（机械工程专业论文）挤压辊堆焊工艺研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 辊压机是上世纪8 0 年代中后期发展起来的一种高效节能、用途广泛的新型水泥节 能粉磨设备，具有结构紧凑、重量轻、体积小、噪音低等优点，应用在粉磨系统中可 提高产量2 0 4 0 ，降低能耗2 0 3 0 ，是中信重型机械公司重点发展和推广的产品。 挤压辊是辊压机的重要部件，挤压辊表面是高硬度、高耐磨的堆焊层，但是现有的工艺 手段无法保证堆焊质量，满足不了使用要求；另外在使用一段时间后，挤压辊表面会 产生斑马纹缺陷或磨损，当磨损到一定程度后，就需要对辊体进行堆焊和修复。因此 研究辊体堆焊技术有着非常重要的现实意义。 本文分析了辊压机的发展概况和我国当前辊体堆焊的现状，在此基础上研究了辊 体的堆焊工艺。 首先，国内外堆焊技术的发展情况，在总结借鉴以往经验的基础上，提出了堆焊 材料的总体性能要求，并通过实验对比现有材料性能后，确定了堆焊材料。 其次，对堆焊设备进行了详细的分析，在此基础上确定了堆焊设备性能a 最后，深入细致地研究了堆焊工艺，从堆焊方法、母体准备、焊接参数、母体预 热、底层堆焊、过渡层堆焊、硬层堆焊、花纹层堆焊及辊面修复等环节进行分析探 讨，确定了最佳的堆焊工艺规程。 经过现场堆焊的验证，各项指标均达到了国家机械部和建材部的标准要求，实现 了研究目的。 关键词：挤压辊 堆焊工艺 华中科技大学硕士学位论文 a b s tr a c t s i n c e1 9 8 0 sar o l l e rp r e s sh a sb e e nan e wp u l v e r i z i n ge q u i p m e n tf o rc e m e n ti n d u s t r y , i t i sw i d e l yu s e dw i t hi t sh i g he f f i c i e n c ya n de n e r g ys a v i n g ；i th a sas m a l lb u tr e a s o n a b l e s t r u c t u r e , w h i c hm a k e st h er o l l e rp r e s sl i g h tw e i g h t ，s m a l lo c c u p a t i o na n dl o wn o i s e b yr o l l e r p r e s st h ep u l v e r i z i n gs y s t e mc a l lr a i s et h ep r o d u c t i o n2 0 - 4 0 b u tl o wd o w nt h ee n e r g y c o n s u m m a t i o n2 0 3 0 ，t h er o l l e rp r e s si sak e yo n ei nc i t i ch m c sp r o d u c t i o nl i n ea n db e r e c o m m e n d e ds t r o n g l y as q u e e z er o l li st h ek e yp a r ti nr o l l e rp r e s s ；t h er o l l ss u r f a c ei s r e q u e s t e dw i t hh i g hh a r d n e s sa n da n t i f r i c t i o nb yw e l d i n g , a n di nt h ef u t u r ec o m m i s s i o nt i m e ， t h er o l l ss u r f a c ew i l lb eo fa b r a s i o n , s oh a r da n dm o r em a t e r i a lo nt h es u r f a c ew i l lb ea d d e d b yw e l d i n ga n dr e p a i r i n g i ti sv e r yn e c e s s a r yt od ot h er e s e a r c hw o r ko nt h ew e l d i n gw o r ko f t h er o l l ss u r f a c et os a t i s f yar o l l e rp r e s s sl o n gt i m ew o r k i n g ， t h e p a p e rt e l l st h ec u r r e n ts i t u a t i o nn o to n l yf o rar o l l e rp r e s s sd e v e l o p m e n tb u ta l s of o r t h er o l ls u r f a c e sw e l d i n g & r e p a i r i n gt e c h n o l o g y f i r s t l yt h ew e l d i n gt e c