（材料加工工程专业论文）半钢轧辊堆焊修复研究.pdf

摘要半钢轧辊广泛应用于热连轧机中，由于工作条件恶劣和生产要求的提高，经常出现剥落、斑带、裂纹等情况，严重影响热轧产品的质量，同时轧辊一旦报废，只能替换，给企业造成巨大的经济负担。本文通过和攀钢丌展合作，研究埋弧堆焊修复半钢轧辊。半钢轧辊的材质是介于钢和铁之间的一种材质，含碳量高，因此堆焊修复的最大技术问题就是裂纹问题。本文利用不锈钢的良好韧性，设计不锈钢药芯焊丝0 2 # 堆焊第一过渡层、利用低碳且具有和工作层焊丝一致的合金系统的y d 4 0 4 l 一4 药芯焊丝堆焊第二过渡层，彻底有效的解决焊接高碳半钢的裂纹问题。本文在热轧辊堆焊药芯焊丝y d 4 0 1 4 的基础上，对配方进行提韧和增硬的优化，设计出了工作层药芯焊丝y d 4 0 6 4 。堆焊工作层硬度满足要求，韧性充足，能适应轧辊的工作条件。在开发合适的药芯焊丝的同时，本文通过不断实验，对各层堆焊时的焊接参数进行了研究，对焊接工艺进行了优化，以保障堆焊修复j i r 哽n 进行：本文还对堆焊修复时的预热和后热工艺进行了研究，以提高堆焊层整体性能。针对轧辊工作中或修复中出现的小的缺陷，根据手工焊灵活操作的特点，本文丌发了配套的补焊焊条，并通过建模，对焊条配方进行了优化。焊条工艺性能良好，硬度适中，韧性优良，可广泛用于轧辊的补焊修复中。关键词：半钢轧辊药芯焊丝埋弧堆焊双过渡层补焊焊条最优化a b s t r a c ta d a m i t er o l 】h a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e dj nh o tt r a n d e mm i l l d u et ot h ef o r m i d a b l er u n n i n gc o n d i t i o n sa n di n c r e a s e m e n to fp r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t ，d a m a g es u c ha ss t r i p p i n g ，m o t t l i n ga n dc r a c k i n go f t e na p p e a ra n dh e a v i l yi n f l u e n c et h eq u a i l t yo fh o tr o l l i n gp r o d u c t a l s oo n c et h er o l li sd i s c a r d e d ，i to n l yc a r lb er e p l a c e d ，t h u sb r i n gh u g ee c o n o m i cb u r d e nt ot h ef i r m t h i sa r t i c l ei sf o c a s e do nt h er e s e a r c ho fr e p a i r i n go fa d a m i t er o l lt h r o u g hs u b m e r g e d a r cw e l d i n gi nc o o p e r a t i o nw i t hp a n z h i h u ap l a n t a d a m i t ei sk i n do fm a t e r i a ib e t w e e ns t e e ia n di r o nw i t hh i g hc a r b o nc o n t e n t s ot h em o s td i f f i c u l tt e c h n i c a lm a t t e ro f r e p a i r i n gj sc r a c k i n g m a d eu s eo ft h ef i n ed u c t i l i t yo fs t a i n l e s ss t e e l ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e d0 2 # s t a i n l e s sf l u x c o r dw i r et ob u i l du pt h ef i r s tt r a n s i t i o nl a y e ra n du s e dy d 4 0 4 l 4f l u x c o r dw i r ew h i c hh a si o wc a r b o nc o n t e n ta n dc o n f o t r u i n ga l l o ys y s t e mw i t ht h ew o r k i n gl a y e rw i r et ob u i l du pt h es e c o n dt r a n s i t i o nl a y e r t h em e t h o do ft w i n t r a n s i t i o nl a y e r ss o l v e dt h ec r a c k i n gp r o b l e ms u c c e s s f u l l vb a s