（材料加工工程专业论文）冷轧辊埋弧堆焊药芯焊丝的研究.pdf

、 摘要 冷轧辊是冷轧机的关键部件，采用埋弧堆焊修复旧轧辊或制造新型复合冷轧辊， 具有很高的经济价值和社会价值。药芯焊丝由于具有成分调整灵活，易于制造、焊 接质量高等优点，正逐渐成为自动化焊接材料开发的主流，因此，本文研制的冷轧 辊堆焊材料，将以药芯焊丝作为主要研究对象。 由于冷轧辊母材和堆焊层的硬度差异较大，母材和焊缝的连接区，容易产生较 大的内部应力，并成为潜在的裂纹源，因此，本研制开发了专用于硬度过渡和防止 、 热裂纹的过渡层焊丝y d 4 0 2 l 4 。彳 7 本文针对不同冷轧辊的工作要求，分别研制了用于冷轧支撑辊堆焊的药芯焊丝 y d 4 5 1 4 ，用于冷轧中间辊堆焊的焊丝y d 5 5 1 - 4 ，并创造性的提出了一种中碳高钨 的高硬度高韧度的耐磨合金系统的设计思想，研制出了一种新型的高硬度、高耐磨 的用于冷轧工作辊堆焊的药芯焊丝y d 6 0 1 4 。 一 ，4 5 h r c ，且具有良好的耐磨性、抗氧化性和耐热疲劳性， 因此，本研究在y d 4 0 1 4 的基础上，增加n i 的含量，并适当的调整碳及强韧化 元素的含量，最终确定以c r - m o w v n i 系作为该轧辊的基础合金系统，以优化 其硬度及抗疲劳能力。 四、冷轧中间辊药芯焊丝的设计 虽然冷轧中间辊在工作时并不与钢材直接接触，但它介于支撑辊和工作辊之 间，其工作条件比支撑辊恶劣，辊面硬度要比支撑辊明显提高。根据技术要求， 中间辊的表面硬度为5 5 5 9 h r c ，硬度均匀性为1 5 h r c ，具有良好的塑、韧性 和耐磨性，同时要求不产生裂纹。为了使中间辊堆焊金属具有优良的综合性能， 本研究仍采用支撑辊堆焊金属的合金系统，并通过对成分、组织的优化，使之满 足使用性能的要求。 由于堆焊金属的硬度较支撑辊有明显提高，含c 量增加，裂纹倾向也更大， 所以要严格控制堆焊时的层间温度，堆焊后对工件实行回火热处理，回火温度 和时间也要严格控制，保证焊缝的金相组织为马氏体( m ) + 残余奥氏体( a ) + 粒状碳化物。一般来讲，具有该组织的金属具有较好的综合性能，这一方面是 由于m + 粒状碳化物的存在，使材料具有高的耐磨性，另一方面，残余a 的存 在，使之具有良好的韧性，这种组织状态保证了堆焊金属具有足够的硬度及优 良的抗剥落性和抗裂性。 2 0 0 1 年1 月天津大学硕士学位论文 第1 2 页 五、冷轧工作辊堆焊药芯焊丝的设计 ( 一) 对冷轧工作辊堆焊金属的要求 冷轧工作辊直接与轧制钢板接触，因此，其表面质量直接影响轧制钢板的 质量和轧辊的寿命。冷轧工作辊的工作转速一般在9 0 0 r m i n 左右，工作压力为 1 2 0 0 2 4 0 0 t ，承受着巨大的交变应力，工作条件十分恶劣。因此，常出现疲劳裂 纹而导致发生辊面剥落，甚至断辊。而产生疲劳裂纹的原因，则主要是由于表 层的韧性差、硬度及组织分布不均匀造成的。根据冷轧工作辊的工作条件，本 实验对冷轧工作辊堆焊层的综合性能提出了以下要求：工作辊堆焊层硬度要求 大于6 0 h r c ；硬度均匀性应为1 o h r c ；工作层的耐磨性能优良；焊态下不出 现冷、热裂纹：抗疲劳裂纹和剥落能力强。要满足上述要求，需要优化堆焊金 属的合金系统和热处理工艺。 ( 二) 焊丝的设计思想 1 堆焊金属的组织 据文献【1 1 】对冷轧工作辊多年的研究发现，当冷轧辊的组织为细小的隐针马 氏体+ 细小碳化物+ 少量残余奥氏体时，可获得上述的综合性能，这往往需要通 过合金的优化并配合适当的热处理才能达到。 2 合金系统的选择： 锻造冷轧工作辊国内外多采用9 c r 2 m o ( 或9 c r 3 m o ) 制造，往往通过多次 严格热处理才能满足性能要求。由于该合金系统含c 量过高，又不存在强碳化 物形成元素，在焊接时极易产生冷、热裂纹，不适于作为堆焊金属。经查询发 现，国内外对冷轧工作辊进行修复所用的焊丝尚无合适的合金系统，这需要我 们根据合金元素的作用设计合适的合金系统，并对其进行优化。 根据合金元素的不同作用，本文参考高速钢及基体钢的合金系统性能，采 用中碳高钨的c w c r - m o v 系作为工作辊的堆焊合金系统。 