眾所周知，隨著現代化熱軋板帶軋機向大型化、高速化、自動化方向發展，相應對熱軋支撐輥的要求也越來越高。對于熱軋板帶軋機使用的大型支撐輥，應能滿足如下軋制的特性要求：


    (1) 具有較高的抗壓強度和良好的剛性，足以承受高軋制力和峰值負荷；

    (2) 具有良好的韌性，以避免斷輥、輥身裂紋和表面剝落；

    (3) 輥身工作層有良好的耐磨損性能和抗疲勞性能，以降低輥耗；

    (4) 輥身工作層具有均勻的組織和硬度，使得全輥面具有均勻的耐磨損性；

    (5) 具有良好的耐蝕性，以抵抗熱軋過程中高溫與潤滑或冷卻媒介的腐蝕。


    基于以上特性要求，由于合金鍛鋼支撐輥輥身表面硬度可以達到70HSD 左右，以及兼有良好的耐磨性和高的機械性能，合金鍛鋼支撐輥的斷裂韌性又優于鑄鋼支撐輥，因此合金鍛鋼支撐輥已成為目前熱軋板帶軋機支撐輥的主要首選。


    具有大型熱軋支撐輥的熱軋板帶軋機主要有：寬帶鋼熱連軋機、薄板坯（連鑄）連軋機、中厚板軋機、寬厚板軋機等，其熱軋支撐輥是各生產線上的重要備品備件之一，每個大型軋鋼廠每年都要消耗大量該類軋輥，由于消耗量大，軋輥價格昂貴，越來越引起技術人員的重視。軋輥質量的優劣，不僅直接影響其使用壽命，而且對鋼材的質量、生產率和生產成本都有很大影響。而采用堆焊方法修復的復合軋輥，不但修復成本低，而且能提高軋輥使用壽命，降低軋輥耗量，合理使用并節約合金元素，同時能夠提高軋機的效益和產品的質量，是一種有效的技術經濟措施。因此，對熱軋板帶軋機支撐輥進行堆焊修復，進一步提高其性能和使用壽命顯得十分重要。


    堆焊技術要求

    對于大型熱軋支撐輥，堆焊修復的一般技術要求有：


    (1) 堆焊層應滿足特定的化學成分的要求；

    (2) 堆焊層應具有適宜的金相組織（包括基體組織和碳化物）；

    (3) 堆焊層要具有較高的抗剝落性能、良好的耐磨損性能和抗疲勞性能；

    (4) 堆焊層應有足夠的厚度（ 最高可達70~80mm）；

    (5) 堆焊層應有良好的可加工性能；

    (6) 連續埋弧堆焊作業中，焊材工藝性能優良，焊渣具有良好的脫渣性（指不粘渣、自動脫渣）；

    (7) 具有較高的（堆焊）生產效率，同時要求使用后能多次堆焊修復；

    (8) 堆焊層經熱處理后的硬度及硬度均勻性滿足支撐輥技術要求；

    (9) 堆焊層中不得有裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷。

    (10) 堆焊修復后的大型支撐輥，其上機使用壽命不得低于原輥。


    堆焊專用設備和輔助裝置

    由于大型熱軋支撐輥堆焊修復量大，一次堆焊4~7 噸焊絲，連續堆焊時間長，這樣就對堆焊設備及相應裝備提出了較高的性能要求。堆焊修復大型熱軋支撐輥，堆焊專用設備和輔助裝置應具備以下設備能力要求：


    1 大型軋輥堆焊專用設備要求

    (1) 工件轉動及支撐系統確保支撐輥實現軸向不竄動的穩定勻速旋轉運動，并且轉速要無級連續可調；

    (2) 采用單絲多機頭（條件允許，至少4 個機頭）同時施焊，各機頭軸向移動應單獨控制，并在堆焊作業時，做到同步、穩定、可靠。機頭移動采用交流變頻調速，調速范圍滿足堆焊支撐輥連續螺旋參數要求；

    (3) 機頭的垂直升降，調整過程須平穩，提升高度范圍滿足堆焊支撐輥參數要求；(4) 由于連續堆焊作業時間長，要求整個堆焊系統各個部分都要保持穩定、可靠，不出任何故障。


