符定梅 汪長安

(1.中冶建筑研究總院有限公司，北京100088；2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900)

帶鋼熱連軋機(jī)支承輥堆焊修復(fù)工藝研究

符定梅1汪長安2

(1.中冶建筑研究總院有限公司，北京100088；2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900)

通過對(duì)軋輥母材的分析，選擇合適的堆焊材料。研制支承輥堆焊專用夾具，并確定埋弧焊機(jī)類型。通過模擬輥的制作與檢測，確定并優(yōu)化堆焊工藝及熱處理工藝。分階段完成了兩支支承輥的堆焊修復(fù)。

支承輥；堆焊工藝；耐磨性

近年來，隨著堆焊技術(shù)的日益成熟，采用堆焊方法修復(fù)部分種類舊軋輥以提高軋輥的使用壽命已成為我國大中小企業(yè)降低成本、提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率的重要舉措，也符合我國節(jié)能降耗、綠色環(huán)保的要求[1-2]。堆焊技術(shù)也成為機(jī)械制造行業(yè)經(jīng)濟(jì)而快速有效的制造和維修手段。寶鋼股份有3條熱軋線，使用來自專業(yè)軋輥制造廠的鍛造或鑄造支承輥。典型的化學(xué)成分為：0.4%～0.5%的C，5%的Cr，少量其它合金元素。工作層的典型金相組織為馬氏體或下貝氏體及少量Cr7C3碳化物，輥頸的典型金相組織為珠光體。支承輥新輥允許硬度范圍65～71HSD，輥面硬度波動(dòng)小于2HSD，輥頸硬度35～45HSD。目前寶鋼年耗熱軋支承輥10多根，對(duì)其表面進(jìn)行堆焊修復(fù)是非常必要的。

1 支承輥堆焊層設(shè)計(jì)

1.1 熱軋支承輥堆焊層焊材的選擇與制造

焊材選擇重點(diǎn)考慮以下指標(biāo)：

(1)軋輥本體與焊材的相容性，指二者之間必須具備互溶性，避免產(chǎn)生脆性金屬化合物。還需考慮兩者之間的熔化溫度、膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率和比電阻等物理性能的差異。

(2)熔合區(qū)的成分、性能與組織。熔合區(qū)是堆焊層與基體之間的分界區(qū)以及堆焊層間的分界區(qū)。分界區(qū)一般包括熔合線和結(jié)晶過渡區(qū)。由于熔焊區(qū)內(nèi)各層的結(jié)晶特點(diǎn)不同，可能由于成分的變化形成性能不良的過渡層，如在低碳鋼上堆焊合金鋼焊層，過渡層中的C含量大大增加，形成大量脆性金屬化合物，導(dǎo)致焊層開裂。堆焊過程中應(yīng)盡量避免或控制過渡層的產(chǎn)生和長大，盡量采用能抑制脆性相產(chǎn)生的元素及工藝，如選用含有大量奧氏體形成元素的堆焊材料?；谝陨显?，選擇的焊材成分如表1所示。

表1 焊材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 焊絲、焊劑堆焊前準(zhǔn)備

埋弧自動(dòng)焊以其高效率、穩(wěn)定的質(zhì)量在金屬結(jié)構(gòu)件等制造工藝中得到廣泛推廣。但是，在應(yīng)用到中低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)件等焊接生產(chǎn)上時(shí)，對(duì)這類鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程中，最為突出的問題是導(dǎo)致工件焊縫產(chǎn)生裂紋，其主要原因之一是焊接材料中的含水量，因此，利用埋弧焊工藝對(duì)大型支承輥堆焊時(shí)，必須對(duì)焊劑進(jìn)行嚴(yán)格的烘干。

表2 硬面(工作)層材料的力學(xué)性能

1.3 堆焊層設(shè)計(jì)

堆焊材料的力學(xué)性能要求見表2。

(1)打底層：采用低碳低合金的堆焊材料，使焊材與母材具有良好的相容性，并兼有足夠的塑性，以確保焊材與母材的焊合強(qiáng)度。大型鍛造支承輥都是高碳合金鋼，母材的碳當(dāng)量較高，可堆焊性較差。為確保母材和堆焊金屬之間的良好冶金結(jié)合，堆焊硬面工作層前必須先堆焊打底層。打底層材料應(yīng)根據(jù)母材的合金成分選擇與之匹配的低、中碳堆焊合金體系。要考慮合金體系金相組織和堆焊材料的強(qiáng)韌性，輥體及硬面工作層均有浸潤性和良好結(jié)合性。合金成分稍低時(shí)應(yīng)選擇韌性較好的不銹鋼合金體系，堆焊合金體系中添加微合金元素，細(xì)化晶粒和改變夾雜物形態(tài)，提高堆焊合金的強(qiáng)韌性。

