。此外，在埋弧焊過程中看不到熔池和焊縫的形成過程，因此應(yīng)嚴(yán)格遵守焊接規(guī)范，在某種特定情況下，半自動(dòng)焊接可以取代自動(dòng)焊接，且操作相對(duì)簡單，有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。

冶金軋輥表面堆焊修復(fù)技術(shù)中使用頻率相對(duì)較高的技術(shù)之一為埋弧自動(dòng)焊。通常情況下，在軋輥缺陷區(qū)域中先對(duì)過渡層材料進(jìn)行應(yīng)用，之后再對(duì)工作層材料進(jìn)行應(yīng)用。該方法具有明顯的自動(dòng)化特征，這樣使其生產(chǎn)效率相對(duì)較高并且勞動(dòng)條件相對(duì)較好。同時(shí)熔渣對(duì)熔池具有一定的保護(hù)作用，這樣可以使氮、氧等對(duì)熔池的侵害得到有效的減少。除此之外，該技術(shù)的熱輸入相對(duì)較大，這樣就需要堆焊較多層才可以使所需堆焊金屬性能進(jìn)行保障。想要使軋輥修復(fù)中冷卻速度過快導(dǎo)致的裂紋出現(xiàn)現(xiàn)象得到有效避免，就需要應(yīng)用焊前預(yù)熱或緩冷等措施。這樣使堆焊殘余應(yīng)力得到減少并對(duì)堆焊材料性能進(jìn)行改善。但須注意的是，焊后還需要熱處理后才能進(jìn)行應(yīng)用。

從技術(shù)應(yīng)用實(shí)際角度分析，在實(shí)際進(jìn)行埋弧堆焊作業(yè)過程中涉及到的主要參數(shù)包含以下幾方面：

焊絲直徑。根據(jù)已有研究結(jié)論，堆焊電流以及焊絲直徑之間存在函數(shù)關(guān)系，二者呈現(xiàn)出正比關(guān)系。因此，在實(shí)際作業(yè)過程中應(yīng)注意為確保焊縫形狀滿足實(shí)際需求，在采取不同焊絲直徑情況下應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

堆焊電流。根據(jù)研究人員的實(shí)踐驗(yàn)證可知，在弧壓保持不變的情況下，堆焊電流以及熔深之間呈現(xiàn)出線性比例關(guān)系，電弧電壓。通過實(shí)際研究可知，電弧電壓以及電弧長度之間呈現(xiàn)出較為明顯的正比例關(guān)系。電弧長度會(huì)隨著電弧電壓增強(qiáng)而提升，此時(shí)受電弧覆蓋面較大影響，熔寬也會(huì)隨之產(chǎn)生較大幅度的提升。反之，熔寬會(huì)出現(xiàn)降低情況。由此，研究者對(duì)電弧電壓以及熔深之間關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)概述。電弧長度會(huì)隨著電壓加強(qiáng)而延長，此時(shí)電弧吹向熔深的電弧力相對(duì)較少，熱量向工件的傳遞距離增長，進(jìn)而使得熔深較小。反之，電弧長度降低時(shí)，電弧吹向熔池的電弧力也會(huì)隨之提升，熱量向工件的傳遞距離相對(duì)較短，熔深也會(huì)隨之增強(qiáng)。因此，為確保堆焊層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且美觀，在實(shí)際進(jìn)行作業(yè)過程中確保堆焊電流以及電弧電壓相匹配。

堆焊速度。堆焊速度關(guān)系到堆焊焊縫的形成。常用堆焊速度范圍為24m/h～ 42m/h（400mm/min～ 700mm/min），可在實(shí)際操作中作為參考。

根據(jù)此公式，可以在實(shí)際作業(yè)開始前對(duì)工件轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，并依據(jù)試焊工作中得出的焊縫質(zhì)量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，最終得出實(shí)際焊接過程中可以達(dá)到理想效果的堆焊速度。第五，送絲速度。自動(dòng)埋弧堆焊電流由送絲速度調(diào)節(jié)，反之，可根據(jù)設(shè)定的堆焊電流調(diào)整送絲速度。在使用1.5mm～2.2mm焊絲條件下，其速度應(yīng)保持在60m/h～180m/h區(qū)間范圍內(nèi)。

2.2.2 手工電弧焊

手工電弧焊需要將手工操作的焊條以及被焊接工件看做為兩個(gè)電極，對(duì)焊條和工件之間的電弧熱量進(jìn)行充分利用，從而來對(duì)金屬進(jìn)行有效熔化的焊接方法。該技術(shù)主要在軋輥表面局部缺陷的堆焊修復(fù)中進(jìn)行應(yīng)用。手工電弧焊的特點(diǎn)以堆焊設(shè)備相對(duì)簡單、操作具有明顯的靈活性為主，同時(shí)焊接部位以及輥表面形狀等不會(huì)對(duì)該技術(shù)產(chǎn)生限制。但該技術(shù)的生產(chǎn)效率相對(duì)較低，并且稀釋率相對(duì)較高，這樣對(duì)獲得薄且均勻的堆焊層來說難度系數(shù)相對(duì)較大，同時(shí)勞動(dòng)條件相對(duì)較差。