h n o l o g yf r o md o m e s t i ca n da b o a r dw a si n t r o d u c e d ，a n db a s e do n t h ee x p e r i e n c e ；i tg a v eo u tr e q u i r e m e n tf o rt h ew e l d i n gm a t e r i a l a f t e rt e s ta n dc o m p a r a t i o n w o r k , t h ef i n a lw e l d i n gm a t e r i a lw a sd e c i d e d s e c o n d l yi td i d t h ed e t a i la n l y s i sw o r kf o r t h ew e l d i n gm a c h i n e ，t h es p e c i f i c a t i o no ft h e w e l d i n gm a c h i n ew a sd e c i d e d f i n a l l yi tf i n i s h e dt h ed e t a i lr e s e a r c hw o r ko nt h ew e l d i n gp r o c e s s ，w h i c hi n c l u d e st h e w e l d i n gm e t h o d ，m o t h e rm a t e r i a lp r e p a r a t i o n ，w e l d i n gs p e c i f i q a t i o n , p r e - h e a t i n gf o rm o t h e r m a t e r i a l ，c o n n e c t i o nl a y e rw e l d i n g ，a n df i n a lh a r ds u r f a c ew e l d i n g ，r e p a i r i n gw e l d ，b yw h i c h t h eb e s tw e l d i n gp r o c e s sw a sd e c i d e d a c c o r d i n gt h ef e e d b a c kf r o mt h ef i n a lm a c h i n e , a l lt h er e s u l t ss a t i s f yt h es t a n d a r do f s t a t e sm e c h a n i c a lb u r e a ua n d b u i n d l i n gm a t e r i a lb u r e a u k e yw o r d s ：t h es q u e e z er o l l h a r ds u r f a c ew e l d i n g w e l d i n gp r o c e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：冲易壳易灰 日期：2 o o b 年，p 月2 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩f ；p 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密吖 ( 请在以上方框内打“”) 签名物炼懒：磁。( 参侈 日期：二。口6 年i o 月2 6 日日期：力劝绰“，月日 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题来源、研究目的及意义 1 1 1 课题的来源 本课题系自选课题，根据中信重机公司的生产任务及辊压机挤压辊生产制造、使 用过程中出现的问题进行的课题研究。 1 1 2 研究目的及意义 辊压机自问世以来，使传统球磨机的低利用率问题得到有效缓解【l 】。球磨机系统产 量提高3 0 5 0 ，经过挤压后的物料料饼中o 0 8 m m 细料占2 0 3 5 ，小于2 0 m m 的 占6 5 8 5 ，小颗粒的内部结构因受挤压而充满许多微小裂纹，易磨性大为改善。辊 压机的主要特点就是，物料通过5 0 - - - 3 0 0 m p a 的高压对辊后呈粉状或碎裂状态，显著 提高后续磨机的生产效率，应用辊压机分级打散的水泥生产流程可节电3 0 5 0 。 基于我国粉磨设备的状况，在国家建材局的总体规划与指导下，在进口辊压机设 备的同时，从德国k h d 公司引进了设计制造技术，并在此基础上，许多相关设计单位 进行了科研开发工作，为在我国推广该项先进技术发挥了良好作用【l l 。辊压机在粉磨系 统中有以下优点：降低电耗，提高磨机产量：提高水泥产品质量；噪声小。但也有其 缺点，辊压机最大的缺点是辊面的磨损严重。辊压机安装使用后，一般情况下连续运 转半年以后，辊面的耐磨花纹磨损就所剩无几。辊面磨损问题始终困扰着辊压机优越 性的发挥。辊面采用热堆焊，耐磨层维修较方便。 辊压机挤压辊是粉磨生产的主要部件，磨损后的表现不同。