堆焊修復技術的研究與實踐

1、堆焊材料

大型熱軋支承輥的輥體材質種類繁多、成分不一。接觸到的有60CrNiMo、60CrMnMo70Cr3Mo、9CrMnMo 和9Cr2Mo 等；有鍛鋼的，鑄鋼，也有復合鑄鋼的。

上述材料都是高碳合金鋼，其特點是碳含量高、可焊性差，而且又是幾十噸重的龐然大物，剛性大、焊接應力大，焊接時極易產生裂紋。因此，堆焊硬面工作層前必須先堆焊過渡層。過渡層材料為低碳低合金鋼，要求強韌兼備，硬度適中，堆焊層及與輥體結合面無裂紋等缺陷，與輥體及硬面工作層均能良好結合，并在二者之間起到過渡緩沖作用，從而確保大厚度工作層堆焊的順利進行。對工作層材料的要求是堆焊層無超標工藝缺陷、耐磨性好、屈服（回火索氏體+碳化物+殘余奧氏體）強度高并有一定塑韌性；經焊后消應力回火，硬度滿足技術條件要求。兩種焊材的堆焊金屬的典型成分、性能見表1 和表2，工作層堆焊金屬的顯微組織，見圖1。

由圖1 可知，工作層堆焊金屬組織中以回火索氏體為主，并分布了一些碳化物，保證了堆焊金屬具有較高的強度和足夠的硬度。殘余奧氏體的存在使金屬組織具有較好的塑性和必要的韌性（表2）。這樣的組織性能保證了支承輥在高（工作）應力擠壓工況條件下不易發生開裂和剝落等失效現象。

2、工藝裝備

成套、有效的工藝裝備是保證大型支承輥堆焊修復成功的基本條件，除必要的起重條件外，還必須具備以下工藝裝備。

2.1 滾輪架（轉胎）

按工藝要求，設計制作了可調式（適應不同輥子）超重型滾輪架，最大承重量160t。通過變頻調速裝置，可滿足堆焊工藝全過程多種轉速需要。

2.2 加熱爐根據實際工藝需要，設計制作了專用加熱爐，加熱爐最大功率600kw，最高工作溫度為700℃。采用電腦控溫，溫控精度為±2℃，為支承輥堆焊熱處理后的輥面硬度均勻性提供了可靠保證。

2.3 焊接機群和操作平臺

為提高焊接效率及整個輥體受熱均勻（有利于減小焊接應力），采用多臺焊機組成焊接機群置于同一工作平臺上同時作業。為此，對焊機的行走機構和機頭都作了改造。多臺焊機在同一軌道上行走，必須在機械上保持等速度；其次，所有焊機的工藝參數必須保持一致，才能保證堆焊層面的均勻平整。另外，焊機操作、焊劑的補充（加料）、焊接過程的監控及焊道的脫渣都在相應（不同高度）的工作平臺上進行。

3、堆焊工藝關鍵技術

3.1 預熱溫度和預熱工藝曲線的合理設計

高碳合金鋼大型支承輥的預熱溫度一般控制在400℃左右。如果輥面機加工后發現硬度較高，則預熱溫度可適當提高。預熱過程中，升溫應緩慢（30～40℃/h），并在200℃、300℃保溫一段時間，升溫到設定預熱溫度后保溫較長時間，務必使輥體內部熱透，輥體內外溫度均勻。

3.2 層間溫度及堆焊過程中輥體溫度均勻性的控制

堆焊過程中的層間溫度適當與否，對防止產生裂紋等工藝缺陷起著重要作用，必須保證層間溫度300℃以上（高于材料的馬氏體轉變溫度Ms 點）。為盡可能減小焊接應力，整個輥體溫度應力求均勻，特別在堆焊局部深坡口（嚴重剝落區）時，其余部分仍應封閉加熱保溫。在堆焊輥面時，除側面繼續由加熱板加熱保溫外，兩端因散熱快，應采用火焰加熱器適時補充加熱保溫。

3.3 工藝參數

堆焊時，焊接工藝參數必須合適，應調整達到電弧穩定，焊道成形美觀，無工藝缺陷。由于輥面長達2700~3400mm，可采用多臺焊機同時作業，其工藝參數必須保持一致：焊絲為Ф 4mm ， 焊接電流450~550A ， 電弧電壓28~30V，焊接線速度500~600mm/min。

3.4 操作技術要點

3.4.1 輥體預熱到250~300℃時，輥端焊接擋邊，以保證兩端焊縫飽滿，并有足夠加工余量。

3.4.2 堆焊過程中要特別注意焊機之間相鄰焊道有充分的重疊量，避免銜接處脫焊、假焊而造成嚴重質量隱患。
3.4.3 堆焊過程中要精心操作，嚴密監控，發現工藝缺陷，必須暫停焊接，把缺陷處理干凈后重新引弧堆焊。

3.4.4 中間熱處理與焊后熱處理。有些支承輥局部嚴重剝落，機加工后坡口很深（如108t 輥子，坡口深達193mm）。為避免焊接應力積聚過大而可能產生裂紋，必須進行中間熱處理。熱處理工藝為升溫到500~550℃保溫足夠時間后緩慢降溫到400℃開爐繼續堆焊過程。中間熱處理的次數視坡口深度而定。一般情況下，堆焊厚度達到30~50mm 應進行一次熱處理。堆焊過程全部結束后則進行最終的焊后熱處理。熱處理工藝必須同時滿足兩個要求：一是最大程度地消除焊接應力，二是熱處理后，輥面硬度滿足用戶要求，一般在550~600℃，保溫足夠時間后斷電隨爐緩冷。