3 工艺方面： 由于堆焊金属的硬度较中间辊、支撑辊有明显提高，含碳量更高，裂纹倾向 更大，所以要严格控制堆焊层温在3 0 0 一3 5 0 左右，堆焊后对工件实行回火热 处理，回火温度和时间也要适当控制，保证焊缝的金相组织为细小的马氏体( m ) + 残余奥氏体( a ) + 粒状碳化物。该组织的金属在具有高硬度、高耐磨性的同时， 2 0 0 1 年1f j 天津大学硕士学位论文第! 三亘 兼具有良好的抗裂性能。 2 _ 2 冷轧辊堆焊药芯焊丝的设计方法 药芯焊丝的设计，包括确定药芯中各组分的含量，钢带尺寸和填充系数等。 为了便于计算，取1 0 0 克药芯焊丝为计量单位，设计步骤如下： 一、计算合金元素在药芯焊丝中的含量 从轧辊堆焊金属的使用性能出发，根据所选的合金体系，以及各合金元素 的作用，初步确定堆焊金属的化学成分，根据在埋弧自动焊工艺条件下各元素 的过渡系数确定药芯焊丝中各元素的含量。 c 2 c m 厶 2 - 1 ) 式中c i 元素在1 0 0 克药芯焊丝中的含量 c 。i 元素在堆焊金属中的含量 n ；一i 元素的合金过渡系数 i = l ，2 ，3 ，nn 为药芯中所含合金元素的总数 二、确定1 0 0 克药芯焊丝中需要的合金组分的含量 只= c ，石 ( 2 _ 2 ) 式中p ；i 组分在1 0 0 克药芯焊丝中的含量 b ；一i 元素在该组分中的含量 三、确定各组分的总质量m 和总体积v m = 鼻 矿= 喜鲁j = l 式中r 一i 组分的松装密度 四、计算f 比 假定配料均匀的充满丝管，则可按得到组分总质量和总体积确定原药芯焊 丝外皮截面积和配料面积的比值f 2 0 0 1 年i , e l 天津大学硕士学位论文第1 4 耍 f = 1 0 0 一p r e k ，k 。 式中 r 。一外皮金属的密度，对于低碳钢带为7 s g e m 3 k 一考虑填充情况的系数 k 。一考虑组分粒度的系数 表2 2 一般焊接方法常用焊丝直径 ( 2 5 ) 焊接方法常用焊丝直径( n u n ) 埋弧焊和埋弧堆焊3 0 ；3 2 ；3 6 ；4 0 ； 自保护药芯焊丝明弧焊2 3 ：3 6 ： 二氧化碳保护垂直表面焊1 6 ：1 8 ：2 o ： 平焊位置二氧化碳保护焊接和堆焊2 o ：2 5 ；3 0 ； 五、根据焊接方法选择药芯焊丝的直径( 参见表2 - 2 ) 以焊丝直径屯和f 为依据选择卷管模的真径也、钢带的宽度b 和厚度6 ( 见 表2 - 3 ) 。如果表中数据不适用，进行下面的计算。 表2 - 3钢带尺寸选择参考数据表 焊丝直径 4 o 3 53 2 2 33 o 2 62 6 2 32 2 1 81 8 1 5 d 。( r a m ) 理论面积比 o 7 7 加7 l1 0 舢m 5 30 30 9 各7 11 2 8 0 70 5 4 f 卷管模直径 5 8 5 74 8 4 74 43 9 3 83 2 3 i 2 8 d h c m m ) 钢带宽度 1 8l s1 41 21 09 b ( m m ) 钢带厚度 0 8 o 5o 8 0 5 o 3o 6 o 50 6 o 40 3 6 ( m m ) 六、计算面积比f ， 根据选择的钢带厚度8 和卷管模d 。计算药芯焊丝的外皮断面积与填充配料 的面积比f，：d h 2 - ( d b - 2 k 。6 ) 2 。 ( 以一2 k 5 ) 2 式中d 。一卷管模直径 6 钢带厚度 ( 2 - 6 ) 2 0 0 1 年1 月天津大学硕士学位论文 第1 5 页 k 一考虑卷制焊丝时壁厚变化的系数 由式2 - 5 计算出的值可能不等于f ，即从配方出发计算的面积比，和从所选 钢带尺寸出发计算的面积比可能不相符，这时需调整配料或钢带尺寸后再核算， 直到二者在允许误差内。 1 如果一f i f 5 ，则所选钢带尺寸合理，可按下式计算填充系数k 3 ： p ， k 一：j 型一 ( 2 - 7 ) j n n 吒譬+ a 然后计算消耗的钢带质量，至此设计完成。 p 钢带2 1 0 0 一l o o k 3 、( 2 8 ) p 钢带为1 0 0 克药芯焊丝中消耗的钢带的质量。 2 如果旧一fi f 5 ，则具有两种选择： a 调整配方，即添加铁粉或其它中性添加物。下面以添加铁粉为例计算铁粉 添加量。首先按下式2 7 计算填充系数。 一，屯(堕rty飞粉p,)，1 a 一 。铁粉o o 屯= j j 瓦f 一 1 + 笪! ( 2 9 ) 式中 。