2.2.3 鎢極氬弧焊

該項(xiàng)技術(shù)主要是將氬氣當(dāng)做相應(yīng)的保護(hù)氣體。在進(jìn)行實(shí)際焊接時(shí)，從焊槍噴嘴中持續(xù)噴出氬氣，以此來在電弧附近來構(gòu)建一定的氣體保護(hù)層。這樣不僅可以對(duì)空氣進(jìn)行有效隔絕，還可以使空氣中氧氣對(duì)鎢極或熔池產(chǎn)生的氧化干擾問題得到有效防治，從而對(duì)成型相對(duì)美觀的焊縫金屬進(jìn)行獲得。在冶金軋輥表面出現(xiàn)局部缺陷時(shí)利用該技術(shù)進(jìn)行修復(fù)相對(duì)適宜。該技術(shù)和手工電弧焊進(jìn)行對(duì)比可知，該技術(shù)可以有效控制熱輸入量，同時(shí)氣體保護(hù)的效果相對(duì)顯著，堆焊層金屬性更加顯著。但是其勞動(dòng)條件比較差且生產(chǎn)效率十分低下。

3 軋輥堆焊工藝要求總結(jié)

在使用軋輥堆焊工藝進(jìn)行修復(fù)過程中如若想要確保堆焊質(zhì)量，那么就務(wù)必要嚴(yán)格執(zhí)行正確的軋輥堆焊工藝流程，具體如下：

（1）進(jìn)行堆焊前需要作業(yè)人員先對(duì)堆焊孔型進(jìn)行粗加工，從而達(dá)到去除軋輥表面疲勞層和缺陷的目的，尤其注意的是務(wù)必對(duì)裂紋進(jìn)行徹底清除。如若需要進(jìn)行多次堆焊那么則需可以先進(jìn)行超聲探傷，檢查軋輥內(nèi)部情況，確保焊接在軋輥無裂紋的情況下進(jìn)行。

（2）預(yù)熱：由于軋輥以及堆焊材料都是含有合金元素及碳較高的材料，同時(shí)加之軋輥本身輥徑和剛性較大，冷卻速度極快，因此在進(jìn)行實(shí)際焊接過程中容易出現(xiàn)脆性區(qū)域。另外，溫度不均也會(huì)導(dǎo)致軋輥出現(xiàn)熱應(yīng)力，進(jìn)而形成裂紋。因此為了避免上述問題發(fā)生，規(guī)避裂縫出現(xiàn)，在進(jìn)行堆焊之前相關(guān)工作人員需要事先對(duì)軋輥進(jìn)行預(yù)熱，具體溫度根據(jù)軋輥輥身和堆焊材料實(shí)際成分。同時(shí)為了有效避免熱應(yīng)力，在進(jìn)行加熱過程中也應(yīng)當(dāng)相應(yīng)控制加熱速度，尤其是針對(duì)大軋輥來說，升溫的初始速度為20℃/h，之后速度可以調(diào)整為40℃/h，做到均勻加熱。

（3）焊接：在堆焊工作中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是焊接，如若想要得到較為理想的堆焊層就務(wù)必要考慮焊接電壓、軋輥保溫、焊接材料等多種可變因素。尤其是針對(duì)一些含碳及金屬元素較高的輥芯，在進(jìn)行預(yù)熱后還需對(duì)進(jìn)行預(yù)先對(duì)過渡層避免出現(xiàn)裂縫。

（4）焊后處理：為了最大程度降低由于表面及內(nèi)部冷速不一致形成體積應(yīng)力引發(fā)裂紋問題，在進(jìn)行焊后處理中應(yīng)當(dāng)尤為注意控制冷速。通常情況下，冷速控制需與加熱速度保持相似或相同。為了有效避免焊接殘余應(yīng)力務(wù)必進(jìn)行回火處理，溫度根據(jù)軋輥使用條件控制在400℃～500℃。如回火溫度過高則會(huì)導(dǎo)致硬度下降，而保溫時(shí)間通常都會(huì)選取每一寸直徑保溫1h的方法，4h～10h內(nèi)取出。

4 結(jié)語

從本文的論述中可知，采用修復(fù)技術(shù)來對(duì)冶金軋輥磨損輥面進(jìn)行修復(fù)，使得軋輥使用壽命得到有效的延長。這個(gè)課題是行業(yè)關(guān)注的主要問題之一。常規(guī)情況下可以對(duì)刷鍍技術(shù)以及自動(dòng)埋弧焊等技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，但這些技術(shù)都無法使軋輥表面耐磨損和抗開裂的性能進(jìn)行全面提升。因此，軋輥堆焊技術(shù)成為主要的發(fā)展方向之一。該項(xiàng)技術(shù)能夠得到廣泛的應(yīng)用，不僅使其效果或價(jià)值得到充分凸顯，還可以使軋輥使用壽命得到有效延長，同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)還可以大大降低噸鋼成本，修復(fù)后的軋輥具有良好的耐冷熱疲勞性、耐磨性和抗裂性。