    2 大型軋輥堆焊輔助裝置要求

    輔助系統中必須有帶自動測溫、控溫系統的電加熱（或燃氣加熱）保溫罩裝置，目的是為了確保支撐輥堆焊作業過程中的層間溫度技術要求，這一點對于大型支撐輥的堆焊修復尤其重要。另外為了滿足長時間的連續埋弧堆焊作業需求，焊劑自動送給裝置也必須配備。


    堆焊修復工藝

    1 堆焊材料的選擇

    ——焊絲的選擇
    針對大型熱軋支撐輥的不同材質（50CrMo、70Cr3Mo、3%CrMoV）以及軋制的特性要求，可選用馬氏體系不銹鋼或耐磨性、強韌性和熱穩定性好的Cr-Mo-V（或Cr-Mo-W-V-Nb）低碳熱工具鋼成分的埋弧堆焊用藥芯焊絲材料進行堆焊修復。表1 為推薦的堆焊焊絲材料合金成分范圍（參考）。

    

   

     

    由于大型熱軋支撐輥母材的含碳量或合金含量過高，為確保母材和堆焊金屬之間的良好冶金結合，即保證二者具有強韌性俱佳的結合性能，推薦在工作層材料堆焊前，先使用低碳抗壓強度較高的焊絲材料進行過渡層堆焊。為進一步降低母材和堆焊層界面的脆化以避免支撐輥使用過程中產生局部剝落，在過渡層材料堆焊前，可先實施打底層材料的堆焊。


    為滿足大型熱軋支撐輥的軋制特性要求以及堆焊技術要求，輥身工作層堆焊金屬基體組織設計為強度高、相對韌性好的單一低碳回火馬氏體，同時在基體上分布著均勻細小的彌散合金碳化物。


    由于針對原輥使用中發生的輥面局部剝落情況，經微觀斷口組織分析，造成的原因大多為片狀或長條狀的非金屬夾雜物，因此，這里特別強調，要對焊絲材料的純度提出較高的要求，即盡可能降低S、P、H 以及有害的非金屬夾雜物（硫化物、硅酸鹽、氧化物等）含量。

焊絲規格為：Φ4.0mm 或Φ5.0mm。


    ——焊劑

    選用國產經專門研制生產的堿性燒結焊劑。堿性燒結焊劑的渣系為：MgO-Al2O3-CaF2-SiO2，堿度BIIW約為：1.8，化學活性系數Af為：0.15。


    選用原因：


    (1) 提高焊劑堿度可以降低焊縫金屬的含氧量和含硫量，提高其韌性和抗裂能力；

    (2) 為解決高溫脫渣問題，應降低焊劑的化學活性（熔煉焊劑HJ260 的化學活性系數Af≈0.46）并加強脫氧。


    應用實踐表明：選用的國產堿性燒結焊劑比HJ260、HJ108、SJ301 等焊劑具有更優良的工藝性能，尤其是具有優良的高溫脫渣性能，完全能滿足大型熱軋支撐輥的堆焊要求。


    2 堆焊修復工藝方案

    采用下述工藝流程對大型熱軋支撐輥進行堆焊修復：

  

    

    ——堆焊用輥坯整備

    堆焊修復前，對舊輥輥坯進行疲勞層車削、超聲和磁粉（或滲透）探傷、局部缺陷焊補、保證堆焊工作層厚度車削的整備工作。


    (1) 輥頸探傷
    在輥面加工前，對輥頸進行超聲波和滲透探傷，若發現有嚴重缺陷（特別是輥身與輥頸過渡區內），則終止對該輥的后道加工。

    (2) 輥面車削加工
將輥面疲勞層完全去除，并車削至保證堆焊層厚度要求。

    (3) 局部缺陷焊補
    對于局部缺陷，首先要確保缺陷完全清除，車削較深之處，可采用打底和過渡層焊材進行焊補，使之平整。

    (4) 輥面探傷
    對已車削輥面進行檢測，檢查疲勞層是否車削凈及輥身是否存在裂紋等缺陷，若仍有缺陷，則需繼續車削，消除隱患。如果超聲探傷出輥坯有嚴重內傷，則不允許再進行該輥坯的堆焊修復工作。


    ——焊前準備工作

    輥坯預熱前，要在輥身的兩端裝上擋環。擋環為焊接式（一次性），用薄鋼板（厚度≥6mm）制成，并環向對接點焊在輥身兩端。擋環的作用是托住焊劑，防止在堆焊時發生熔渣流淌，從而保證在輥身兩端得到良好的堆焊層形狀。