铁粉一为铁粉的松装密度 填充铁粉量为： = l o o k 3 一p ， ( 2 1 0 根据式2 3 2 5 重新计算加入铁粉后的m 、v 、f ，并重新进行核算后，如果旧一f 1 f 5 ，则设计完成，根据式2 8 计算消耗的钢带质量p 锕带否则，重新调整铁粉 的加入量，直到if - f l f 5 。 b 调整钢带尺寸( 宽度、厚度) ，根据调整后的钢带尺寸( b 、6 ) 和式2 - 6 重新计算药芯焊丝f ，如果jf 一f | f 5 ，根据式2 - 7 计算添充系数k 。，根据 式2 - 8 计算消耗的钢带质量p 钢带，设计完成。否则，重新调整钢带的尺寸，直 到i f 一f l f 5 。 2 0 0 1 年1 乃天津大学硪士学位论文 第1 6 页 第三章试验方法及材料 3 1 埋弧堆焊设备的选择 轧辊埋弧堆焊设备主要包括埋弧焊机、热处理炉及相关的电气配套设备和测 试仪器等。 一、焊接设备 目前国内常采用的埋弧自动焊机的种类及技术数据如表3 1 所示m 】 表3 1国内埋弧自动焊机的主要型号及技术数据 、涩号 m z 1 m z - 2 m u 2 技术癍淞 n z a 1 0 0m z 1 0 0 0 1 0 0 01 5 0 03 0 0 洪幺幺方式 变速送丝变速送丝等速送丝等速送丝 蛮谏 关奎幺 焊机结构特点埋弧、明弧焊车焊车悬挂式自堆焊专用 两用焊车动机头焊机 焊接电流( i ) 2 0 0 一1 2 0 04 0 0 1 2 0 02 0 0 1 0 0 04 0 0 一1 5 0 01 6 0 3 0 0 焊丝直径 3 53 61 6 53 61 6 之 ( n a n ) 焊接速度 3 5 1 3 02 5 1 1 72 6 7 2 1 02 2 5 18 73 2 5 5 8 3 ( c r n m i n ) 焊接电流种类直流直或交流直或交流直或交流 直流 本实验要求的焊接电流在3 8 0 - - 4 0 0 a ，焊接电流采用直流反接方式，因此 使用m z 1 1 0 0 0 自动埋弧焊机。 二、热处理炉 我国各类轧辊堆焊厂所采用的加热炉主要有电炉和燃气炉两种。电加热炉由 于具有结构简单，炉体紧凑，占地小，工作环境好，易实现炉温自动控制等特 点，能确保热处理的质量，因此，本实验采用s x ，一1 2 1 2 型箱式电阻炉作为热处 理炉。 2 0 0 1 年1 月天津大学硕士学位论文 第1 7 页 三、电气控制及测试仪器 为了确保热处理炉的温度精度，本实验为其专门配备了数字式控温箱，加热 温度波动范围不超过5 。堆焊过程中各种工艺参数的变化直接影响堆焊质量， 如电流、电压、焊速、送丝速度、堆焊层温等，采用相应的测试仪器，对上述 参数进行测试和调整，并正确执行堆焊工艺参数是保证轧辊堆焊质量必不可少 的手段。 3 2 堆焊试件的制备及试验 一、试件材料及尺寸 本实验采用q 2 3 5 钢作为堆焊试板，将q 2 3 5 板材制成2 0 0 r e 1 0 0 l 【i r b x 2 0 i f j i n 试板，试验时，沿试板长度方向( 2 0 0 r a m ) 堆焊，每道堆焊长度不少于1 9 0 r a m ， 堆焊层数与道数由各自不同的要求决定。 二、埋弧堆焊工艺参数选择的原则 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 4 1 a 2 j ，合理的焊接工艺参数是获得高质量焊接接头的必要条件， ( 一) 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3 - 1 所示 嘲。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，为了提高生产率，又常常希望 增大堆焊电流，由图3 1 可知，增大 堆焊电流，熔深增大，而熔宽增加幅 度不大，母材对焊缝的稀释率增大， 当，防止过大或过小。 薯 争 堆掉电流( ) 图3 1 堆焊电流对焊缝尺寸的影响 合金元素烧损严重。因此堆焊电流必须适 2 0 0 1 年1 月天津大学硕士学位论文第1 8 页 ( 二) 电弧电压 电弧电压对堆焊焊缝的形状尺寸具有重要的影响。如果单纯增加堆焊电流或 电弧电压，都不会得到满意的堆焊焊缝成型，并且可能会造成气孔、夹渣等缺 陷。随着电弧电压的增大，除了焊缝的宽度增加外，焊剂的消耗量也有所增加。 电弧电压过高时，焊剂熔化太多，致使液体熔渣从熔池中向外流失，同时，还 会带走堆焊熔池中的液体金属