在生产工艺中，随着 产量的增加，磨料与挤压辊表面不断摩擦，不断磨损，变得越来越粗糙，到一定程 度，挤压辊就会产生斑马纹缺陷。当缺陷尺寸超出允许范围时，就需要频繁对挤压辊 进行修复和更换。 在新挤压辊制造或对旧挤压辊修复时，一般在辊面上堆焊耐磨、耐冲击、抗塑性 变形的多层堆焊层和花纹。就目前国内现状来看，在挤压辊堆焊工艺上做了许多研 究，但能够完全达到国家机械行业标准辊压机和国家建材行业标准水泥工业用 辊压机还很少，同时也达不到水泥企业的要求。 因此，辊压机挤压辊堆焊工艺研究既是我国国情的需要，也是提高辊压机制造企 业信誉的要求，对于推动焊接工艺技术的发展具有一定的现实意义。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 辊压机概况 1 2 1 辊压机发展概况 水泥工业每天需要粉磨大量的矿物质原料及水泥熟料，如何提高粉磨效率、降低 粉磨能耗，是许多水泥工作者孜孜以求的目标。辊压机是上世纪8 0 年代中后期发展起 来的一种高效节能、用途广泛的新型水泥节能粉磨设备，能够全部或部分替代效率 低、能耗高的球磨机系统，并有低钢材消耗及低噪音的功能，适用于新厂建设，也可 用于老厂技术改造 2 1 。辊压机可用于水泥生料、熟料的粉磨，而且对石灰石、高炉矿 渣、石灰砂岩、原煤、石膏、石英砂等的粉磨也有效。 在水泥工业中，以传统的球磨机为主的粉磨作业耗电量约为总耗电量的6 5 7 0 。水泥厂传统的粉磨设备多为管磨机，而其能量利用率不足1 0 ，而球磨机的粉 磨有效功仅占提供给磨机运转总能量的2 5 ，其能量利用率非常低。据有关资料 对球磨机能量消耗的分析，螺栓磨擦损失占4 3 。齿轮磨擦损失占8 1 ，筒体热损失 占6 4 ，空气热吸收占3 1 4 ，产品热吸收占4 7 6 。由此可见大部分能量没有真正 用于粉碎物料上，有8 5 以上转变成了热能损耗掉 3 】。热能损耗主要归因于球磨机内 钢球问以及钢球与衬板问的无用撞击和摩擦，其一物料的粉碎力为压和剪的联合作 用，其二为管磨机内的冲击力和研磨力只作用在个别颗粒上使其粉碎，而大量的冲击 力和研磨力并未真正作用在物料颗粒上。 科研工作者经过大量地实验研究发现，当颗粒物料承受纯压力时产生的应变是相 同剪力的5 倍，1 9 5 8 年德国k a r l s i v h e 的机械工艺技术设计院开始的对单颗粒物料粉 碎机理和管磨机低效率原因的深入研究，提出了压力粉碎的概念。1 9 7 7 年德国的克逊 纳特( s c h l n e r ) 教授发明了一项用于料床粉碎硬质物料的方法并获得了专利权。德国的伯 力鸠斯公司首先与克逊纳特教授合作，用o 1 0 0 0 x 1 5 0 m m 的小型辊压机进行试验，结 果证明辊压机与冲压机的料床粉碎效果相差极小，可以认为它是一种纯压力粉碎设 备，并证实了其显著的节能效果。1 9 8 4 年1 2 月在l e i m e 水泥厂第一次安装了一台辊 压机，经过实际工业试验，获得与实验相同的节能效果。在伯力鸠斯研制辊压机的同 时，德国的k h d 公司也利用该专利并根据制造矿石等物料造粒机( 又称压球机) 的经验 研制辊压机，自1 9 8 5 年起己成功地用于各种脆性和硬质物料的的粉碎，k h d 公司成 为国际上研究辊压机粉磨技术最具影响的公司之一。随后，美国的富勒公司，丹麦的 史密斯公司也研制出各具特点的辊压机产品1 4 - 7 1 。 2 华中科技大学硕士学位论文 在我国，中南大学研制了0 3 0 0 x s o m m 和( 1 ) 5 0 0 x 1 2 0 m m 两种规格的辊压机，中国 国家技术进口公司和国家建材局联合与洪堡韦达克公司签署了在国内制造该公司辊压 机的许可证协议，中信重型机械公司与德国洪堡公司签署协议联合制造高压辊磨机嗍。 南京水泥工业设计研究院、合肥水泥研究院、天津水泥工业设计院也都独立进行了这 方面的研究工作。 图1 1 辊压机资料照片 1 2 2 辊压机工作原理 辊压机工作原理如图1 2 所示1 9 1 ，主要依靠两个水平安装且同步相向旋转的挤压辊 进行高压料层粉碎( 又称粒子问粉碎) 。被封闭的物料层在被迫向下移动的过程中所受挤 压力逐渐增至足够大，直至被粉碎且被挤压成密实料片( 又称料饼) 从机下排出。 图l 一2 辊压机工作原理 辊压机的外形结构与传统的辊式破碎机极为相似，但二者依据的工作机理相差甚 远【。破碎机的外力主要作用于单体物料颗粒上，使其单颗粒破碎，而辊压机外力是 作用在密实的料层上，使其发生高压料层粉碎。破碎机利用的是压力、冲击、剪切的 综合作用效果，而辊压机利用的是纯压力；破碎机的破碎压力一般都小于5 0 m p a ，而 辊压机的粉碎压力必须大于5 0 m p a ，有时最高可达3 0 0 m p a ；破碎机主要作用是把大于 辊缝的颗粒破碎成小于辊缝的颗粒，而辊压机是把小于辊缝值的小颗粒组成的料层变 成料饼，料饼中既含有一定比例细粉，而且细小的颗粒内部产生大量裂纹等缺陷，极 华中科技大学硕士学位论文 大地改善易磨性。辊压机排出的料饼强度非常低，一般用手即可捏碎。众所周知，物 料颗粒( 指脆性物料1 在不断增加的外力作用下内部产生大量裂纹，在裂纹附近发生应力 集中，聚集势能，并在作用力超过极限时发生粉碎。