e do i lt h ef l u x c o r dw i r ef o rh o tr o l l i n gs u r f a c i n gt h a tw a ss t u d i e db e f o r e ，t h i sa r t i c l eo p t i m i z e dt h er e c i p et h r o u g hd u c t i l i t yi n c r e a s ea n dh a r d n e s si n c r e a s ea n dd e s i g n e dy d 4 0 6 4f l u x c o r e dw i r ef o rb u i l d i n g - u pw e l d i n go fw o r k i n gl a y e r s t h ew o r k i n gl a y e rh a sf i th a r d n e s sa n df i n ed u c t i l i t ya n di ss u i tf o rt h er u n n i n gc o n d i t i o n s w h i l ed e v e l o p i n gt h ef l u x c o r e dw i r e ，t h i sa r t i c l em a d er e s e a r c ho nt h ew e l d i n gp a r a m e t e r si nd i f f e r e n tl a y e r st h r o u g hr e p e a t e de x p e r i m e n t sa n do p t i m i z e dw e l d i n gp r o c e s st og u a r a n t e et h er e p a i r i n gat r o u b l e f r e eo p e r a t i o n ；p r e h e a t i n ga n da f t e rh e a t i n gh a da l s ob e e ns t u d i e di nt h i sa r t i c l et oe n h a n c et h eg l o b a lp e r f o r m a n c eo ft l l eb u i l d - u pl a y e r s f o c u s e do nt h ef l a wa p p e a r i n gi nr u n n i n go rr e p a i r i n go f a d a m i t er o l l ，t h i sa r t i c l ed e v e l o p e ds e l f - c o n t a i n e dp a t c hw e l de l e c t r o d e t h er e c i p eo ft h ee l e c t r o d ea l s ow a so p t i m i z e dt h r o u g hm o d e lb u i l d i n g t h ee l e c t r o d eh a sg o o dp r o c e s s i n gp r o p e r t y ,m o d e r a t eh a r d n e s sa n dg o o dp r o c e s s i n gp r o p e r t y i tc a r lb ew i d e l yu s e di nr e p a i rw e l d i n go f r o l l s k e yw o r d s ：a d a m i t er o l lf l u x - c o r e dw i r es u b m e r g e d - a r cs u r f a c i n gt w i n - t r a n s i t i o nl a y e r sp a t c hw e l de l e c t r o d eo p t i m i z a t i o n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：晃鼋j 匆签字目期：哆年，月，品学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权盘注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：晃秀岛导师签名磊中f签字日期：年月f 1第一章绪论1 1 研究背景第一章绪论1 11 钢铁发展中国在改革开放之后钢铁产量从3 1 7 8 万t 迅速增加，到1 9 9 6 年首次出现年产1 亿t ，这是继美国( 1 9 5 3 年) 、前苏联( 1 9 6 7 年) 、欧共体六国( 煤钢联盟，1 9 6 9年) 、日本( u 7 3 年) 之后第五个年产突破亿吨的国家。从1 9 9 6 年以来，中国已经连续5 年保持了世界第一产钢大国，2 0 0 0 年的年产钢量达1 2 8 亿t ，2 0 0 1 年突破1 5 亿t ，这是中国经济发展和市场需求的结果。