复合堆焊工艺探究

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作者：梁顺生袁学军单位：河南省安阳市安钢集团机制公司

新辊制作和旧辊修复主要工艺流程如下：①新辊制作流程为：采购锻件→粗加工→调质处理→粗加工→预热→堆焊→回火→加工；②旧辊修复流程为：粗加工→预热→堆焊→回火→加工；在此处，需要说明的是，如辊子已为堆焊辊，可直接对辊子进行修磨，配对加工即可，一般可修磨3~4次；如辊子经多次修磨，尺寸接近φ592时，如需恢复至图纸尺寸φ600，只需车去1~1.5mm即可堆焊工作层。材料焊接性分析，材料的可焊性一般用碳当量来衡量，它是评定材料焊接性的一个参考指标，其估算公式如下：Ceq=C%+Mn%/6+（Cr%+Mo%+V%）/5+（Si%+Ni%+Cu%）/15。

经验表明：Ceq≤0.4%时，材料焊接性能好，淬硬倾向性小，焊接时可不预热；Ceq=0.4%~0.6%时，材料焊接性能尚可，但工件必须进行预热、要控制焊接工艺；Ceq≥0.6时，材料焊接性能差，属于较难焊的材料，工件必须预热，焊后进行热处理，并严格控制焊接工艺。上述三种材料45#、55#、42CrMo的碳当量Ceq分别为0.72、0.84、0.9，焊接性能差，焊接时需采取严格的工艺措施，尤其是在焊接材料的选择上，要充分考虑各种因素的影响，尽可能选择一定强度、韧性好、含碳量低的焊丝。

通过分析、比较，我们确定采用Cr13系马氏体不锈钢焊丝堆焊辊子工作层，具体采用YD414N（M）进行工作层堆焊，其熔敷金属化学成分见表2。该焊丝的优点主要有：①Cr13系马氏体不锈钢抗高温氧化、耐腐蚀性优良；②焊丝中含碳量极低，仅为0.05%，焊接性和耐热疲劳性好；③焊丝中含氮，在保持堆焊层优良的抗氧化性、耐腐蚀性的同时，进一步提高热强性、耐磨性和耐热疲劳性能；④Ni能确保堆焊层金属的延展性；⑤堆焊层力学性能优良，冲击功Akv≈16.2J，抗拉强度σb≈1240Mpa，延伸率δ≈10.3%，断面收缩率ψ≈33%，显著优于基体组织；⑥堆焊层组织为马氏体加少量的沿柱晶方向生长的铁素体，同时，在马氏体基体上分布有均匀细小的合金氮化物及金属间化合物，这比单一的马氏体组织具有更高的耐磨性和抗冷热疲劳性。

（1）焊剂的选用。选用碱性烧结焊剂RD-SJ414，其渣系为MgO-Al2O3-CaF2-SiO2，碱度约为BⅡW≥1.8，化学活性系数Af≈0.15。选用该焊剂，主要是基于以下两方面的考虑：①提高焊剂碱度可以降低焊缝金属的含氧量和含硫量，提高焊缝的韧性和抗裂能力；②由于在堆焊过程中，工件温度较高，焊剂要有利于高温脱渣。因此，要适当降低焊剂的化学活性。选用该焊剂，其化学活性系数Af≈0.15，远低于熔炼HJ260（Af≈0.46）。焊层设计，堆焊层厚度因工艺不同均有一定限制，超过限度焊层地力学性能和应力状态会发生不良变化，与基体结合强度下降，考虑到堆焊层的安全厚度及多次修磨需要，堆焊层总厚度为设计为7mm，其中，打底层为1.5~2mm，工作层为5mm左右。为确保母材和堆焊金属之间的良好冶金结合，即保证二者具有强韧俱佳的结合性能，降低母材和堆焊层界面的脆化以免在使用过程中产生局部剥落，在堆焊工作层材料前，先堆焊一层打底层，采用YD430，堆焊组织为马氏体，硬度约HRC22，其抗裂性好，线膨胀系数小。此外，通过在基体上堆焊打底层，能降低工作层焊丝在堆焊过程中的稀释，保证工作层性能。

（2）堆焊实施。辊子堆焊部位两端加焊焊接式挡环，其作用是托住焊剂，防止辊子两端堆焊时发生熔渣流淌，保证在辊子两端得到良好的堆焊层形状。在后续的机加工过程中，车去挡环。然后预热，预热的目的是降低堆焊过程中，堆焊金属和热影响区的冷却速度，降低淬硬倾向并减少焊接应力，防止母材和堆焊金属在堆焊过程中发生相变导致裂纹。考虑到本件堆焊部分尺寸为φ600*1830，工件重量大，热容量大，我们将工件预热温度定为120~150℃，堆焊打底层，所用焊接材料为YD430（M）+SJ414，焊高1~1.5mm；堆焊工作层，所用焊接材料为YD414N（M）+SJ414，焊高7~8mm，留机加工余量4~6mm；热处理，采用低温回火工艺，回火温度为350~370℃，保温1h。

堆焊作业过程中的注意点：①焊剂烘焙为去除焊剂中水分影响焊接质量，需对焊剂进行烘焙，温度为（250~300）℃，时间约2h。②焊接参数采用可控硅弧焊整流器MZ-1250电源，直流反接极性；焊接电流I≈330~380A；焊接电压U≈28~32V。焊接速度V≈400~500mm/min（堆焊层圆周线速度）。③导前距在12.7~50.8mm范围内，具体尺寸可根据焊道成型情况进行调整；④焊丝伸出长度25~35mm。⑤焊道搭接量相邻焊道搭接大于50%，具体搭接量可根据焊道平整情况进行调整；⑥层间焊道位置为保证堆焊层焊道层间的均匀性，要求操作时，堆焊层间的焊道位置。

（1）刀具选择。由于堆焊层硬度（HRC41~44）较高，堆焊层表面高低不平，需选择抗冲击性好、切削性能好的刀具，此外，刀片尺寸不能太小，以免影响刀具由于切削力波动时损坏。刀具材料一般选用YG6X，刀片尺寸型号为A125A。

（2）表面粗糙度提高。砂带磨分段加工，提高表面粗糙度。辊子通过表面强化后，工作表面性能耐磨性、耐热疲劳性、耐蚀性得到极大提高，使用寿命最高可达新辊的1~1.5倍，费用为新辊的1/3，减少换辊次数，提高作业时间。减少备件消耗和降低备件成本为我公司带来直接经济效益，形成产值169万元。