(2)過渡層：過渡層堆焊硬度、強(qiáng)度介于打底層與工作層之間，與二者有良好的相溶性，起到承上啟下的作用，為堆焊硬面層奠定良好基礎(chǔ)。過渡層處于打底層和工作層之間，起過渡緩沖作用，從而要求過渡層材質(zhì)既要有良好的強(qiáng)韌性，又要有良好的層間結(jié)合性能。過渡層一般堆焊厚度在7～14 mm，堆焊層組織選擇貝氏體+索氏體+少量其他組織及碳化物或貝氏體+馬氏體+少量其他組織及碳化物。

(3)工作層：選用合金含量較高的焊絲，以提高工作層的強(qiáng)度和耐磨性，同時(shí)工作層焊材還應(yīng)具有相應(yīng)的抗腐蝕性能，確保軋輥的使用性能。力學(xué)性能見表2。

2 支承輥表面堆焊處理

2.1 堆焊工藝設(shè)計(jì)

采用合理的堆焊工藝參數(shù)是保證堆焊過程穩(wěn)定和焊縫質(zhì)量良好的有效手段。影響堆焊質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有：焊接電壓、電流和焊接速度，工件的旋轉(zhuǎn)速度，焊接層厚度，焊道之間的搭接量，焊接位置，工件堆焊部位的梯度，臺(tái)階的邊角弧度等。

2.1.1 車削加工

堆焊前通過超聲檢測和著色檢測，確定缺陷位置及深度，包括對(duì)舊輥輥環(huán)、輥頸進(jìn)行疲勞層車削，這是確保支承輥?zhàn)罱K堆焊質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.1.2 預(yù)熱

預(yù)熱的主要目的是降低堆焊過程中堆焊金屬及熱影響區(qū)的冷卻速度，降低淬硬傾向并減少焊接應(yīng)力，防止母材和堆焊金屬在堆焊過程中發(fā)生相變導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。預(yù)熱溫度的確定需依據(jù)母材以及堆焊材料的C含量和合金含量而定，應(yīng)高于材料的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)。

就支承輥而言，由于母材及堆焊材料的合金含量均相對(duì)偏高，再加之支承輥的尺寸及堆焊厚度大，焊接應(yīng)力大，為防止裂紋和氣孔，并改善開始堆焊時(shí)焊層與母材的熔合，避免裂紋及焊不透缺陷，應(yīng)盡量提高預(yù)熱溫度?？紤]到實(shí)際操作中的容許程度，堆焊前應(yīng)消應(yīng)力560℃保溫70 h，爐內(nèi)冷卻至370℃開始堆焊。加溫過程中，為使輥體內(nèi)部熱透，輥體內(nèi)外溫度均勻，升溫應(yīng)緩慢，預(yù)熱升溫速度≤25℃/h。預(yù)熱保溫時(shí)間根據(jù)支承輥外徑尺寸大小來確定，原則是確保輥坯從外到里熱透。并在200～300℃保溫足夠時(shí)間，輥面加熱要均勻。

2.1.3 堆焊過程中層間溫度及輥體溫度均勻性的控制

堆焊過程中的層間溫度適當(dāng)與否，對(duì)防止產(chǎn)生裂紋等工藝缺陷起著重要作用，必須保證層間溫度在300℃以上(高于材料的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn))，避免堆焊金屬發(fā)生馬氏體相變及淬回火效應(yīng)，使整個(gè)堆焊層焊完之后在熱處理電爐中同時(shí)進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，只有這樣才能保證堆焊層的組織和硬度均勻性。

在軋輥二次利用的修復(fù)和堆焊過程中，母材堆焊部位的溫度要根據(jù)工藝要求嚴(yán)格執(zhí)行。始終保證堆焊母材的預(yù)溫均勻性。當(dāng)母材堆焊部位的溫度低于工藝要求時(shí)，應(yīng)停止堆焊并進(jìn)行中間加熱，等母材堆焊部位的溫度達(dá)到工藝要求后再繼續(xù)堆焊。必須在嚴(yán)格執(zhí)行母體處于恒溫的基礎(chǔ)上進(jìn)行整個(gè)堆焊過程，確保融合后的強(qiáng)度。

