王富強(qiáng)，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(jī)為主導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)備制造廠家，為確保整機(jī)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(xué)等單位合作，對(duì)目前普遍采用的耐磨焊材、堆焊工藝技術(shù)等進(jìn)行深入的調(diào)研、分析，在此基礎(chǔ)上根據(jù)自身產(chǎn)品特點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)的堆焊工藝技術(shù)進(jìn)行了研究改進(jìn)，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(yīng)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(xué)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(shí)對(duì)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(rèn)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(dāng)?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(qiáng)度、韌性和硬度等性能，所以堆焊實(shí)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(fēng)險(xiǎn)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(guān)鍵。控制好工藝過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(duì)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(xué)成分如表1所示。

一般堆焊基材ZG20SiMn含碳量在0.2%～0.25%，相對(duì)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(dá)到較好效果，對(duì)基材中的有害成分如P、S含量進(jìn)行嚴(yán)格控制，使其實(shí)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(duì)實(shí)際工況和工藝要求采用三種合金成分不同的焊絲分別進(jìn)行打底層、填充層、蓋面層的堆焊，逐步實(shí)現(xiàn)基材向硬質(zhì)合金的過渡，以達(dá)到耐磨層堆焊的目的。采用的三種焊絲成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2。

表1 ZG20SiMn鑄鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），%

如表2所示，1號(hào)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(hào)焊絲堆焊合金層承擔(dān)主要耐磨任務(wù)，合金元素量大幅增加，同時(shí)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(hào)焊絲較2號(hào)焊絲主要增加了Nb元素含量，起到細(xì)化晶粒和進(jìn)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(jī)運(yùn)作時(shí)，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(yīng)力遠(yuǎn)大于對(duì)B端面磨損應(yīng)力，采用此種階梯外形在有效增加A端耐磨性能的同時(shí)，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(dǎo)致堆焊后耐磨層大面積脫落，在堆焊前對(duì)經(jīng)過加工后的輥套基材進(jìn)行嚴(yán)格的探傷檢驗(yàn)。針對(duì)檢驗(yàn)出的裂紋、砂眼、氣孔等鑄造缺陷，采用碳弧氣刨、補(bǔ)焊、打磨等措施修補(bǔ)（見圖2、3），修補(bǔ)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(jìn)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(duì)現(xiàn)行的工藝進(jìn)行優(yōu)化后，采用三種不同焊絲（如表2）依次進(jìn)行打底、填充、蓋面層堆焊。堆焊設(shè)備采用ARC-NMG7-1磨輥?zhàn)詣?dòng)堆焊機(jī)，直流電源，明弧自保護(hù)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(shí)也避免鑄造組織中可能的缺陷向耐磨層擴(kuò)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(shí)現(xiàn)過程控制是關(guān)鍵。堆焊過程控制主要是焊道質(zhì)量控制，如表面清理、預(yù)熱、成形控制、層間溫度控制和焊后熱處理。

（1）清理及預(yù)熱

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

表2 采用不同焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分，%

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

圖2 對(duì)缺陷修補(bǔ)前情況

圖3 對(duì)缺陷修補(bǔ)后情況

表3 堆焊材料碳當(dāng)量與預(yù)熱溫度的關(guān)系

圖4 堆焊過程中冷卻方式

圖5 1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)輥套大、中、小端平均硬度值號(hào)

根據(jù)ZG20SiMn的碳當(dāng)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(duì)堆焊輥套表面的油污等雜質(zhì)物進(jìn)行清理后，采用丙烷氣體將輥套基材加熱至150～180℃的預(yù)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(dòng)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(yīng)力，但對(duì)于產(chǎn)生較大貫穿性裂紋應(yīng)予以及時(shí)修補(bǔ)，并對(duì)修補(bǔ)后的情況進(jìn)行探傷檢驗(yàn)。堆焊過程中，應(yīng)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(jìn)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(jìn)行檢驗(yàn)控制。

（3）層間溫度控制

所謂層間溫度,是指多層多道焊時(shí),后一層（道）焊縫焊接前,前層（道）焊縫的最低溫度，實(shí)際上層間溫度會(huì)起到預(yù)熱作用，但過高的層間溫度會(huì)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(guān)鍵。以往的工藝在這一環(huán)節(jié)沒有很好控制，導(dǎo)致耐磨層出現(xiàn)大面積脫落。經(jīng)過工藝改進(jìn)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(xué)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(yīng)及時(shí)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(jìn)行消除應(yīng)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(qiáng)度的情況下降低焊接應(yīng)力和脆性，同時(shí)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(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，由于物料粒度、硬度及運(yùn)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(píng)判材料耐磨性。在此次試制階段，我們采用不同焊絲進(jìn)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(gè)輥套，檢測硬度平均值結(jié)果見圖5。

如圖5中所示，1號(hào)輥套在進(jìn)行打底層堆焊時(shí)采用的是?1.6CO2氣體保護(hù)焊藥芯焊絲，由于焊接過程中氣體保護(hù)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(duì)2號(hào)、3號(hào)輥套堆焊時(shí)采用? 2.8明弧自保護(hù)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(dá)到58～62HRC的硬度要求。同時(shí)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(yán)格控制。在此次試制中，我們根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)質(zhì)量要求，通過對(duì)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(diǎn)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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