中国经济的高速发展也造成部分泡沫经济的出现，为了扭转投资过热、房地产热、开发区热等泡沫现象，也为了应付9 0 年代后期的亚洲金融危机，在采取适度紧缩的财政和经济政策后，国内对钢铁的需求出现结构性的相对过剩。大量中低质量的钢材过剩和高质量板带不足，这是长期以来我国以众多技术、装备、质量不高的中小钢厂生产为主的状况造成的，这是“钢铁大国，但不是钢铁强国”的写照。因此“控制总量，调整结构，提高效益”成了当前中国钢铁工业的工作目标。同时我国的大规模基本建设如西部大开发、西气东输、西电东送、南水北调正在进行中，必将造成对钢特别是优质钢材的大量需求。1 12 轧钢技术和轧辊技术的发展大量优质钢材的需求对我国轧钢行业的轧制技术提出了巨大的挑战。热带钢连轧机是优质热轧板带材的主要轧制设备，具有轧制速度快，产量高、成本低、能耗小等特点，迄今热带钢连轧机已经经历七十余年的应用和发展。近几十年来，一大批先进的轧制技术和工艺如弯辊技术、连续可变凸度控制技术、交叉轧制技术、推动辊技术、大压下量轧制、低温轧制等相继得到应用“3 。轧辊技术方面，轧辊材质的高合金化代表了轧辊材质的发展方向。随着轧辊制造技术的发展，复合轧辊制造技术尤其是离心复合技术、电渣复合技术等使高合金材质的优良性能得到充分发挥，不良特性得到弥补，因而高合金材质和复合生产技术的结合将使轧辊性能得到进一步提高。高速钢材质以其优良特性成为未来热带钢连轧机轧辊发展的方向，也成为目前轧钢界关注的热点，但轧辊作为轧机的主要消耗备件，其使用效果是轧辊材质与制造质量、轧制条件与轧辊服役过程以及轧辊管理等诸多因素的综合体现，因而提高轧辊综合使用效果是生产者和科研人员的责任和目标。随着钢铁企业的技术进步，热带钢连轧机及轧制技术必将得到更快的发展，薄板坯连铸连轧技术的广泛应用对轧辊的性能提出了更高的要求，因此轧辊的选材、生产、使用研究还有大量工作要做。1 1 3 热轧系列轧辊的选用第一章绪论随着这些轧制技术和轧制工艺的改进，热带钢的产量和质量得到进一步提高，同时出于轧制条件的改变对直接参与轧制的轧辊综合性能要求越来越高，因此如何选用轧辊以适应近乎严酷的轧制条件，以及如何控制轧辊制造质量以满足不同轧机的使用条件，提高轧辊使用性能，已成为轧辊制造者和使用者共同的话题。近二三十年来随着轧辊制造技术如复合技术等的应用，高合金化材质的发展以及各厂家轧辊管理水平的提高，使轧辊使用性能亦得到相应的提高。但是由于各轧机类型及使用条件存在较大的差异，使轧辊的选择很难一概而论，如何根据轧机轧制条件选择轧辊是一个非常复杂的过程。热带钢连轧机( 示意图如图卜1 )般包括2 6 架粗轧和5 8 架精轧机，通常每道粗轧机之前还设有立辊轧机以限定带材宽度及轧制中心，破除s l n 铁鳞，有的轧机粗轧前设有v s b 大立辊主要亦是轧边和除鳞。该类轧机轧制毛坯一般入口尺寸大约为1 5 0 2 5 0 厚坯料，出口板厚约在1 2 1 0 m m ，其间经历数道次粗轧和次精轧，在轧制过程中每机架每道次之间轧制条件都是可变的，其中包括轧制力、压下量、轧制扭矩、轧速、滑移、轧件温度等参数，通常粗轧r l 架和粗轧r 2 6 架及精轧前段( f 1 3 ) 和精轧后段( f 4 7 ) 四段之间轧制条件变化较大，对相应轧辊性能要求亦不相同。e r 。融e ：，r 。& 乳f 。f 。f 3rf sf 6f 7粗轧机组精轧机组粗整机组图卜1 热连轧机组示意图热带连轧机轧制过程有如下几个特点；粗轧段各轧制道次和半连轧及3 4 连轧的精轧前段轧制力较大，一般大于2 0 0 0 t 。而精轧后段轧制力较小，如全连轧f 7 轧制力仅为5 0 0 t 左右。粗轧段扭矩变化与轧制力相似，数值较高，而精轧机架除半连轧的f i 与粗轧扭矩近似外，其余各机架由前往后扭矩急剧降低，通常精轧后段各机架扭矩小于5 0 t m 。粗轧机架各道次问轧辊承受的单位面积载荷较低，且变化不大近乎常量，而精轧机架从前往后轧辊承受的单位面积载荷由f i 到f 2 架递增且远高于粗轧机架。轧材向轧辊的传热率与热裂纹大小有关，从粗轧机架从前向后传热率减小，但不同类型粗轧机亦有差别，精轧机架从f i f 3 急剧降低，至f 4 7 几乎为零。轧制速度逐架递增，精轧以3 4 连轧为最高。轧制相对速度是决定轧辊磨损的主要因素，粗轧机架轧制相对速度后架较前架增大，精轧机架轧制相对速度高且精轧后段较前段更高，尤其是3 4 连轧机的第一章绪论f 3 为最高。上述特点决定了各机架对轧辊性能的要求。1 ：1 粗轧机架工作辊由于粗轧机架轧辊承受着较高的轧制力和扭矩，要求轧辊具有较高的机械强度，同时轧材对其传热率高，要求具有良好的耐热疲劳性。由于粗轧段轧制相对速度较低，对工作辊耐磨性要求不高，但粗轧后段即r 3 4 架工作辊对耐磨性要求相对较高。2 精轧段精轧段轧制条件变化较大，要求精轧前段和精轧后段工作辊具有不同性能：精轧前段承受较高的轧制力和较后段高的轧材传热率，同时轧制相对速度亦较高，因此要求精轧前段工作辊具有较高的强度、耐磨性、抗热裂性：精轧后段轧制速度较高，轧辊承受着较高的单位面积载荷和高的轧制相对速度，因而应具有良好的抗剥落性和耐磨性。上述性能要求决定了四大类热带钢连轧机所用轧辊( 1 立辊( 包括大立辊和小立辊) ；2 粗轧工作辊；3 ，精轧工作辊( 包括前段和后段) ；4 支承辊) 可供选用的轧辊材质，见表卜l 。