就支承輥而言，由于母材及堆焊材料的合金含量均相對(duì)偏高，支承輥的尺寸及堆焊厚度均較大，焊接應(yīng)力大，必須嚴(yán)格控制道間溫度，保持多臺(tái)焊機(jī)的協(xié)調(diào)性及層間溫度的一致性。在堆焊輥面時(shí)，除側(cè)面繼續(xù)加熱保溫外，兩端因散熱快，應(yīng)采用火焰加熱器適時(shí)補(bǔ)充加熱保溫。

2.1.4 中間去應(yīng)力熱處理

表3 堆焊工藝參數(shù)

由于堆焊軋輥是多層多道焊，后層對(duì)前層有熱處理作用，同時(shí)焊縫中氫的積累也逐層增加。因此，堆焊過程中，堆焊厚度到一定范圍時(shí)(單邊堆焊厚度20～25 mm)，必須進(jìn)行退火熱處理，以確保消除堆焊應(yīng)力，之后再繼續(xù)堆焊至規(guī)定尺寸。

由于打底層、過渡層及工作層的堆焊材料的馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)不同，通常采用馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)最高的材料作為層間溫度的參考值。就支承輥材質(zhì)而言，要求溫度控制在480～520℃，保溫20 h左右，爐冷至400℃再開爐堆焊。如此重復(fù)進(jìn)行堆焊和改善組織的熱處理過程，直到堆焊厚度達(dá)到圖紙所需尺寸。

2.1.5 焊后熱處理

焊后須經(jīng)彌散強(qiáng)化處理(回火)，讓V4C3、Mo2C、Cr7C3等碳化物充分析出進(jìn)行彌散強(qiáng)化，以獲得良好的焊后堆焊層金相組織，調(diào)整堆焊層的硬度，同時(shí)消除堆焊過程中由于熱膨脹及收縮產(chǎn)生的焊接應(yīng)力。焊后熱處理的主要目的是為了改善焊后組織和消除焊接應(yīng)力。堆焊完畢的支承輥應(yīng)緩慢冷卻，不超過250℃后進(jìn)行熱處理。熱處理爐初始溫度為280℃左右，緩慢升溫到480～520℃，保溫20 h。在520～450℃區(qū)間，每1 h降溫不超過10℃，降至450℃時(shí)斷電隨爐緩冷，常溫出爐。

支承輥堆焊完畢后，應(yīng)緩慢冷卻，不超過250℃后吊裝至專用的熱處理電爐中進(jìn)行回火處理。熱處理爐要求爐內(nèi)溫度均勻性好，溫度測定準(zhǔn)確，控溫過程精確。整個(gè)熱處理過程的升溫、保溫、降溫必須嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行。

為充分發(fā)揮材料的性能，應(yīng)選擇在540～560℃高溫回火?；鼗饻囟冗^高、過低都會(huì)使堆焊層的硬度降低。這是因?yàn)闇囟冗^高，馬氏體的分解和碳化物的聚集加劇；溫度過低，彌散強(qiáng)化作用不充分。合理的回火溫度輔以充分的回火時(shí)間，回火后堆焊層的金相組織為回火馬氏體+碳化物。

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(shí)爐內(nèi)初始溫度應(yīng)在支承輥預(yù)熱溫度或?qū)娱g溫度要求范圍內(nèi)。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(chǎn)生新的應(yīng)力，也應(yīng)緩慢冷卻。待支承輥逐漸冷卻至50℃以后，才可以出爐，自然冷卻至室溫。同時(shí)確保降溫過程中輥身端部邊緣部位和中間部位溫度的一致性，避免端部邊緣部位的急劇冷卻引起的硬度差異。

2.1.6 支承輥輥頸保護(hù)

回火過程中必須保護(hù)軸頸。不能因?yàn)闊崽幚磉^程的溫度影響軸頸。一旦溫度影響軸頸會(huì)使軸頸表面產(chǎn)生氧化，影響該部位的形位公差，甚至因軸向彎曲使同心度嚴(yán)重超差。由于支承輥重量大，堆焊時(shí)間長，始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，故必須對(duì)輥?zhàn)觾蓚?cè)軸頸進(jìn)行保護(hù)。鍛造軸套2件(?900/400 mm×300 mm)，按軸頸尺寸進(jìn)行車加工，加工后裝配在輥?zhàn)觾蓚?cè)軸頸并固定，不允許輥套串動(dòng)。

2.2 堆焊工藝

堆焊工藝參數(shù)見表3。根據(jù)輥面著色檢測和超聲檢測情況對(duì)輥面進(jìn)行車削加工(?1436 mm)，確認(rèn)無裂紋、氣孔等影響堆焊的缺陷。

