劉志勇 彭建華

（湖南漣鋼機(jī)電設(shè)備制造有限公司，湖南 婁底 417000）

2017年4月，單位承接了一套（上下各一支）Φ850軋輥（用于模鑄合金特種鋼坯開坯用）堆焊修復(fù)業(yè)務(wù)，堆焊用焊絲、焊接工藝、圖紙由買方提供，焊劑由湖南漣鋼機(jī)電設(shè)備制造有限公司提供。該套軋輥孔型因堆焊出現(xiàn)大面積的裂紋，兩次返工，耗費(fèi)了大量的人力、物力和時(shí)間，排除多種原因，第三次堆焊才找出裂紋出現(xiàn)的原因。

本文即對(duì)此次軋輥堆焊裂紋出現(xiàn)的原因及解決方案做出分析，為后續(xù)的軋輥堆焊提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 修復(fù)工藝制定

軋輥孔型圖如圖1所示。

圖1 軋輥示意圖/mm

出于保密需要，買方未提供軋輥的詳細(xì)材質(zhì)，僅提供了簡單的工藝方案，及堆焊用焊絲。根據(jù)其提供的簡單的工藝方案，制定了詳細(xì)的、全過程的修復(fù)工藝，修復(fù)工藝如下：

（1）堆焊前去疲勞層機(jī)加工：堆焊前上軋輥車床C8465車去輥?zhàn)颖砻娴牧鸭y和缺陷，特別是環(huán)狀裂紋，要求是完全去除裂紋。比較深的環(huán)形裂紋用圓弧刀車，圓弧刀的半徑要大于R10。車完后進(jìn)行表面著色探傷，完全無裂紋特別是環(huán)狀裂紋去除干凈后方能堆焊。

（2）焊材烘干：使用前烘烤焊絲和焊劑，確保兩者干燥。烘烤溫度250 ℃左右，時(shí)間2 h。

（3）焊前預(yù)熱：8 h內(nèi)升溫至350 ℃，在350 ℃時(shí)保溫8 h。

（4）焊接。

①過渡層采用YS430焊絲配HJ260焊劑，焊一層，厚度≤2 mm。焊接參數(shù)同下；②工作層焊絲采用YS542-1、￠3.2 mm的藥芯埋弧焊絲，配合HJ260焊劑使用（實(shí)際使用的是SJ102焊劑）；③焊接電流：380～420 A；④焊接電壓：30 V；⑤焊道搭接量：45%～50%；⑥層間溫度：200～300 ℃。焊接同時(shí)給輥?zhàn)蛹訜?，保證輥面的層間堆焊溫度。焊接過程中，如輥面溫度低于200 ℃，停止焊接，入爐加熱保溫。原則上是最多堆焊25 mm就入爐加熱保溫一次（大型軋輥堆焊時(shí)層間溫度過低，特別是輥臺(tái)，焊接時(shí)層間溫度過低會(huì)造成嚴(yán)重的熱裂紋）；⑦焊接過程中要注意每個(gè)輥臺(tái)的位置尺寸，不能偏邊而造成后續(xù)無法加工；⑧堆焊順序是先焊孔槽底部，接著是孔的側(cè)壁，最后焊輥臺(tái)。用卡鉗控制孔槽底部和輥臺(tái)尺寸，用樣板控制圓弧孔槽和寬度。因輥?zhàn)映叽巛^大，要考慮2 mm的熱縮，即實(shí)際堆焊厚度要比理論計(jì)算的多2 mm以上。

（5）焊后退火。

16 h內(nèi)升溫到520 ℃左右，在520 ℃時(shí)保溫10 h，后隨爐冷至100 ℃以下出爐轉(zhuǎn)機(jī)加工（為了保證輥?zhàn)油嘶鹦Ч?，軋輥要旋轉(zhuǎn)保溫，否則，在保溫5～6 h后將軋輥吊出來，轉(zhuǎn)動(dòng)180°后再入爐，完成后面的保溫）。

（6）焊后機(jī)加工。

①上輥粗車外園后，根據(jù)圖紙先畫好每個(gè)輥臺(tái)的中心線，用樣板比對(duì)加工，注意輥臺(tái)中心線不能偏太多；②下輥對(duì)應(yīng)上輥相應(yīng)孔型加工。