1 。表卜l 轧辊类别及适用材质轧辊类别可供选用的轧辊材质立辊( e )大立辊( e 1 ) ：合金铸钢：锻钢；石墨钢小立辊( e 2 e 4 ) ：半钢粗轧工作辊( 肼)合金铸钢半钢工作层为石墨铸钢，高铬铸钢或高铬铸铁的复合铸造材质。精轧工作辊( f w )精轧前段( f w l 3 )1 半钢：2 工作层为高铬铸钢、高铬铸铁或半高速钢或高速钢的复合铸造材质。精轧后段( f w 4 7 )1 工作层为高镍铬铸铁、半高速钢或高速钢复合铸造材质。支承辊( r b 、f b )工作层为合金铸钢的复合铸钢；合金锻钢。1 1 4 合金半钢轧辊的发展本文研究的合金半钢轧辊含碳量波动在1 4 2 3 之间，是美国开发，日第一章绪论本发展的轧辊品种。半钢轧辊通常采用整体铸造，通过扩散退火和球化退火改善铸态网状碳化物的形态，获得球状珠光体加短棒状、点球状碳化物组织，并在随后的正火处理时保留心部球状组织的良好韧性，工作层获得以细片状索氏体加短棒状碳化物的基体组织，从而使半钢轧辊保持良好的综合性能。半钢与合金铸钢相比它没有游离的碳化物；与铸铁轧辊相比，它没有游离石墨，这种组织特点使其既具有较合金铸钢高的硬度，又具有较铁辊高的强度”1 。合金半钢轧辊机械性能处于钢、铁之间，硬度降落小，耐磨损性能高，广泛用于代替铸钢轧辊和普通低合金铸铁轧辊，用于型钢轧机粗轧和中轧机架、热轧带钢连轧机粗轧和精轧前段工作辊。7 0 年代武钢从日本引进的1 7 0 0 m m 热轧带钢连轧机粗轧( r 2 r 4 ) 和精轧前段( f w i f w 3 ) 以及e 2 、e 3 、e 4 小立辊都是合金半钢轧辊。邢机在其他单位协作下，采用吹氩清洁钢水，金属型浇注和喷雾淬火+ 回火热处理等先进的工艺操作，迅速研制成功由8 0 0 1 7 0 0 1 2 0 0 1 7 0 0 m m 合金半钢工作辊，从8 0年代中期开始，辊耗达到o 2 0 2 k g t 的先进水平。随后本钢和鞍钢热连轧厂也推广应用了邢机生产的合金半钢工作辊，都获得了明显的使用效果。邢机厂利用掌握的热连轧用合金半钢轧辊的生产工艺技术，相继开发出开坯连轧机( v 3 、h 4 、v 5 ) 用高碳高合金半钢轧辊和大型型钢、轨梁轧机粗轧机架使用的不同规格的合金半钢轧辊。武汉4 7 1 厂开发出的热轧带钢连轧机精轧前段用的锻造合金半钢工作辊和一重集团开发的开坯连轧机精轧辊都获得了良好的使用效果。目前，较先进轧机已开始普遍采用高铬复合铸铁材质工作辊，并向高速钢材质发展，但半钢材质工作辊近期仍有相当市场。因此对合金半钢轧辊的研究很有价值。1 1 5 合金半钢轧辊破坏形式半钢轧辊工作环境恶劣长期在高温、高压条件下服役，容易发生以下几种形式的破坏：1 由于半钢轧辊抗氧化性能较低，氧化铁皮和轧制时的高温低速引起轧辊的磨损，热疲劳是磨损的主要机理；2 由于轧辊与钢坯接触的部分受热而膨胀，而在轧辊内部维持正常温度，由此产生的压应力常常超过外层材料的弹性极限，在轧缝出口处水冷却的影响下拉应力导致了塑性变形，这样就形成了热裂纹：3 热轧辊含碳量高，含有大量的一次和二次碳化物，由于碳化物与基体的膨胀系数的不同，辊面在冷热拉伸和压缩循环过程中，使碳化物产生破裂，并从轧辊上脱落，导致轧辊氧化膜破碎，碳化物所留下的小坑在轧制过程中镶入氧化铁皮或自身的再氧化，进一步形成了大片的被称为龟纹网眼的区域剥落，并带走一部分轧辊金属，结果在轧辊圆周上形成了条纹状的氧化物斑带，导致氧化铁皮第一章绪论压入带钢表面，这种带钢需要进行两次酸洗甚至成为废品。由于斑带起源于碳化物，所以在轧辊制造上，靠限制或改变碳化物的形态、分布和数量的办法来解决问题是合乎逻辑的。合金半钢轧辊由于碳化物形态得到了改善，因而在很大程度上减轻了“斑带”缺陷，但是半钢辊在f 1 3 架使用时直径因辊身表面黏附氧化铁皮而变粗，因而在随后的轧制过程中氧化皮的脱落易擦伤轧辊母体形成“流星斑”。同时轧辊组织中存在许多细小弥散a l 、s i 、c a 等脱氧元素形成的杂质，并分布在组织晶界上，降低了晶界界面能。该脆性夹杂物与基体问弹性模量、泊松比等差异较大，在受力过程中，夹杂物不能随基体发生相应形变，易使位错塞积，周围产生愈来愈大的应力集中，使本身开裂或使与基体间的联结破坏，增加沿晶开裂倾向，从而使工作层材料断裂韧性、冲击韧性、疲劳强度大大降低。轧钢过程中，辊面温度上升，增大基体与夹杂物间性能差异，在咬钢、甩尾时钢件冲击力和周期性轧制压力下，在杂质较集中处，形成沿晶蠕变疲劳开裂，断口呈周期“茶杯状断口”。随轧辊的继续使用，形成“夹灰孔洞”，最终导致轧辊辊身小块掉肉。1 1 6 半钢轧辊修复一台设备即使是当代最先进的，其寿命也不可能是无限的，某些部件经过一定周期的运转，会因磨损、腐蚀、氧化、刮伤、老化、变形等原因或其它人为因素而失效。在有现存备件的条件下，可以通过更换来解决，但是有的备件昂贵，会严重增加维修费用，从而提高生产成本，对大型复杂的设备来说，那种一次性使用、损坏后就报废的设计是愚蠢的设计。更何况在许多情况下，备件不是现成的，为恢复设备的技术性能，维持生产运转，必须对失效的部件进行修复。合金半钢自6 0 年代应用于热连轧精轧前段工作辊，取得了良好轧制业绩，并在世界范围广泛采用。