堆焊修复技术的研究与实践

1、堆焊材料

大型热轧支承辊的辊体材质种类繁多、成分不一。接触到的有60CrNiMo、60CrMnMo70Cr3Mo、9CrMnMo 和9Cr2Mo 等；有锻钢的，铸钢，也有复合铸钢的。

上述材料都是高碳合金钢，其特点是碳含量高、可焊性差，而且又是几十吨重的庞然大物，刚性大、焊接应力大，焊接时极易产生裂纹。因此，堆焊硬面工作层前必须先堆焊过渡层。过渡层材料为低碳低合金钢，要求强韧兼备，硬度适中，堆焊层及与辊体结合面无裂纹等缺陷，与辊体及硬面工作层均能良好结合，并在二者之间起到过渡缓冲作用，从而确保大厚度工作层堆焊的顺利进行。对工作层材料的要求是堆焊层无超标工艺缺陷、耐磨性好、屈服（回火索氏体+碳化物+残余奥氏体）强度高并有一定塑韧性；经焊后消应力回火，硬度满足技术条件要求。两种焊材的堆焊金属的典型成分、性能见表1 和表2，工作层堆焊金属的显微组织，见图1。

由图1 可知，工作层堆焊金属组织中以回火索氏体为主，并分布了一些碳化物，保证了堆焊金属具有较高的强度和足够的硬度。残余奥氏体的存在使金属组织具有较好的塑性和必要的韧性（表2）。这样的组织性能保证了支承辊在高（工作）应力挤压工况条件下不易发生开裂和剥落等失效现象。

2、工艺装备

成套、有效的工艺装备是保证大型支承辊堆焊修复成功的基本条件，除必要的起重条件外，还必须具备以下工艺装备。

2.1 滚轮架（转胎）

按工艺要求，设计制作了可调式（适应不同辊子）超重型滚轮架，最大承重量160t。通过变频调速装置，可满足堆焊工艺全过程多种转速需要。

2.2 加热炉根据实际工艺需要，设计制作了专用加热炉，加热炉最大功率600kw，最高工作温度为700℃。采用电脑控温，温控精度为±2℃，为支承辊堆焊热处理后的辊面硬度均匀性提供了可靠保证。

2.3 焊接机群和操作平台

为提高焊接效率及整个辊体受热均匀（有利于减小焊接应力），采用多台焊机组成焊接机群置于同一工作平台上同时作业。为此，对焊机的行走机构和机头都作了改造。多台焊机在同一轨道上行走，必须在机械上保持等速度；其次，所有焊机的工艺参数必须保持一致，才能保证堆焊层面的均匀平整。另外，焊机操作、焊剂的补充（加料）、焊接过程的监控及焊道的脱渣都在相应（不同高度）的工作平台上进行。

3、堆焊工艺关键技术

3.1 预热温度和预热工艺曲线的合理设计

高碳合金钢大型支承辊的预热温度一般控制在400℃左右。如果辊面机加工后发现硬度较高，则预热温度可适当提高。预热过程中，升温应缓慢（30～40℃/h），并在200℃、300℃保温一段时间，升温到设定预热温度后保温较长时间，务必使辊体内部热透，辊体内外温度均匀。

3.2 层间温度及堆焊过程中辊体温度均匀性的控制

堆焊过程中的层间温度适当与否，对防止产生裂纹等工艺缺陷起着重要作用，必须保证层间温度300℃以上（高于材料的马氏体转变温度Ms 点）。为尽可能减小焊接应力，整个辊体温度应力求均匀，特别在堆焊局部深坡口（严重剥落区）时，其余部分仍应封闭加热保温。在堆焊辊面时，除侧面继续由加热板加热保温外，两端因散热快，应采用火焰加热器适时补充加热保温。

3.3 工艺参数

堆焊时，焊接工艺参数必须合适，应调整达到电弧稳定，焊道成形美观，无工艺缺陷。由于辊面长达2700~3400mm，可采用多台焊机同时作业，其工艺参数必须保持一致：焊丝为Ф 4mm ， 焊接电流450~550A ， 电弧电压28~30V，焊接线速度500~600mm/min。

3.4 操作技术要点

3.4.1 辊体预热到250~300℃时，辊端焊接挡边，以保证两端焊缝饱满，并有足够加工余量。

3.4.2 堆焊过程中要特别注意焊机之间相邻焊道有充分的重叠量，避免衔接处脱焊、假焊而造成严重质量隐患。
3.4.3 堆焊过程中要精心操作，严密监控，发现工艺缺陷，必须暂停焊接，把缺陷处理干净后重新引弧堆焊。

3.4.4 中间热处理与焊后热处理。有些支承辊局部严重剥落，机加工后坡口很深（如108t 辊子，坡口深达193mm）。为避免焊接应力积聚过大而可能产生裂纹，必须进行中间热处理。热处理工艺为升温到500~550℃保温足够时间后缓慢降温到400℃开炉继续堆焊过程。中间热处理的次数视坡口深度而定。一般情况下，堆焊厚度达到30~50mm 应进行一次热处理。堆焊过程全部结束后则进行最终的焊后热处理。热处理工艺必须同时满足两个要求：一是最大程度地消除焊接应力，二是热处理后，辊面硬度满足用户要求，一般在550~600℃，保温足够时间后断电随炉缓冷。