物料颗粒粉碎的瞬间肯定伴随有 大量应变能的释放。辊压机是在封闭状态下挤压物料层，释放的这部分能量除小部分 转化为热能外，大部分又作用在周围的颗粒上，这是辊压机比其他粉磨设备节能的原 因之一。辊压机产生过粉磨现象极少，因为比表面积减少l o o c m l g ，则能耗约可减少 5 左右。而管磨机经常发生的过粉磨增加了许多能量消耗，这也是辊压机相比其节能 的一个原因。另外，辊压机直接作用于料层上，无用功较少等，也显示了辊压机节能 高效的优越性。 综上所述，则可发现辊压机有如下显著优点： 1 在粉磨系统中装备辊压机，依据流程形式等条件的不同，可比传统粉磨方式节 能2 5 5 0 。 2 辊压机可以提高系统效率，传统粉磨系统用辊压机改造后，一般可提高系统产 量2 0 5 0 ，甚至于一倍以上。 3 设备结构紧凑、体积小、重量轻，易于进行系统改造。 4 辊压机与其它粉磨设备相比，嗓音低，有利于工作环境的改善。 5 辊压机的金属消耗比较小。 1 , 2 3 辊压机结构分析 辊压机的结构组成如图1 3 所示( 以三角皮带传动方式为例) 。 3 5 b78 1 液压系统2 润滑系统3 可调式喂料装置4 挤压辊 5 机架装配6 传动系统7 扭力支承8 辊罩 图1 3 辊压机结构组成 辊压机装置中最重要的部分是挤压辊装配部分，它主要由挤压辊、轴承、轴承 4 华中科技大学硕士学位论文 座、密封圈等件组成。挤压辊是辊压机制造周期最长，工艺难度最大的零件，主要由 辊轴、辊套和堆焊耐磨层等组成，有些辊压机，特别是大型辊压机常把辊轴与辊套两 部分设计成一个整体。辊轴和辊套均选用优质锻件，要求进行复杂的热处理和精确的 探伤检查，确保各项质量指标达到很高的要求。对于大型辊压机，考虑到轴承的拆 卸，多选用锥孔轴承，因此，轴颈处也应加工成锥形。由于定位精度要求严格，锥轴 颈的锥度公差，直径尺寸和表面光洁度均有特别严格的要求。挤压辊的表面堆焊有一 层高硬耐磨的硬质合金，对于许多产品因考虑物料咬入条件而设计有堆焊的人字形花 纹，一般两挤压辊的花纹方向相反，由于辊面与辊套的硬度差别很大，所以中间堆焊 有硬度适中的过渡层，借以保证辊面质量。辊压机因工作负荷很大，且辊子两端料层 波动频繁，所以主轴承均选择具有一定调心作用的双列球面滚子轴承，且多选用加强 型，并且对轴承的密封、润滑和冷却均有较高的要求。挤压辊轴承应根据受力特点设 计为中心偏置的形式，且为冷却主轴承在内部设计有冷却水循环槽，为控制轴承温度 提供了可靠保证。因轴承座要在机架频繁滑动，故上、下平面均有摩擦系数极小的经 活化处理的聚四氟乙烯板。装于轴承座上的端面热电阻用以检测主轴承温度，它紧贴 在轴承外环上，与电控系统配合，保证连续检测，并根据设定条件进行报警和控制轴 承温度。挤压辊装配是辊压机的最关键工作部件，工作中辊面是最易磨损的，故应定 期检查，以便及时修复。 1 3 国内外堆焊技术及堆焊材料方面的研究状况 堆焊是指具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔敷在母体材料的表 面以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。堆焊技术在我国 起源于2 0 世纪5 0 年代末，几乎与焊接技术周步发展。发展初期主要用于修复领域， 即恢复零件的形状尺寸，6 0 年代已经将恢复形状尺寸与强化表面及表面改性相结合， 改革开放后堆焊技术的应用领域进一步扩大，堆焊技术从修理业扩展到制造业。堆焊 技术在我国历经近5 0 年的发展历程不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法，而且 成为先进制造技术的发展基础【l l 】。 1 3 1 堆焊技术的应用 堆焊是焊接领域的一种重要工艺，越来越广泛地在冶金机械、农业机械、石油化工 机械、交通运输、原子能工程、航天工业等各部门得到应用。特别是在冶金行业中， 华中科技大学硕士学位论文 由于焊接设备和填充材料多样，来源广，生产效率高且成本低，所以堆焊在零件的修 复中的应用引起了人们的高度重视，用埋弧焊堆焊钢辊是堆焊技术应用最广的一种项 目。 国外开展钢辊堆焊工作比较早的国家是前苏联，始于本世纪四十年代，开始主要 是采用手工电弧焊修复轧辊，后来采用埋弧自动焊技术。目前，许多国家如俄罗斯、 瑞典、日本都在不断对轧辊等钢辊的堆焊材料、工艺、设各完善化，有的国家已经采 用堆焊技术来制造钢辊，并且与铸、锻钢辊相竞争【1 2 j 。美国对大型精密钢轨的堆焊修 复进行了研究，其材质成分为o 7 5 c 、o ，8 m n ，采用o 0 5 c 2 3 c r - l m o 的焊条， 通过焊前2 0 5 2 6 0 。c 预热，焊后缓冷，成功地对钢轨进行了修复，使其达到了原来的工 作要求。另外，用e r 3 0 8 l 焊丝，采用于工电弧焊对核反应堆的一个6 6 英寸的裂 缝进行了成功地补焊【1 4 1 。a n o k h o y 1 5 1 研制了一种高韧性焊条，在焊前预热但取消焊后 热处理的条件下对c r - - m o - v 钢铸件进行了修复焊接。