我国从1 9 7 0 年开始生产合金半钢轧辊，国内近年来使用合金半$ n t p l 辊的轧钢厂也越来越多，获得了良好的经济效益。但随着各使用厂家轧制带材薄板比率增高，合金钢、s i 钢增多，半钢辊非正常损耗迅速上升，引起产品的质量的降低，给企业生产造成很大影响。攀钢热连轧机机组精轧前段采用的合金半钢轧辊，几何尺寸为巾9 5 0 ，长1 5 m ，工作层厚5 0 m m ，实际承受压力约1 7 0 0 t ，工作温度为9 0 0 1 0 0 0 。c ，工作环境恶劣，损耗快，每年消耗量约7 0 根，给企业带来巨大经济损失。为此，本课题组和攀钢进行技术合作，开展半钢轧辊修复的研究工作。1 2 轧辊堆焊技术堆焊技术主要用于修复零件表面因磨损而导致尺寸和形状的变化，或赋予零第一章绪论件表面一定的特殊性能。用堆焊方法修复零件表面具有结合强度高和不受堆焊层厚度限制，以及随所用堆焊材料的不同而得到不同耐磨性能的修复层的优点。尽管堆焊技术在八十年代就已开始使用，但在九十年代它才成功地用在冶金工业的轧辊修复上，并至今尚未得到充分的推广运用。下面对轧辊的堆焊进行简要说明：1 2 1 轧辊的堆焊工艺轧辊报废主要是由于辊身、辊颈表面磨损至极限尺寸或疲劳裂纹、掉肉、断辊等原因造成的。攀钢热轧每生产一吨钢材要耗1 4 6 k g ( 2 5 6 元) 轧辊，冷轧每生产一吨薄板要耗1 2 3 7 k g ( 3 4 元) 轧辊。要降低轧辊消耗除合理使用轧辊外，采用堆焊方法修复报废轧辊是重要手段之一。轧辊的堆焊工艺是：轧辊的准备一工件预热一堆焊一冷却与消除内应力一表面加工。1 轧辊的准备轧辊堆焊前必须用车削加工除去表面的全部缺陷，要保证有一个致密的金属表面。可采用超声波探伤和磁粉探伤来检查。对大型旧轧辊堆焊前，要进行5 5 06 5 0 退火来消除其疲劳应力。2 轧辊预热由于轧辊的材质和表面堆焊用的材料均是含c 量和合金元素比较高的材料，加之轧辊直径比较大，为了防止裂纹，必须在堆焊前对轧辊预热。预热温度应在m s 点以上，从开始堆焊到堆焊完毕，层间温度都不得低于预热温度5 0 c ，加热方法可采用炉子、火焰加热罩或电感加热，但要求加热均匀度为2 0 。3 堆焊对于辊芯含c 量高的轧辊堆焊，必须采用过渡层材料，这是为了避免从辊芯向堆焊金属过渡层形成裂纹。焊接参数在施焊中要求稳定，并确保焊剂有效地供应到堆焊电弧处。堆焊层厚度可视需要而定。4 焊后热处理堆焊完后，最好把轧辊均匀地加热到预热温度以上5 0 1 0 0 。c ，保温1 2 h ，立即进入同一温度下的热处理炉，加热温度及保温时间则以堆焊技术要求而定。5 粗加工、探伤如出现裂纹等缺陷，则需补焊，否则按图纸要求加工成形。1 2 2 轧辊堆焊修复的经济效益下面以攀钢的具体情况说明轧辊堆焊修复的经济效益：1 直接效益5 1尽管攀钢有了堆焊轧辊的技术与能力，但堆焊轧辊并未能在攀钢各轧钢厂得以推广。致使近2 0 0 吨年的锻钢辊报废而退役。如将这些轧辊予以堆焊修复，则其价值倍增。增值额= ( 新辊价值一修复额一残值) 。一般一支堆焊辊的修复费用第一章绪论为一支新辊的3 0 ，而残值( 当废钢处理) 仅为新辊的5 左右。也就是说堆焊一支废l f f l 辊可获得一支同规格新辊6 5 的效益( 含增值额) 。攀钢轨梁厂年消耗锻钢辊约1 3 0 0 万元热轧厂耗锻钢辊约1 2 0 0 万元，冷轧厂耗锻钢支承辊约2 5 0万元。如将该部分轧辊全部进行堆焊修复则每年可节约采购成本2 7 5 0 x6 5 = 1 7 8 7 5 万元。2 问接效益若轧辊堆焊技术在攀钢广泛使用。则可创造可观的间接效益：( 1 ) 一支堆焊辊的耐磨性比一支新辊要好，可以提高使用寿命一倍以上，则年耗堆焊轧辊比年耗新辊可节约1 3 7 5 万元。( 2 ) 减少轧辊的换辊次数，增) ；n g l 机的作业率，增加轧制产量，降低工人的劳动强度，减少维护费用。( 3 ) 一支轧辊可以重复堆焊三次，这样可以大大降低采购成本，减少轧辊储备，减少流动资金的占用。1 3 研究现状冶金工厂内的轧辊种类较多，如：各类热轧辊、冷轧辊、连铸辊、支撑辊、中间辊等。这些轧辊的消耗量很大，其质量的优劣直接影响生产作业率、产量、产品质量和生产成本。目前，国内外己普遍采用堆焊技术来制造或修复轧辊，并且不断发展新的堆焊材料和堆焊工艺来提高轧辊的使用寿命。轧辊小的只有几公斤、十几公斤，大的却有数十吨、甚至数百吨。在使用周期内一般只用掉表面一层，这层厚度只有几毫米至几十毫米，其重量只有轧辊的5 2 0 。若将工作层用耐磨材料堆焊或将报废的轧辊用耐磨材料堆焊修复，提高轧辊的使用寿命或使报废的轧辊再使用，其经济效益和社会效益十分显著。国外开展轧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堆焊方法修复轧辊，后来采用了埋弧自动堆焊技术。五十年代以后，许多国家都在不断使轧辊堆焊材料、工艺、设备完善化，目前，世界上工业发达国家都采用和发展了轧辊堆焊技术。如前苏联、瑞典、日本等国家在这方面发展较快，有的国家已经采用堆焊技术来制造轧辊，并且与铸、锻钢辊相竞争。我国自7 0 年代以来，轧辊堆焊技术有了新的发展，主要表现在堆焊材料中的焊丝由碳钢、低合金钢品种发展到高合金钢品种；管状焊丝，新型焊剂相继投入使用；此外，还对电渣堆焊、带极堆焊等高效率的堆焊方法进行了研究。