4、堆焊质量检验

支承辊焊后热处理结束，随炉冷却到50℃以下出炉，随即进行焊接质量检验和成品加工。

4.1 辊面硬度检测支承辊出炉后，取4根母线用砂轮机打磨，在抛光后用里氏硬度计检测辊面硬度。表3 为50t 和78t 堆焊支承辊辊面硬度测试结果。表3 堆焊支承辊辊面硬度(略）由表3 可知，辊面硬度值均满足用户要求，均匀性也较好，说明采用的堆焊材料和焊后热处理工艺都是合适的。堆焊后并已检测硬度（尚未机加工）的72 吨支承辊见图2。

4.2 无损探伤

堆焊辊机加工后，对辊面100%着色探伤，要求辊面无裂纹和气孔等工艺缺陷，经过堆焊修复的大型支承辊进行表面着色探伤均能满足技术要求。着色探伤合格后对堆焊层内部进行全方位超声波探伤，对照GB11345-89 和JB4120-85 标准，均未发现大于Ф 2mm 的单个缺陷，图3 为78t 支承辊正在进行辊面超声波探伤。

5、堆焊支承辊的实际生产应用和跟踪服务
经堆焊修复的大型支承辊已陆续上机使用，较早修复支承辊的过钢量已接近200 万吨，有些接近或超过百万吨，还有从十万吨到几十万吨不等。对堆焊支承辊的实际使用情况，用户普遍反映良好。有一家用户还专程上门致谢，因为该用户订购的新辊迟迟不到货，而堆焊辊的使用保证了该厂生产的正常进行。堆焊支承辊上机使用后跟踪服务，经表面硬度检测和堆焊层无损探伤显示，辊面及堆焊层内部质量均保持良好，堆焊层与辊体结合面未发现异常。

6、少数堆焊支承辊提前失效原因分析

多年来，堆焊修复的大型热轧支承辊中，有少数支承辊服役后提前失效，主要失效形式图2 72 吨堆焊支承辊图3 堆焊支承辊现场超声波探伤是端部剥落，也有较轻度的损坏：即辊面局部发生掉肉现象。

6.1 剥落原因分析

剥落都发生在端部，并起始于堆焊层与辊体的结合面，观察辊体剥落区焊道痕迹清晰可见。发生剥落的堆焊辊已完全失效，必须回厂局部返修后才能恢复使用性能。一支支承辊端部剥落经局部返修后已使用2 年无异常。众所周知，熔合区是焊接接头的薄弱环节。堆焊辊也一样，堆焊层与辊体的结合区是最薄弱的环节，如果在结合部分存在焊接缺陷（产生这些缺陷可能是焊材因素，也可能是焊接操作因素或工艺因素。当然与辊体材质的不良焊接性能也密切相关），当支承辊服役时在轧制力的连续作用下，这种焊接缺陷将成为萌生裂纹的根源，加之端部应力集中，使裂纹迅速扩展，发生剥落就不可避免了。

6.2 “掉肉”原因分析

与剥落比较，掉肉区域要小得多，其形貌特征是坑坑洼洼，掉肉块与辊体呈高低交错状。掉肉也多位于近端部，加之面积不大也不深，一般经现场打磨处理后可继续上机使用。一支40t 的支承辊发生掉肉（图4）后，经现场打磨处理后已正常使用2 年多至今仍保持初始状态。发生掉肉的主要原因是周期下线后对辊面的微裂纹、硬化层未磨削干净，再次上机服役时，这些固有的微裂纹迅速扩展，当纵横交错的裂纹把某一小块金属包围后，则这块金属便被割裂而脱落，这就是所谓的掉肉现象。有一支支承辊，在售后跟踪服务中，连续二次发现磨削量不够，局部微裂纹未磨削干净，该辊终究因掉肉并进一步恶化而失效。

6.3 防止堆焊辊提前失效的对策

根据我们的实践经验，采取以下对策，对防止堆焊辊提前失效有良好效果：

（A）6.3.1 严把焊丝质量关，尤其要严格控制C、S、P 等对产生焊接缺陷特别敏感的元素含量。

（B）6.3.2 对焊接工艺务必严格苛求，所有的工装必须有效可靠。焊后热处理应最大程度消除焊接应力。尽最大可能确保堆焊质量。

（C）6.3.3 堆焊辊下线磨削时必须保证，彻底清除微裂纹、硬化层并使辊面硬度恢复到原始值（指堆焊修复后使用前的硬度值）。这是防止掉肉的有效措施。

（D）6.3.4 采用合理的辊形，在不影响使用前提下，尽量放大两端倒角的长度。这对防止端部剥落绝对有利。

7 结束语

大型支承辊的堆焊修复成功，充分验证了自主设计、制造的成套大型工艺装备的有效性和合理性。堆焊层的优异质量说明采用的材料、工艺是合适的。实际上，堆焊修复大型支承辊是一项系统工程，尤其是一支训练有素的职工队伍显得更为重要，因为大型支承辊堆焊工作量大、周期长，不仅要求操作人员过硬的技术水平，更要求他们具有高度的工作责任心和对质量一丝不苟的苛求精神。另外，供电保证、设备保驾、后勤保障都要周密安排，做到万无一失，丝毫的疏漏都会造成严重的后果。少数堆焊辊的提前失效充分说明大型热轧支承辊堆焊修复技术的高难度和复杂性。我们的工作还仅仅开始，尚需通过进一步研究、实践，使大型支承辊的堆焊修复技术不断改进、完善和提高。