k a l y b n o y 1 6 对添加c r - - m o 、c r m o v 和c r m o 合金元素的堆焊材料进行了工业产品试验。结果表明：堆焊的模具 比淬火硬化的模具具有更高的抗开裂性能。b a a s 【l7 】采用两种多道和多层焊两种堆焊方 式模拟回火5 3 8 。c 4 0 0 0 0 h 的热处理制度：第一种方式为压管焊相对标准摆动方法，而 第二种为低热量输入速率的回火堆焊技术。这两种方式堆焊的热影响区均获得细晶粒 组织，而且韧性增加、硬度降低，经分析产生碳化物是影响机械性能的主要因素。 h a n s 1 s 还对电站设备进行了堆焊修复。 我国自七十年代以来，钢辊堆焊技术有了新的发展，新型堆焊材料相继投入使 用，电渣堆焊、带极埋弧堆焊等高效率的堆焊方法己得到应用和推广。某厂【l9 l 从美国 g m i 公司引进了4 套c a 4 8 8 发动机活塞模具，材质为h 1 3 钢，价值4 万多美元，在 使用过程中阴模凸起部位全部过早的出现断碎或磨损而失效。经分析h 1 3 钢的 c e q = 1 9 1 6 ，即碳当量较大，冷裂倾向大，且该模具经过淬火处理。堆焊采用3 5 0 * ( 2 预 热，焊后采用石棉多层包扎使其缓冷，以免发生裂纹。经着色探伤，未发现微裂纹存 在，并己投入使用。马鞍山钢铁公司 2 0 1 经焊前预热3 0 0 3 5 0 。c ，焊后埋于沙中缓冷，对 热剪刃进行了大量的修复，使用寿命达一个月以上，比原来整体3 c r 2 w 8 v 合金钢剪刃 的使用寿命提高了三倍以上，而成本仅为原来整体剪刃成本的四分之一。且失效后的 6 华中科技大学硕士学位论文 剪刃可堆焊使用。 总的来说，一方面，堆焊可用于制造复合双金属构件，在构件的基体上熔敷一层 具有不同性能的堆焊层金属，以满足不同的技术要求，充分发挥材料的利用潜能。另 一方面，可用于修复旧部件如轧辊、轴类、模具等，特别是报废的产品的再制造，使 其寿命提高达几倍甚至几十倍，再制造技术是对先进制造技术的补充和发展，再制造 业是可带来新的经济增长点的新兴产业。 1 3 2 堆焊方法的选择 堆焊的方法很多，如氧乙炔焰堆焊、钨极氩弧堆焊、埋弧堆焊等。埋弧堆焊又可 分为手工堆焊和自动埋弧堆焊，手工堆焊的应用特点为：主要用于小批量生产和修复 磨损件；设备简单、价格便宜，适合现场施焊；操作灵活方便，任何位置均能施焊，且 可达性好：缺点是堆焊层硬度和耐磨性均匀性差、速度慢。而自动埋弧堆焊使用大电 流，故而熔敷速度快、生产效率高；堆焊过程机械化程度高，因此，堆焊层性能稳 定、成形美观：设备较大，移动不方便，不利于现场堆焊；只适于水平位置的堆焊： 堆焊时工件热梯度大，易引起开裂【2 ”。综上所述，埋弧自动堆焊较适合挤压辊辊面的 堆焊。 i 3 3 堆焊材料的发展状况 埋弧自动堆焊较适于挤压辊辊面的堆焊，但埋弧自动堆焊所用的堆焊材料具有很 多种类。堆焊材料包括焊丝、焊剂、焊条、焊带等，随着各种自动和半自动焊接方法 的推广应用，焊丝、焊剂的品种逐年增多，使用量逐渐增大。焊丝、焊剂的分类方法 很多，按制造方法分类，焊剂可分为三种类型：即熔炼型焊剂、非熔炼型焊剂和混合 型焊剂。焊丝按制造方法的不同可分为实心焊丝和药心焊丝，两种焊丝都可配焊剂用 于埋弧自动堆焊。 实芯焊丝的快速发展开始于2 0 世纪4 0 年代。在第二次世界大战期间，由于战争 的需要，连续进丝的焊接方法应运而生。前苏联发明了埋弧自动焊，美国发明了气体 保护焊，这两种焊接方法的发明，标志着电弧焊进入了一个新时代，有力地推动了实 芯焊丝的发展。而我国早期生产的焊丝，主要是埋弧焊用的实芯焊丝1 2 2 】。品种主要是 仿前苏联的h 0 8 a 、h 0 8 m n 、h 1 0 m n 2 等。 华中科技大学硕士学位论文 药芯焊丝以成分易调整、燃弧稳定、熔敷速度高于实心焊丝等特点，引起了人们 的高度重视。药芯焊丝在国外发展较早、较快的国家是美国，在2 0 世纪5 0 年代大力 发展药芯焊丝，至6 0 7 0 年代己广泛应用。r 本发展较晚，但发展速度很快，其药芯 焊丝的产量和质量均具世界先进水平，药芯焊丝的使用量占世界领先地位。欧洲和前 苏联发展较早，于2 0 世纪7 0 年代开始应用，但发展速度较慢。虽然韩国的药芯焊丝 起步较晚，但发展迅速，已成为世界药芯焊丝的主要供应国之一。我国的药芯焊丝的 发展始于2 0 世纪6 0 年代初，已开始研制了药芯焊丝生产设备，8 0 年代中期，首次形 成了药芯焊丝生产能力。目前，我国的产销量仅相当于日本二十世纪八十年代中期的 水平，无论在品种或数量上，与国外发达国家相比都有一定的差距。我国较成熟的药 芯焊丝有钛型气保护、碱性气保护和耐磨堆焊类( 主要是埋弧堆焊类) 三大系列，其 中，耐磨堆焊药芯焊丝主要应用于各行业材料的表面性能改进方面幽j 1 4 存在的问题和主要研究内容 1 4 1 挤压辊的辊面中堆焊存在的问题 从且| ； 辊压机挤压辊在生产制造过程中出现的问题及在用户使用所反映的情况来 看，主要存在以下问题： 1 挤压辊辊面耐磨性能较差 挤压辊辊面在使用一段时自j 后，挤压辊辊面磨损较为严重，对挤压辊的使用寿命 造成较大影响。 2 花纹层裂纹 花纹层在焊接过程中容易出现裂纹，在使用中容易造成花纹剥落，对挤压辊的使 用寿命造成较大影响。 