另外，国内很多单位都对各类轧辊的堆焊修复进行了大量的研究，并开发出了多种适合修复的焊接材料和工艺。到目前为止，用于夹送辊、输送辊、连铸辊、热轧辊的第一章绪论埋弧堆焊修复技术已比较成熟，并均投入稳定工业生产，天津大学焊接教研室已经掌握了热轧辊、冷轧支撑辊、冷轧中间辊的堆焊修复技术、对冷轧工作辊堆焊修复的研究也已取得了重大进展。但是国内外可以查证到的对半钢轧辊的修复方面的研究却极少。为了解决攀钢生产问题，填补这- - z c l 辊类型的研究空白，本文特对半钢轧辊的堆焊修复展丌研究工作。1 4 研究内容针对半钢轧辊诸如剥落、斑带、磨损等严重的失效形式，拟订用堆焊方法恢复轧辊几何形状、尺寸，以使其表面获得具有能胜任轧制环境而替代原损坏辊面的性能。同时，针对轧辊诸如微小热裂、局部掉肉、以及在堆焊过程中出现的缺陷，拟订用补焊的方法弥补缺陷。因此本文研究的内容为：1 设计用于埋弧堆焊修复半钢轧辊的药芯焊丝以及配套的焊接工艺方法为了获得合乎要求的堆焊层，必须选择能基本满足堆焊层性能要求的焊丝。可以选用实芯焊丝，也可以选择药芯焊丝。与实芯焊丝相比，药芯焊丝除具有熔敷速度高、工艺性能好的特点外，还可根据对熔敷金属成分的要求，方便的配制出能与任何母材成分相匹配的药芯焊丝，这是药芯焊丝的另一突出优点。药芯焊丝电弧焊是一种高效、节能、工艺性能优良的焊接工艺方法，因此本文采用药芯焊丝埋弧堆焊修复半钢轧辊。要实现半钢轧辊的堆焊修复，必须在下面两个方面实现突破：由于是在轧辊辊身进行的堆焊，所以必须考虑到与合金半钢材料的焊接性问题。半钢轧辊辊身基体组织为细珠光体( 索氏体) ，在基体组织内除了含有少量的小块的伪共晶碳化物以外，还均匀分布有大量的颗粒状的二次碳化物和呈棒状或细条状的先共析碳化物的魏氏组织。显然，在这种高碳组织上进行焊接，裂纹成了主要的问题。修复的目的是恢复使用，所以堆焊层需能满足使用要求。热轧中所用半钢轧辊段承受较高轧制力和扭矩，要求轧辊具有较高的硬度：在高温下工作，承受冷热循环作用，所以要求有良好的耐热疲劳性；同时轧制相对速度较高，因而要求轧辊要求具有较高的耐磨性、抗热裂性和抗剥落能力。综合上述研究内容，结合生产实际，熔敷金属的技术指标确定为：a 硬度达到4 5 5 0 h r cb 硬度均匀性为1 5 h r cc 具备抗疲劳性能和抗剥落能力d 具有较高的耐磨性第一章绪论2 设计用于补焊修复半钢轧辊的焊条以及配套焊接工艺方法药芯焊丝适合于整体堆焊，但对于轧辊工作中产生的掉肉修复，堆焊后产生的个别气孔、裂纹、夹渣的修复就不宜用埋弧焊。由于手工电弧焊方便灵活，因此更适合于掉肉等部位的局部修复。但局部堆焊修补，形状不规则，应力状态更复杂，修补后极易产生裂纹，因此用于轧辊局部补焊的焊条，在硬度要求满足下，同时应具备尽量高的韧性。结合实际，焊条的技术指标确定为：a 工艺性能良好、易脱渣、操作性强b 硬度值在3 5 4 0 h r cc 冲击韧性高第二章实验设备、材料及实验方法2 1 实验设备第二章实验设备、材料及实验方法2 1 1 自动埋弧焊设备1 埋弧焊机型号及参数本试验采用m z - - - 1 0 0 0 自动埋弧焊机。具体施焊时采用直流反接方式。下面是该焊机的主要性能参数：送丝方式：变速送丝；焊接电流( i ) ：2 0 0 1 0 0 0 a ；焊丝直径：2 6 m m ；焊接速度：1 5 1 1 7 e m m i n ；焊接电流种类：直流；2 埋弧堆焊工艺参数的选择堆焊工艺参数对焊缝形状、尺寸、合金过渡系数以及母材对焊缝的稀释都有明显的影响，合理的焊接工艺参数是获得高质量堆焊层的必要条件“17 “”。( 1 ) 堆焊电流堆焊电流对堆焊焊缝的熔深h 、熔宽b 和余高c 的影响如图2 1 。为保证堆焊金属的使用性能，堆焊时要求稀释率尽可能的小。而在生产中，l为了提高生产率，又常常希望善增大堆焊电流，由图2 一l 可知，增大堆焊电流，熔深增大，而第二章实验设备、材料及实验方法堆焊熔池中的液体金属，造成焊瘤。实际操作中，电流与电压必须相互配合才能获得良好的堆焊焊缝成形。通过试验确定的应选用的电弧电压为：u = 3 0 3 5 v 。( 3 ) 堆焊速度在焊接电流、电弧电压确定后，为减小熔合比，应提高堆焊速度，但堆焊速度过快，则焊道宽度、余高和熔深都随之减小，同时由于焊件在单位时间内接受热量减少，容易造成焊缝形状凸起，而且焊速过快，还易导致熔渣包敷不均匀，焊缝成型变坏，产生气孔，甚至出现堆焊过程不稳定、焊道不连续等情况。相反，堆焊速度过慢时，焊道宽度、余高和熔深都显著增加，一方面增加了脱渣的困难，工件变形增大，另一方面也容易出现堆焊时熔敷金属熔化先行，导致焊缝产生熔合不良等缺陷。因此，在给定的堆焊电流和电压下。选择合适的堆焊速度不仅能得到良好的焊缝成形，而且可以使熔深和熔合比达到最佳匹配。在本试验中，为适应过渡层焊接特点，同时为方便堆焊操作，通过实验确定的过渡层和工作层焊速为3 0 3 5 c r r d m i n 。( 4 ) 焊丝的干伸长度所谓焊丝干伸长度，是指从导电嘴到电弧发生点的距离。焊丝干伸长度对堆焊过程中产生的电阻热有很大的影响。焊丝干伸长度增加，则伸出部分的电阻热就增大，焊丝熔化速度加快，因此积累在堆焊电弧下面的液体金属量增多。这就阻碍了电弧进一步向基体金属潜入，结果减小了熔深，降低了母材的稀释率，增加堆焊焊缝的余高，但同时也增加了气孔出现的几率。