堆焊分打底層、過渡層、工作層。打底層設(shè)計(jì)兩層，單邊約7 mm。過渡層設(shè)計(jì)兩層，單邊約7 mm。工作層需根據(jù)修復(fù)要求對(duì)輥面進(jìn)行多層堆焊。中間堆焊20～30 mm后必須熱處理，直至輥面直徑達(dá)到協(xié)議要求。堆焊前對(duì)焊絲、焊劑進(jìn)行200℃、保溫2 h烘干。

第1次封爐熱處理：加熱至>200℃保溫4～6 h，加熱至>300℃保溫5～10 h，加熱至>400℃保溫5～10 h，加熱至>560℃保溫20～30 h，爐冷至<400℃開爐進(jìn)行第1次堆焊，用司太立?4 mm、108焊絲+260焊劑焊兩層打底層，再用司太立?4 mm、107M焊絲+260焊劑焊兩層過渡層，硬面用254焊絲+260焊劑焊至?1491 mm×2090 mm。

第2次封爐熱處理：加熱至>200℃保溫4～8 h，加熱至>400℃保溫10～14 h，加熱至>560℃保溫8～12 h，爐冷至<400℃開爐進(jìn)行第2次堆焊，用司太立254焊絲+260焊劑焊至?1545 mm×2075 mm。

第3次封爐熱處理：降溫至200℃保溫5～9 h，加熱至>300℃保溫8～10 h，加熱至>400℃保溫8～10 h，加熱至>560℃保溫5～8 h，爐冷至<400℃開爐進(jìn)行第3次堆焊，用司太立254焊絲+260焊劑焊至?1594.5 mm×2065 mm。

(a)低倍(b)高倍

圖1 堆焊層金相組織

Figure 1 Metallographic structure of overlay

第4次封爐熱處理：加熱至>200℃保溫6～8 h，加熱至>300℃保溫6～8 h，加熱至>400℃保溫8～10 h，加熱至>560℃保溫8～10 h，爐冷至常溫。

堆焊面必須平整，無裂紋、氣孔等缺陷。堆焊層組織致密，無缺陷，質(zhì)量穩(wěn)定。典型堆焊層組織見圖1。

表4 0764#支承輥硬度檢測結(jié)果(HSD)

3 堆焊軋輥的硬度及工業(yè)應(yīng)用

堆焊軋輥硬度見表4?？梢钥闯?，堆焊表面硬度為61～63HSD，符合要求。

修復(fù)支承輥?zhàn)?012年9月份第1次上機(jī)使用以來，共在R3下輥工位使用10次，具體見表5。磨損結(jié)果顯示，在正常的換輥周期下，0764#支承輥相對(duì)磨損在0.2～0.4 mm之間，與普通輥處于一致水平。

4 結(jié)論

(1)確定了各堆焊層焊絲材質(zhì)，其中工作層焊絲成分為Cr5Ni3Mo3，打底層為20CrNiMo。

(2)車削加工須去除輥面殘余疲勞層，預(yù)熱溫度、層間溫度及焊后熱處理溫度應(yīng)高于母材及堆焊材料的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，堆焊過程須采用軸套對(duì)支承輥輥頸進(jìn)行保護(hù)。

(3)堆焊修復(fù)的支承輥，可滿足2050生產(chǎn)線的R3、R4機(jī)架的使用需求，堆焊輥毫米過鋼與普通支承輥相當(dāng)，推廣應(yīng)用支承輥堆焊修復(fù)技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1] Yang J，Yang Y L，Zhou Y F，et al. High-alloy martensite in the surfacing layer of hot-rolling supporting rollers during the tempering process. Surface and Coatings Technology，2013， 219: 69-74.

[2] Wang G，Chen J K，Shang S，et al. Numerical simulation on final heat treatment process of Cr5 forged backup roll steel. Transactions of Materials and Heat Treatment，2014，35(6)：195-201.

編輯 杜青泉

Research on Overlay Repair Welding Process of Backup Roll for Hot Strip Mill

Fu Dingmei，Wang Changan

Through the analysis of roll base material, the appropriate surfacing material was selected in this paper. Special fixture for surfacing of the backup roll was developed, and the type of submerged arc welding machine was determined with the welding process. The welding process and heat treatment process were determined and optimized by simulating the roll′s production and testing. Two backup rolls were overlay repaired through different phases.

backup roll, overlay repair process, wear resistance

2016—12—13

符定梅(1974—)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事材料加工工程技術(shù)研究。

TG45

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