（7）檢驗(yàn)。

①加工后對(duì)輥面進(jìn)行硬度檢測(cè)，達(dá)到HRC42-45°為合格；②用樣板對(duì)加工后的輥?zhàn)涌仔秃屯庑纬叽邕M(jìn)行檢查，應(yīng)符合圖紙要求。

（8）注意事項(xiàng)。

①采用兩個(gè)機(jī)頭同時(shí)同向焊接，焊接參數(shù)相同，各焊輥面的50%；②輥?zhàn)釉诤附舆^程中要加熱，以保證輥?zhàn)拥膶娱g溫度；③焊接過程中焊接必須連續(xù)，中間不能停頓，如果中間因故停焊，必須放入加熱爐中進(jìn)行保溫；④整個(gè)焊接過程中，每0.5 h測(cè)量一次輥面溫度，發(fā)現(xiàn)溫度低于規(guī)定要求時(shí)，及時(shí)加熱來保證堆焊的層間溫度。

2 堆焊過程出現(xiàn)的問題

堆焊中，裂紋大面積的出現(xiàn)（見圖2）。

圖2 堆焊中出現(xiàn)的裂紋

3 原因分析

針對(duì)出現(xiàn)的裂紋，對(duì)可能的原因進(jìn)行了逐一分析排查：

（1）焊前輥面的裂紋未完全清除干凈。

第一次，在輥徑已加工30 mm的情況下，輥槽表面仍有裂紋，考慮繼續(xù)下去會(huì)增加后續(xù)的焊劑成本和時(shí)間，內(nèi)部分析討論后，結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為存在的裂紋非環(huán)狀裂紋，不會(huì)影響后續(xù)的焊接質(zhì)量，于是開始預(yù)熱堆焊。因此，焊接過程中出現(xiàn)裂紋后，第一反應(yīng)是認(rèn)為裂紋未清除干凈造成的。停止堆焊后重新上車床加工去除裂紋，第二次堆焊，結(jié)果裂紋仍然出現(xiàn)。此項(xiàng)原因可排除。

（2）預(yù)熱溫度和輥面層間溫度不夠造成的。

第二次，裂紋還是出現(xiàn)。排除了上述原因，考慮是不是溫度的原因。對(duì)堆焊層間溫度向操作者作了要求，要求輥面的層間溫度控制在200～300 ℃以上。堆焊過程中，又對(duì)入爐加熱保溫的時(shí)間間隔做了要求。操作者嚴(yán)格按要求在操作，但裂紋仍然出現(xiàn)，又縮小了加熱保溫的時(shí)間間隔。理論上堆焊量不超過25 mm，連續(xù)堆焊并輔以加熱，應(yīng)該可以全部焊完后再入爐。但由于裂紋出現(xiàn)較多且頻率出現(xiàn)越來越頻繁，實(shí)際入爐加熱的時(shí)間間隔變?yōu)?次/h或堆焊一層后就入爐加熱。并且每次出爐后堆焊，1 h內(nèi)不會(huì)有裂紋出現(xiàn)，但超過1 h，裂紋會(huì)逐漸顯現(xiàn)，逐漸往后，堆焊時(shí)間到30 min就出現(xiàn)裂紋，但溫度卻在要求范圍內(nèi)。多次反復(fù)，裂紋仍然存在。這說明裂紋出現(xiàn)的原因不是溫度不夠造成的，另有原因。

（3）焊材的原因，包括焊絲和焊劑。

前述兩個(gè)原因基本排除后，引起裂紋的原因就只有焊絲與焊劑了。鑒于焊絲由買方提供，買方保證焊絲是不存在問題的，所以暫不將焊絲列入原因進(jìn)行分析。

接著分析焊劑。按照工藝要求，買方要求焊劑選用HJ260，但實(shí)際使用的是SJ102。這里做個(gè)說明，260和102分別屬于熔煉焊劑和燒結(jié)焊劑，現(xiàn)在由于環(huán)保因素，熔煉焊劑的生產(chǎn)在逐漸減少，加上目前燒結(jié)焊劑的性能與熔煉焊劑區(qū)別不大了，脫渣容易，焊道美觀，抗裂性好，且價(jià)格比熔煉焊劑便宜，目前很多焊劑生產(chǎn)企業(yè)正逐漸轉(zhuǎn)型生產(chǎn)燒結(jié)焊劑了。