相反，焊丝干伸长度过小。则导电嘴上容易吸附更多的飞溅物。因此，选择合适的焊丝干伸长度是获得良好焊缝的重要保证，表2 1 给出了焊丝干伸长度对各种堆焊性能的影响情况分析。对于本文研制的药芯焊丝，通过试验确定的合适干伸长为：l = 3 0 - - 3 2 m m 。表2 一l 焊丝干伸长度对堆焊性能的影响性能影响熔化速度同一电流情况下，干伸长度越长，熔化速度越快。电弧稳定性干伸长越长，电弧不稳，焊道成型差。熔深干伸越长，熔深越浅。气孔干伸过长，导电嘴高度提升，易产生气孔。其他干伸过短，导电嘴遮挡焊道，容易附着飞溅。( 5 ) 堆焊层数堆焊时母材金属要熔入焊缝中，因此堆焊金属的化学成分要受到母材成分的影响，而得不到所需的成分和性能，为了减小母材的影响，实际施焊时常采用多第二章实验设备、材料及实验方法层焊，实验表明母材对多层堆焊的影响是很小的，图2 2 为堆焊层数与母材成分对焊接金属的影响，通常堆焊3 4 层就可以将母材的影响忽略了。因此，本实验堆焊五层来测定堆敷金属的成分及各项性能指标。( 6 ) 层间温度为了防止堆焊过程中5 。4 。；u3 0糌蓬2 01 。123焊接层数图2 - 2 堆焊层数与母材成分对焊接金属的影响焊缝出现冷、热裂纹，需严格控制层温，使其保持在2 0 0 左右，这样还可以保证焊缝组织的均匀化。2 1 2 手工补焊设备本实验采用的手工焊设备型号为m i l l e rd i m e n s i o n “3 7 2 ，该手工电弧焊机的性能参数是：输入电压：3 8 0 v输入电流：3 5 a功率：1 3 3 k w输出电压：3 2 v输出电流：3 0 0 a负载持续率：1 0 0 在实验中，采用的焊接参数是：焊接电流( i ) ：1 6 0 1 7 0 a ；焊接电压( v ) ：2 1 2 2 v焊接速度：1 4 1 6 c m m i n ：2 1 3 热处理设备1 焊前预热处理为了防止在堆焊过程中出现裂纹、气孔等缺陷，堆焊前需将半钢轧辊切片试件2 0 0 c 预热2 小时。所用设备为s x 3 1 2 1 2 型箱式电阻炉、p h d 调节的数字式控温箱，温度控制精度为5 。2 焊后热处理由于轧辊刚性很大，堆焊层较厚，堆焊残余应力非常大。为消除残余应力、改善组织、提高抗裂性和韧化堆焊金属，应采用焊后回火处理。为模拟轧辊的实际热处理条件，堆焊试件的热处理工艺参数为：在5 6 0 c 下保温4 小时( 5 6 0 c4 h ) ，随炉缓冷。2 1 4 实验材料及分析方法1 试件的材料及尺寸规格第二章实验设备、材料及实验方法为严格模拟实际半钢轧辊堆焊修复情况，本试验采用半钢轧辊切片( 中2 0 0 m m 3 0 r a m ) 作为实验试板。试验时沿径向堆焊，每道长度不少于2 0 0 m m ，堆焊层数按具体焊接工艺措施确定，一般为5 层，各施焊道数为5 、5 、4 、4 、4 。热处理完成后，用砂轮将焊道表层打磨干净，然后用线切割机上加工试件。为避免焊接时起弧、收弧处造成的焊接缺陷，切割点应距起弧、收弧处3 0 4 0 m m 。2 硬度测定在线切割机上沿焊道宽度方向切出厚l o m m 的试块，用汽油将上面的油污清洗干净，砂轮磨边，随后用水砂纸打磨后，用硝酸酒精溶液稍微腐蚀直至能清楚分辨各堆焊层，然后用水冲洗，用酒精擦洗后吹干，用h r 一1 5 0 a 型洛氏硬度计按标准g b 9 8 4 8 5 严格测定各堆焊层硬度，每一层测5 个点，求取平均值。3 组织观察在硬度试件制作基础上，对堆敷组织剖面进行预磨和抛光处理，然后用氯化铁盐酸溶液腐蚀不锈钢组织区域，用4 硝酸酒精溶液腐蚀非不锈钢组织区域。然后在金相显微镜下观察组织低倍状态，在扫描电镜下观察组织高倍状态。4 抗裂性试验由于对半钢轧辊的堆焊修复的技术关键就是克服焊接时的裂纹问题，因此堆焊中是不允许出现裂纹的。对于焊件试块表面出现的裂纹，以肉眼做简单观测，以裂纹条数和裂纹大小作为判断抗裂性好坏的初步判据。对于焊件内部的裂纹，采用超声波检测、射线探伤等方式进行综合检测。5 冲击试验沿堆焊金属横截面，从熔合线开始次切取5 m m l o m m 5 5 m m 的冲击试件，按过渡层、工作层的顺序，用线切割逐同一层切取三块冲击试件，横截面如图2 3 示。随后在磨床上进行加工，表面粗糙度为o 8 。然后，在冲击试验机上不开缺口进行对比冲击试验，试验结果取三块试件的平均值。图2 - 3 冲击试件切割横截面示意6 磨损试验为对比堆焊金属工作层和原半钢轧辊工作表面的耐磨性，在堆焊金属的工作层区域，用线切割机切取7 r a m 7 r a m 2 5 m m 的磨损试件三块，和从半钢辊辊周切第二章实验设备、材料及实验方法取的磨损试件进行对比实验。试件需磨床加工，表面粗糙度要达到0 8 。在m m 一2型磨损试验机上进行磨损试验。试验原理如图2 - 4 示。根据热轧实际条件，设定试验条件为干摩擦、1 5k g 压力、转速2 0 0 r m i n ，时间为l 小时。采用体积法计算，式2 - 1 为v 的计算公式：排卜t 寺罢同 三式中av 一摩擦体积m m 3 )r 一一摩擦轮半径( m m )b 一磨痕宽度( m r n )l 一试件宽度( n u n )幽2 - 4 摩擦磨损原理图2 2 药芯焊丝设计及制备( 式2 1 )2 2 1 药芯焊丝设计方法药芯焊丝是继焊条、埋弧焊丝、气保护实芯焊丝以后的第四代新型焊接材料。