3 花纹层花纹剥落 花纹层在使用过程中花纹剥落，对挤压辊的使用寿命造成较大影响。这与辊面花 纹层的结构形式有很大关系。 4 挤压辊辊体圆度超差 挤压辊辊体由于表层是通过堆焊来提高辊面的耐磨性能，焊后硬度高达h r c 5 5 以 上，辊面不加工，所以辊体圆度的控制是通过堆焊层的高度来控制，难度较大，存在 辊体圆度超差的现象。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 2 主要研究内容 通过对辊压机工作原理、辊压机挤压辊堆焊要求和国内外堆焊焊接材料、焊接工 艺发展现状的分析，针对目前辊压机挤压辊堆焊实际存在的问题和特点，本文做了如 下的工作： 1 针对辊压机挤压辊的堆焊要求，对堆焊材料进行研究，改进堆焊材料的焊接性 能，提高辊面的硬度和耐磨性能。 2 针对辊压机挤压辊的堆焊要求，对堆焊设备进行研究，改进堆焊设备的稳定性 和可靠性，提高堆焊效率。 3 针对辊压机挤压辊的堆焊要求，对堆焊工艺进行研究，改进堆焊工艺方案，提 高堆焊质量、减少裂纹的产生。 9 华中科技大学顽士学位论文 2 辊压机挤压辊堆焊材料性能研究 2 1 堆焊材料性能要求 对各种堆焊方法来说，总是希望母材稀释率尽可能低，堆焊质量尽可能高，而且 随着堆焊件尺寸的增大，更迫切需要高效的堆焊方法。一种理想的堆焊方法应该将 “高效、优质、低稀释率”三者集于一身，然而，这三者之间既是密切联系，又是相 互制约的 2 4 1 。目前世界各国普遍采用的堆焊方法主要有：手工电弧堆焊，氧乙块焰堆 焊，埋弧堆焊，电渣堆焊，熔化极惰性气体保护堆焊，等离子堆焊等方法。随着堆焊 机械化程度的提高，手工电弧焊和氧乙快堆焊由于自身的局限性已远远不能满足要 求，大力发展高效、节能、自动化的堆焊方法是今后世界各国的共同目标。为了提高 堆焊层的质量，除了发展“高效，优质，低稀释率”的堆焊方法和工艺外，还需要使 用优质的堆焊材料来实现，堆焊材料是保证堆焊层性能和质量的基础。国内外在这方 面进行了大量的研究工作，由于零部件所处的工况条件不同，对堆焊层性能的要求也 千差万别，所需的堆焊材料也各式各样，因此，开发出一种合金元素调配准确，方 便，易于加工生产，又适合自动化堆焊工艺形式的堆焊材料，一直是人们追求的目 标，但随着硬质合金复合材料，模具材料，轧机材料的发展，与之相对应的堆焊材料 的生产成为困扰广大科技工作者的难题，药芯焊丝的出现给堆焊材料的开发注入新的 活力。这主要由药芯焊丝的本身的结构特点决定的。首先是基于经济的优势，因为实 芯焊丝是用适当成分的钢键轧制拔制而成的，这类合金钢键往往是不易获得的，而且 价格昂贵。其次，焊丝的制造方法为成分的调配提供最大的自由度和方便，不象实芯 焊丝受钢键成分调配的限制。目前国内堆焊材仍以焊条为主，只有少数厂家与科研单 位从事堆焊药芯的生产和开发工作，无论在产品质量还是品种方面都不及国外的发展 水平。因此开展铸钢堆焊冶金方面的基础研究，尤其是开发新型药芯焊丝具有重大的 理论和实际意义。 辊压机国家重点扶持的水泥工业高效、节能产品，是中信重机公司重点发展和推 广的五大机产品之一，为公司的高附加值产品，2 0 0 2 年已列入公司的科研项目。经过 近一年的工作，辊压机中最重要的工作部分挤压辊，虽然辊子工作面的可靠性得到了 很大提高，但由于时间紧，很多工作没有得到彻底解决，例如：从r p l 2 0 - 8 0 辊压机在 华中科技大学硕士学位论文 河北三河冀东水泥有限责任公司现场使用情况来看，辊压机挤压辊辊体花纹两次出现 剥落，剥落部位均出现在辊体两端，现场使用情况很不乐观。因此以后生产时花纹层 尽量减少裂纹，最好没有裂纹；辊体两端花纹形式需要进行改进。综合各个现场使用 情况来看仍存在如下问题： 1 现场使用很短时间经常出现挤压辊辊体花纹局部剥落。 2 辊体耐磨性不足，辊体格层堆焊厚度及辊体结构还需进一步研究。 3 侧挡板、下侧挡板及可调挡板等零部件耐磨性不足，磨损严重。 为了满足实际使用的需要，堆焊材料应达到以下性能要求： 1 花纹层的堆焊材料焊接后硬度要达到h r c 5 8 。 2 硬层的堆焊材料焊接后硬度要达到h r c 5 5 。 3 辊体耐磨性要好，使辊压机挤压辊使用寿命从4 0 0 0 小时提高到6 0 0 0 小时。 4 ，堆焊材料的焊接性要好，产生裂纹倾向性小。 5 焊接过程中焊接规范稳定，变化幅度小，容易操作。 2 2 堆焊材料性能对比研究 2 2 1 实芯焊丝与无缝药芯焊丝对比研究 我们对郑州机械研究所生产的堆焊实芯焊丝与药芯焊丝进行了对比研究： 1 在6 = 4 5 m m 材质：q 2 3 5 a ，规格：3 0 0 6 0 0 ，按我公司挤压辊各层堆焊厚度堆 焊，堆焊范围度2 0 0 x 5 0 0 ，确定辊面硬层硬度。 2 在6 = 2 0 m m 材质：q 2 3 5 - a ，规格：2 0 0 4 0 0 上分别堆焊无缝药芯焊丝( z d l 一由 5 ，z d 2 。巾5 、z d 3 巾5 ) ，有缝药芯焊丝( z d i 由4 ，z d 2 - 巾4 、z d 3 - 巾4 ) 堆焊范 围1 0 0 3 ，堆焊层数l 层。堆焊后对比熔敷率。 