在2013年前使用熔煉焊劑多，2013年后，逐漸用SJ102焊劑取代了HJ260，對(duì)于表面硬度要求高（＞HRC50）的地方，還是選用熔煉焊劑HJ107。由于庫存焊劑HJ260只有900 kg左右，不足以應(yīng)付堆焊的需要，并且已放置多年，使用質(zhì)量無法控制，所以使用SJ102替代HJ260配合焊絲使用。前兩次軋輥堆焊出現(xiàn)裂紋，買方認(rèn)為使用的焊劑質(zhì)量不好，但前期根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一直將原因集中在裂紋和溫度2個(gè)方面，買方也未說明不能使用SJ102的原因，故堅(jiān)持認(rèn)為使用SJ102沒問題。由于裂紋大面積出現(xiàn)，兩次堆焊均失敗，而交貨期緊。經(jīng)反復(fù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于兩種不同焊劑造成大面積裂紋。分別采用HJ107和HJ260配合焊絲各焊輥面的一部分進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表現(xiàn)效果是一致的，輥面不再出現(xiàn)裂紋了。

至此，裂紋出現(xiàn)的原因可以判斷為是焊劑的原因。

一般來說，用堆焊方式提高產(chǎn)品表面硬度的方法有兩種，在焊絲的藥粉中提高C元素的含量或降低C含量，同時(shí)加入其他元素來替代，如Cr、Mo、W、N等。后者對(duì)堆焊質(zhì)量及使用壽命較前者要好，前者僅通過提高C元素含量來提高表面硬度，產(chǎn)品表面容易產(chǎn)生裂紋，但價(jià)格較后者要便宜。

目前，越來越多的廠家進(jìn)入堆焊修復(fù)市場(chǎng)，對(duì)使用方來說，希望修復(fù)好的產(chǎn)品是“物美價(jià)廉”，這樣造成市場(chǎng)上堆焊價(jià)格變得日趨透明。為了爭奪市場(chǎng)份額，修復(fù)廠家在焊材的降本方面做文章。如果焊絲中C含量高，超過0.1%，與母體融合后，表面硬度雖然提高了，但脆性也隨之升高，很容易出現(xiàn)裂紋。因此，理論上焊絲中C含量盡量控制在0.05%以下，通過加入Cr、Mo、W、N等元素，在焊劑形成的熔池中反應(yīng)，既提高表面硬度，又保證韌性。為了降低堆焊成本，一些焊絲廠家在內(nèi)含的藥心元素中做文章，單純提高C，減少其他合金元素的含量，焊絲價(jià)格要便宜5～10 元/kg。無錳型（如HJ130、HJ107等）價(jià)格要高于低錳型（如HJ260、SJ102等）約2～3 元/kg，但一些焊劑廠家回收熔煉焊劑使用后的焊渣再利用，打著低錳型的焊劑銷售，這一類焊劑價(jià)格比無錳型要低，但性能要高于同類型的低錳型焊劑（如HJ260）。所以，一些廠家采用上述兩種方式，降低焊材成本，而產(chǎn)品能達(dá)到相同的使用效果。這次兩支輥?zhàn)拥亩押?，?yīng)該就是這種原因。

綜上所述，兩支軋輥堆焊出現(xiàn)裂紋最終是因使用焊劑不當(dāng)引起的。目前，在網(wǎng)上，關(guān)于焊絲焊劑的匹配、焊劑性能等方面介紹很多，各修復(fù)廠家又有各自的技術(shù)方案，都是圍繞“降本增效”做文章。所以，此次圍繞開坯軋輥的堆焊裂紋引發(fā)的原因分析，是日后類似工作的經(jīng)驗(yàn)，有助于后續(xù)相似問題的預(yù)防和處理。