    ——預熱

    預熱的主要目的是降低堆焊過程中堆焊金屬及熱影響區的冷卻速度，降低淬硬傾向并減少焊接應力，防止母材和堆焊金屬在堆焊過程中發生相變導致裂紋產生。預熱溫度的確定需依據母材以及堆焊材料的碳含量和合金含量而定，參考經驗公式：


    T0（°F）=1020-630（%C）-72（%Mn）-63（%Si）-36（%V）-36（%Cr）-31（%Ni）-18（%Cu）-18（%Mo）-9（%W）+27（Co）+54（%Al）
其中， °C=5/9（°F-32）

    堆焊過程中應控制預熱及層間溫度高于Ms點，避免堆焊金屬發生馬氏體相變及淬回火效應，使整個堆焊層焊完之后在熱處理電爐中同時進行馬氏體轉變，只有這樣才能保證堆焊層的組織、硬度均勻性。由于大型熱軋支撐輥母材及堆焊材料的合金含量均相對偏高，再加之支撐輥的尺寸及堆焊厚度均較大，焊接應力大，故應盡量提高預熱和層間溫度，又考慮到實際操作上容許程度，將預熱溫度確定為400~450℃，焊道層間溫度控制在350℃以上。在預熱過程中要求：預熱升溫速度≤25℃/h；預熱保溫時間根據支撐輥外徑尺寸大小來確定（原則是確保輥坯從外到里熱透）。


    ——保溫堆焊作業

    (1) 施焊前，選用焊絲和配用燒結焊劑分別按其要求進行烘焙，以去除水份。

    (2) 使用具有下降電源特性的直流電源，配備帶自動測溫、控溫系統的電加熱（或燃氣加熱）保溫罩裝置和焊劑自動送給裝置，在大型軋輥自動埋弧堆焊專用設備上，進行多機頭單絲圓周方向連續螺旋自動埋弧堆焊。

    (3) 堆焊過程必須連續施焊，中途不允許停止。如遇意外情況停焊時，在層間溫度保溫裝置不能保證支撐輥層間溫度時，應盡快進爐按預熱溫度要求保溫。

    (4) 進行圓周方向螺旋線堆焊時，為防止在輥身兩端出現“缺肉”現象，在輥身的兩端，即始焊部位和終焊部位，均應先沿圓周方向堆焊一周（即在不移動堆焊機頭的情況下堆焊一周），然后再進行螺旋線堆焊。同時為保證各堆焊層間硬度的均勻性，要求堆焊時應使各堆焊層間的焊道位置相互錯開1/2 焊道寬度。

    (5) 對于Φ4.0mm 藥芯焊絲，要求：

    焊接電流：400~450A
    焊接電壓：27~32V
    焊接速度：400~500mm/min（指軋輥堆焊層轉動圓周線速度）
    焊道搭接：相鄰焊道搭接須大于50%，具體搭接量應視焊道平整光滑情況。

    焊接極性：采用直流反接。

    電源特性：采用具有弧壓反饋的下降特性。

    焊弧導前距離：取決于軋輥直徑。一般在12.7~50.8mm 范圍內，具體導前距離視焊道成形情況。

    焊絲伸出長度：25~35mm
    焊道層間溫度：350~400℃

    ——中間去應力熱處理

    由于大型熱軋支撐輥的堆焊厚度較大（最厚達70~80mm），如果一次連續堆焊完成，將使得堆焊金屬產生非常大的焊接累積應力（盡管始終保持在較高的預熱和層間溫度下），該累積應力的存在，將大大增加堆焊輥產生裂紋的傾向，嚴重時將發生支撐輥開裂的嚴重事故。因此在堆焊厚度到一定范圍時，須進行中間去應力熱處理，以降低或消除焊接累積應力。穩妥的措施是在堆焊20~30mm 后，進行一次中間去應力熱處理。去應力熱處理溫度要求控制在480~500℃，時間則由堆焊厚度來確定。