具有节能、生产效率高、工艺性能好、可灵活调整熔敷金属的成分、组织、性能等优点，兼具焊条和c 0 2 焊丝的双重优点，是当前国内外发展较快、生命力较强的焊接材料之。在国内外药芯焊丝的产量逐年递增，具有逐渐代替焊条和实芯焊丝的趋势。但与发达国家相比，我国在药芯焊丝的产量、质量及品种规格方面均具有较大的差距，远远跟不上国民经济发展的需要。存在的主要问题：一是生产工艺技术还不过关，二是结合我国原材料资源特点研制的优秀配方较少。其中配方设计是决定药芯焊丝内在质量的关键环节，而配方设计又是一个多因子试验设计问题，各因子之间存在着复杂的交互作用，并没有固定的数学模型加以描述，因此，在配方设计时常采用经验法或单因子轮换法寻找理想的配方。显然，利用这种设计方法在设计新焊丝时往往带有盲目性。为了解决这一问题，文献 1 0 1 2 介绍了采用计算机辅助设计的方法设计焊接材料( 包括药芯焊丝) 的配方。这种方法是根据对药芯焊丝性能的要求采用试验优化技术和最化技术利用计算机寻求最优配方。但在很多情况下，是根据对熔敷金属化学成分的要求设计药l 臼第二章实验设备、材料及实验方法芯焊丝配方。为此设计者往往是通过加入多种铁合金来实现。而每种铁合金都含有多种化学成分，设计者往往是根据每种铁合金的主要成分确定其加入量，因此很难协调每种元素在堆敷金属中的质量分数。此外，选用不同的金属和铁合金其松装比不同，因此，要求的填充系数和钢带几何尺寸亦不同，设计时需要综合考虑上述多种因素并通过多次试验才能设计出满足要求的药芯焊丝，这势必会造成人力、物力及时间上的浪费。本文利用本课题组开发的f c w c a d 软件包“，根据药芯焊丝熔敷金属化学成分的要求进行计算机辅助设计药芯焊丝。2 2 2 药芯焊丝设计的具体方法步骤本实验采用的f c w c a d 软件包，其设计流程分以下7 步迸行：( 1 ) 运行f c l v _ - c a d 软件包，通过人机对话选择要加入的组分及其化学成分、松装比。如果需要，还可选择中性添加剂。( 2 ) 通过人机对话输入熔敷金属化学成分的质量分数及其相应的过渡系数。( 3 ) 系统根据要求的熔敷金属成分和相应合金过渡系数计算各合金剂的添加量。( 4 ) 根据各合金剂的添加量和松装比计算所需药芯焊丝恧积比，。( 5 ) 系统根据用户选定的钢带尺寸计算药芯焊丝的几何面积比，。( 6 ) 比较，与，若i 厂一，i 厂 5 ，则计算k 和。，设计结束，转步骤( 7 ) 。否则需调整铁粉加入量或钢带的尺寸规格，直至合适。( 7 ) 输出设计结果，包括设计的初始条件，药芯焊丝配方、药芯配方及计算的厂一，。i ， 5 比等多方面的信息。2 2 3 药芯焊丝制备轧制工艺流程如图2 - 5 所示：图2 - 5 药芯焊丝的轧制工艺流程图轧制工艺参数为：钢带厚6 = o 5 m ：钢带宽w = l o o 帆；卷丝模直径d b = 3 5 m m ：焊丝直径分d ：3 o 唧和d ：2 4 m m 两种。为了保证药芯焊丝的质量，在药芯焊丝的生产过程中要着重解决：钢带去油污、药粉的均匀性、保证填充系数、药芯焊丝的密封性、药粉窜动问题、焊丝表面质量、拔丝速度的控制等问题。第二章实验设备、材料及实验方法2 3 埋弧堆焊焊剂的选择当焊丝确定以后( 通常取决于所焊的钢种) ，配套用的焊剂则成为关键材料，它直接影响焊缝金属的力学性能( 特别是塑性及低温韧性) 、抗裂性能、焊接缺陷发生率及焊接生产率等。焊剂碱度是标志焊剂冶金性能、工艺性能的关键性技术指标。焊接过程中熔渣与金属反应的很多现象与其碱度有关。焊剂碱度过低或过高，其冶金和焊接工艺性能都会恶化。采用碱度小的焊剂焊接时所得焊缝金属的韧性抗裂性差，但脱渣及抗气孔等工艺性能良好。碱度高的焊接冶金性能好，但工艺性能不良，在多层焊时容易造成夹渣。在合适的范围内，碱度的提高有利于焊缝金属的脱硫、脱磷和脱氧，使有害杂质含量下降，从而使焊缝金属的冲击韧度提高“。针对本文研究药芯焊丝体系中高合金含量特点，及半钢焊接裂纹倾向高的特点，配套埋弧焊剂必须具备下面三点要求：1 氧化性小，合金过渡系数高2 低氢、低硫磷，抗冷裂、热裂能力高3 工艺稳定，易脱渣，成形好因此重点考察以下两种焊剂：1 h j l 0 7 是熔炼型焊剂，为蓝灰色至深灰色浮石状颗粒，粒度为1 0 6 0 目，属于碱性焊剂，合金过渡系数高。采用直流电源，焊丝接正极，脱渣容易，工艺性能较好，广泛用于轧辊堆焊中。焊接奥氏体不锈钢时，具有增碳少和铬烧损少的特点。h j l 0 7 焊剂参考成分如表2 4 ：表2 4b j l 0 7 焊剂参考成分( )ls i o ：+ a l 。0 3c a f ?c a o + m g ospl4 2 5 4 2 61 3 2 6o 0 60 0 82 h j 2 6 0 是熔炼型低锰高硅中氟焊剂，属于中性焊剂，氧化性高，除氢效果好。h j 2 6 0 是焊接铬镍奥氏体不锈钢及堆焊用的主力熔炼型埋弧焊剂，为灰色玻璃状颗粒，粒度为1 0 一6 0 目。采用直流电源，焊丝接正极，电弧稳定，成形美观。其用途为：配合奥氏体不锈钢焊丝( 如h o c r 2 1 n i l 0 ，h o c r 2 1 n i l o t i ，h 3 c