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 无缝药芯焊丝实验记录 焊前焊接每道时间 焊后 重量差 总时间 重量时间 重量道数( 秒)重量( 秒) l 道 7 0 每分钟熔化 2 道6 5 0 2 2 3 k gl # 试板 2 1 1 k3 道6 81 3 6 1 5 k g 4 0 3 z d l 一巾 4 道 6 5 k g ，m m每小时熔化 5 道 6 5 6 道 7 0 1 3 3 8 k g 1 道 6 0 每分钟熔化 2 撑试板2 道 5 0 o 2 3 6 k g z d 21 1 3 k3 道5 51 2 6 1 3 k g 3 3 0 一由 g4 道 5 0 k g 每小时熔化 5 m m5 道5 5 1 4 1 6 k g 6 道 5 5 1 道 5 5每分钟熔化 3 拌试板 2 道6 5 2 0 5 k g z d 31 1 3 5 3 道 6 51 2 6 1 2 5 k g 3 6 5 一由 k g4 道 6 0 k g 每小时熔化 3 r n m 5 道 6 0 1 2 9 k g 6 道 6 0 z d l 、z d 2 、z d 3 ( 无缝) 平均每小时熔化1 3 4 8 k g 表2 2 有缝药芯焊丝试验记录 焊前焊接每道时间 焊后 重量差 总时间 重量时间 重量 道数( 秒)重量( 秒) 1 道7 0 每分钟熔化 4 群试板 2 道6 5 0 1 6 3 k g z d l 一 1 1 3 k g 3 道 6 81 2 4 4 道 6 5 k g 1 1 k g 4 0 3 m 4 m m每小时熔化 5 道 6 5 6 道 7 0 9 7 8 k g 1 道 7 5 每分钟熔化 5 撑试板 2 道 5 0 0 1 8 6 k g z d 2 一1 1 3 k g 3 道 7 51 2 6 1 3 k g 4 1 9 4 道 6 7 k g 由4 m m每小时熔化 5 道 7 5 6 道 7 7 1 1 1 7 k g 1 道 7 5 每分钟熔化 础试板 2 道 7 5 2 0 5 k g z d 3 一 1 2 2 k g 3 道5 01 3 2 1 0 k g 3 8 5 4 道6 0 k g 五元，l 、_ l ， 赉p 巾4 m m 。t 毕7 j 5 道 5 0 6 道 7 5 l 二7 j 、若 z d l 、z d 2 、z d 3 ( 有缝) 平均每小时熔化1 0 1 k g 华中科技大学硕士学位论文 根据以上试验结果，虽然有缝药芯焊丝熔敷率略低于有缝药芯焊丝( 每小时平均 少溶化3 3 8k g ) ，但我们认为有缝药芯焊丝所用电流低于无缝药芯焊丝，动能并没有额 外增加，仅生产周期略微增加。 表2 - 3z d 3 一由4 有缝药芯焊丝硬度值 l23456789 平均 h r c5 4 3 5 3 4 5 1 8 5 3 85 3 15 0 o 5 2 0 5 3 75 4 75 3 ，l 表2 _ 4z d 3 一巾5 无缝药芯焊丝硬度值 123456789 平均 h r c5 35 55 4 55 l5 55 65 5 5 5 4 5 5 1 5 3 9 根据上述结果z d 3 一由4 m m 硬度与z d 3 一巾5 m m 基本相当。 3 综合分析如下： 1 ) 有缝药芯焊丝巾4 m m 平均硬度h r c 5 3 1 ，无缝药芯焊丝由5 m m 平均硬度 h r c 5 3 9 ，我们认为不影响使用，原因是我公司现测试硬度为辊面花纹硬度。 2 ) 有缝药芯焊丝d p 4 m m 熔敷率比无缝药芯焊丝由5 m m 降低1 4 ，原因是直径减小 了l m m 。 3 ) 有缝药芯焊丝由4 m m 焊接性及导电性均高于无缝药芯焊丝巾5 m m 。 4 ) 有缝药芯焊丝巾4 m m 的挺直度略低于无缝药芯焊丝巾5 m m ，但不影响使用。 经过焊接试验我们认为堆焊材料可以从无缝药芯焊丝m 5 m m 改为有缝药芯焊丝巾 4m m ，可以在产品上使用。通过近半年的使用，现在工人非常愿意使用该焊丝，原因 有缝药芯焊丝一盘( 重量2 5 k g 左右) 只有两根头、中问不断，不像无缝药芯焊丝一盘 ( 重量2 5 k g 左右) 有好几个头，工人在堆焊时由于更换焊丝耽误时间。现在工人堆焊 十分钟左右只需移动一下焊接操作机，其余时间就可以坐下来观察焊接质量，大大方 便工人操作。 2 2 2h 5 0 1 、h 6 0 1 、h 9 0 1 焊丝对比研究 h 5 0 1 、h 6 0 1 、h 9 0 1 焊丝是无锡特种焊材厂生产的堆焊焊丝，我们对其性能进行 了试验研究。 