4、堆焊質量檢驗

支承輥焊后熱處理結束，隨爐冷卻到50℃以下出爐，隨即進行焊接質量檢驗和成品加工。

4.1 輥面硬度檢測支承輥出爐后，取4根母線用砂輪機打磨，在拋光后用里氏硬度計檢測輥面硬度。表3 為50t 和78t 堆焊支承輥輥面硬度測試結果。表3 堆焊支承輥輥面硬度(略）由表3 可知，輥面硬度值均滿足用戶要求，均勻性也較好，說明采用的堆焊材料和焊后熱處理工藝都是合適的。堆焊后并已檢測硬度（尚未機加工）的72 噸支承輥見圖2。

4.2 無損探傷

堆焊輥機加工后，對輥面100%著色探傷，要求輥面無裂紋和氣孔等工藝缺陷，經過堆焊修復的大型支承輥進行表面著色探傷均能滿足技術要求。著色探傷合格后對堆焊層內部進行全方位超聲波探傷，對照GB11345-89 和JB4120-85 標準，均未發現大于Ф 2mm 的單個缺陷，圖3 為78t 支承輥正在進行輥面超聲波探傷。

5、堆焊支承輥的實際生產應用和跟蹤服務
經堆焊修復的大型支承輥已陸續上機使用，較早修復支承輥的過鋼量已接近200 萬噸，有些接近或超過百萬噸，還有從十萬噸到幾十萬噸不等。對堆焊支承輥的實際使用情況，用戶普遍反映良好。有一家用戶還專程上門致謝，因為該用戶訂購的新輥遲遲不到貨，而堆焊輥的使用保證了該廠生產的正常進行。堆焊支承輥上機使用后跟蹤服務，經表面硬度檢測和堆焊層無損探傷顯示，輥面及堆焊層內部質量均保持良好，堆焊層與輥體結合面未發現異常。

6、少數堆焊支承輥提前失效原因分析

多年來，堆焊修復的大型熱軋支承輥中，有少數支承輥服役后提前失效，主要失效形式圖2 72 噸堆焊支承輥圖3 堆焊支承輥現場超聲波探傷是端部剝落，也有較輕度的損壞：即輥面局部發生掉肉現象。

6.1 剝落原因分析

剝落都發生在端部，并起始于堆焊層與輥體的結合面，觀察輥體剝落區焊道痕跡清晰可見。發生剝落的堆焊輥已完全失效，必須回廠局部返修后才能恢復使用性能。一支支承輥端部剝落經局部返修后已使用2 年無異常。眾所周知，熔合區是焊接接頭的薄弱環節。堆焊輥也一樣，堆焊層與輥體的結合區是最薄弱的環節，如果在結合部分存在焊接缺陷（產生這些缺陷可能是焊材因素，也可能是焊接操作因素或工藝因素。當然與輥體材質的不良焊接性能也密切相關），當支承輥服役時在軋制力的連續作用下，這種焊接缺陷將成為萌生裂紋的根源，加之端部應力集中，使裂紋迅速擴展，發生剝落就不可避免了。

6.2 “掉肉”原因分析

與剝落比較，掉肉區域要小得多，其形貌特征是坑坑洼洼，掉肉塊與輥體呈高低交錯狀。掉肉也多位于近端部，加之面積不大也不深，一般經現場打磨處理后可繼續上機使用。一支40t 的支承輥發生掉肉（圖4）后，經現場打磨處理后已正常使用2 年多至今仍保持初始狀態。發生掉肉的主要原因是周期下線后對輥面的微裂紋、硬化層未磨削干凈，再次上機服役時，這些固有的微裂紋迅速擴展，當縱橫交錯的裂紋把某一小塊金屬包圍后，則這塊金屬便被割裂而脫落，這就是所謂的掉肉現象。有一支支承輥，在售后跟蹤服務中，連續二次發現磨削量不夠，局部微裂紋未磨削干凈，該輥終究因掉肉并進一步惡化而失效。

6.3 防止堆焊輥提前失效的對策

根據我們的實踐經驗，采取以下對策，對防止堆焊輥提前失效有良好效果：

（A）6.3.1 嚴把焊絲質量關，尤其要嚴格控制C、S、P 等對產生焊接缺陷特別敏感的元素含量。

（B）6.3.2 對焊接工藝務必嚴格苛求，所有的工裝必須有效可靠。焊后熱處理應最大程度消除焊接應力。盡最大可能確保堆焊質量。

（C）6.3.3 堆焊輥下線磨削時必須保證，徹底清除微裂紋、硬化層并使輥面硬度恢復到原始值（指堆焊修復后使用前的硬度值）。這是防止掉肉的有效措施。

（D）6.3.4 采用合理的輥形，在不影響使用前提下，盡量放大兩端倒角的長度。這對防止端部剝落絕對有利。

7 結束語

大型支承輥的堆焊修復成功，充分驗證了自主設計、制造的成套大型工藝裝備的有效性和合理性。堆焊層的優異質量說明采用的材料、工藝是合適的。實際上，堆焊修復大型支承輥是一項系統工程，尤其是一支訓練有素的職工隊伍顯得更為重要，因為大型支承輥堆焊工作量大、周期長，不僅要求操作人員過硬的技術水平，更要求他們具有高度的工作責任心和對質量一絲不茍的苛求精神。另外，供電保證、設備保駕、后勤保障都要周密安排，做到萬無一失，絲毫的疏漏都會造成嚴重的后果。少數堆焊輥的提前失效充分說明大型熱軋支承輥堆焊修復技術的高難度和復雜性。我們的工作還僅僅開始，尚需通過進一步研究、實踐，使大型支承輥的堆焊修復技術不斷改進、完善和提高。