    ——焊后熱處理

    焊后熱處理的主要目的是為改善焊后組織和消除焊接應力。堆焊修復支撐輥的焊后熱處理應在專用的熱處理電爐中進行，要求爐內溫度均勻性好，溫度測定準確，控溫過程精確。堆焊支撐輥完畢后，應立即吊裝熱處理電爐進行回火處理，送爐過程中，可用厚石棉墊包裹以防止軋輥溫度快速下降，同時爐膛不能冷爐，初始溫度應在支撐輥預熱溫度或層間溫度要求范圍內。升溫過程中，為保證溫度均勻，升溫速度要緩；降溫過程中，為防止產生新的應力，也應緩慢冷卻。為充分發揮材料的性能，選擇550~565℃進行中高溫回火，以產生充分的彌散強化效應。回火后，待支撐輥逐漸冷卻至50℃以后，才可以出爐，并要求在靜止空氣中自然冷卻至室溫。熱處理工藝曲線如圖2 所示：

    ——熱處理后檢查、機加工及成品檢測

    對經過焊后回火熱處理后的堆焊支撐輥進行粗加工，然后進行半成品檢驗，包括：超聲波探傷、硬度檢查、外觀檢查、幾何形狀及粗加工尺寸檢查等。堆焊層的著色探傷（PT）或磁粉探傷（MT）檢查在支撐輥最終機械加工完成后進行。


    3 堆焊層缺陷的手工修焊工藝

    對于絲極埋弧自動堆焊方法，在堆焊層中出現的局部微小缺陷，如缺肉、咬邊、夾渣、氣孔、裂紋等，可采用手工電弧焊方法進行補焊修復，修復工藝如下：


    (1) 焊前要用砂輪打磨方法除去缺陷，并進行著色探傷檢查。確認缺陷已完全清除后，才可著手修焊。

    (2) 用煤氣或氧-乙炔焰局部預熱，要保證缺陷周圍50mm 范圍內達到≥300℃的預熱溫度。

    (3) 焊條選用與堆焊層化學成分相同或接近的堆焊焊條產品牌號， 直徑Φ 3.2mm。使用前300~350℃烘焙1hr。

    (4) 選用較小的焊接電流，通常為90~110A，采用直流電源，焊條接正極。為了防止出現焊接裂紋，要采用熱錘擊焊縫的方法。補焊修復可在焊后熱處理后進行，修焊后可不進行熱處理。


    堆焊修復熱軋支撐輥的質量檢查

    在支撐輥的堆焊修復過程中，要按照事先編制的《質量檢查要領書》中規定的內容進行嚴格的檢查，以保證堆焊修復輥具有合格的化學成分、力學性能和特殊需求性能，外部尺寸符合粗加工圖紙要求，金相組織、硬度、超聲波探傷（UT）、磁粉探傷（MT）或滲透探傷（PT）合格。在堆焊修復過程中的質量檢查項目主要應有：


    (1) 焊前輥坯檢查
    對需進行堆焊修復的支撐輥輥坯，要核對合格證的數據，并進行輥頸（特別是輥身輥身部位）的質量（UT、MT 或PT）和尺寸（保證堆焊層厚度車削）檢查。

    (2) 溫度檢查
    按照《質量檢查要領書》中規定的輥坯預熱規范進行預熱溫度檢查，堆焊過程中用接觸式表面溫度計測量工件的層間溫度。測量部位選在輥身的兩端和中心，層間溫度較預熱溫度低20~50℃，并在堆焊過程中保持這一溫度。

    (3) 堆焊工藝參數檢查
    在堆焊過程中應隨時檢查焊接電流、電弧電壓、焊接速度、機頭移動速度、焊弧導前距離、焊道成型及尺寸等工藝參數，并填寫在記錄表內。

    (4) 外觀質量檢查
    在堆焊過程中應隨時檢查堆焊層的外觀質量，包括焊道成型，有無裂紋、氣孔、夾渣、咬邊等焊接缺陷，如有缺陷產生，應及時處理。

    (5) 焊后檢查
    焊后要進行宏觀檢查、尺寸檢查和堆焊層質量檢查，在確認無堆焊缺陷和堆焊層有足夠的加工余量的情況下，才能進行焊后熱處理。熱處理完成后對輥面進行車削加工（留出后道磨削加工余量），之后進行表面硬度檢查、最終尺寸檢查、外觀檢查和超聲探傷（UT）檢查（含輥頸的重新檢測）。堆焊層的滲透探傷（PT）或磁粉探傷（MT）檢查在支撐輥最終機械加工完成后進行。

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