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 5 焊接规范参数 焊接电流a焊接电压v焊接速度焊道宽m n焊高 m m m l nm l n h 5 0 14 8 0 5 0 03 0 3 24 8 01 82 5 h 6 0 l5 0 0 5 2 0 3 2 3 43 5 01 8 4 h 9 0 l3 6 0 3 7 02 8 3 06 6 01 04 表2 - 6 机械性能试验结果 材质抗拉强度屈服强度延伸率断面收缩率冲击韧性ak h 5 0 16 5 6 m p a无1 2 3 0 6 2 h 5 0 l7 0 5 m p a 无 1 1 1 6 7 2 平均 6 8 0 5 m p a 无1 1 5 9 5 6 7 表2 7 熔敷率试验结果 焊前重量焊道数 每道时司 焊后重量重晕差 总时间 重量时间 l 道 3 8 1 9 2 道4 3 0 5 每分钟熔化 0 1 2 3 k g 1 0 8 k g 3 道4 2 5 1 h 5 0 14 道4 3 7 4 1 1 4 k g0 6 k g 2 9 1 9 1 5 道4 1 6 2 每小时熔化 6 道4 2 8 67 3 9 9 k g 7 道 3 9 9 4 l 道5 3 7 9 每分钟熔化 2 道3 7 9 2 0 0 8 k g 3 道3 6 7 8 h 6 0 1 l l k g 4 道4 5 9 5 1 1 5 k g 0 5 k g 3 7 2 1 8 5 道4 1 5 9 每小时熔化 6 道 3 8 8 44 8 k g 7 道4 0 0 9 1 道3 5 2 6 每分钟熔化 2 道3 8 1 4 0 1 7 7 k g 3 道 3 2 6 7 h 9 0 l 1 0 8 k g 4 道 3 5 8 l 1 1 5 k g o 7k g2 3 7 5 5 道3 8 4 8 每小时熔化 6 道2 8 5 71 0 6 l k g 7 道2 8 5 7 华中科技大学硕士学位论文 我公司辊压机挤压辊现使用的有缝药芯焊丝熔敷率见下表 表2 - 8 有缝药芯焊丝试验记录 焊前焊接每道时间焊后重 重量差 总时间 重量时间 重量道数( 秒)量( 秒) 1 道7 0 每分钟熔化 2 道6 5 0 1 6 3 k g 群试板 3 道 6 8 z d l 一巾 1 1 3 k g 1 2 4 k g1 1 k g 4 0 3 4 m m 4 道 6 5 每小时熔化 5 道 6 5 9 7 8 k g 6 道7 0 l 道7 5 每分钟熔化 2 道 5 0 0 1 8 6 k g 5 拌试板 3 道 7 5 z d 2 一m1 1 3 k g1 2 6 k g 1 3k g4 1 9 4 m m ，4 道 6 7 每小时熔化 5 道 7 5 1 1 1 7 k g 6 道 7 7 l 道 7 5 每分钟熔化 2 道 7 5 2 0 5 k g 6 拌试板 3 道 5 0 z d 3 一巾1 2 2 k g1 3 2 k g1 0 k g 3 8 5 4 m m 4 道 6 0 每小时熔化 5 道 5 0 1 2 9 k g 6 道7 5 z d l 、z d 2 、z d 3 ( 有缝) 平均每小时熔化1 0 t k g 从熔敷率对比结果来看，无锡堆焊焊丝的熔敷率比无缝药芯焊丝每小时平均少熔 化5 8 7k g ，比有缝药芯焊丝每小时少熔化2 4 9 k g ，生产周期加长，劳动强度增加。 1 h 6 0 1 试验 在q 2 3 5 a 厚度4 0 m m 宽度3 0 0 r a m 长度6 0 0 r a m 试板上先堆焊h 5 0 1 ，宽度 1 0 0 m m ，长度5 0 0 m m 堆焊2 层，堆焊厚度8 m m ，在此基础上堆焊h 6 0 1 ，堆焊4 层， 宽度8 0 r n m 长度4 0 0 m m ，厚度1 6 m m 。硬度试验方法按g b 2 3 0 6 3 金属洛氏硬度试 验法测定h r c 。 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 9 硬度检验结果 1 23456789 平均 l h r c4 04 14 74 0 4 1 3 8 3 2 53 34 13 9 2 7 该焊丝为明弧自保护焊丝，焊接过程中烟雾大，焊缝成形不好，焊道之间熔合性 不好，焊渣不易清理干净，两道之间容易央渣，堆焊质量不易保证。且硬度没有达到 辊压机国家标准h r c 5 5 的要求。 2 h 9 0 1 试验 在q 2 3 5 - a 厚度4 0 m m 宽度3 0 0 m m 长度6 0 0 m m 试板上先堆焊h 5 0 1 ，宽度 1 0 0 m m ，长度5 0 0 m m 堆焊2 层，堆焊厚度8 m m ，在此基础上堆焊h 6 0 1 ，堆焊2 层， 宽度8 0 r a m ，长度4 0 0 m m ，厚度1 6 m m ，在此基础上堆焊h 9 0 1 ，堆焊1 层，宽度 5 0 m m ，长度3 0 0 m m ，厚度4 m m 。硬度试验方法按g b 2 3 0 6 3 金属洛氏硬度试验 法测定h r c 。 表2 1 0 硬度检验结果 l23456 7 8 9平均 h r c5 45 05 2 55 95 85 45 95 55 8 5 5 该焊丝为明弧自保护焊丝，焊接过程中烟雾大，在堆焊长度3 0 0 m m 左右时即可听 到明显的焊接裂纹声音，我们认为是热裂纹，裂纹间距平均1 0 1 5 m m ，且为横向裂 纹，堆焊宽度5 0 m m 共堆焊5 道，有些横向裂纹已经贯穿整个焊道。裂纹长度和问距 均超过辊压机国家标准的要求。从厂家资料介绍来看，该焊丝焊接过程中必然产生裂 纹，厂家理论通过裂纹减少焊接应力。但我们认为，我公司辊压机挤压辊在高压作用 下，辊体一旦产生裂纹，使用过程中辊体会出现掉块，我们已多次修复类似