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轧辊堆焊制造说明书


一、绪论
1.1 概述
堆焊法为制造热轧辊开辟了一条新途径。轧辊堆焊是用焊接方法在轧辊表面上堆敷一层具有一定 性能材料的工艺过程。轧辊堆焊的费用很低。而使用性能往往比新轧辊还高。据了解,堆焊旧轧辊的 费用仅为新轧辊费用的30%,而轧制金属量却比新轧辊提高了3-5倍。轧辊的堆焊过程须有严格的工艺 规范和操作规程,配以适当的焊接材料,以保证所堆焊出的轧辊有很好的红

硬性,高温耐磨性和较高 的冲击韧性。因此轧辊堆焊技术为轧辊生产中降低轧辊消耗、提高轧辊使用寿命提供了可能,由于轧 辊辊芯材料的多次反复使用,大大节约了金属合金材料,充分合理地利用了资源,符合国家要求的再 制造工程理念,具有较好的社会效益。 热轧辊是钢铁企业轧钢设备上的关键零件。不仅其消耗量大,费用昂贵,而且轧辊材质的好坏、 使用寿命的长短直接影响轧机的作业率、产品的产量和质量、最终将直接影响到单位轧辊的消耗及轧 材成本。因此,提高轧辊的使用寿命,是轧钢生产中提高生产效率,实行增产节约,降低消耗的措施 之一。因此,如何提高轧辊的使用寿命,成为降低产品成本的一个重要途径。轧辊堆焊作为轧辊的一 项先进技术,具有如下优点: 1.堆焊后的轧辊使用寿命普遍提高一倍以上。 2.极大的降低了吨钢成本,提高了生产效率。 3.堆焊后的轧辊具有良好的抗裂性、耐磨性、耐冷热疲劳性。 我国冶金轧辊堆焊技术在堆焊材料、堆焊工艺技术、堆焊设备以及应用范围等诸方面和国外先进 技术相比,并不落后处于同一水平。较全面而完整的冶金轧辊堆焊技术应包括所采用的堆焊材料(堆 焊合金)堆焊方法、相应堆焊工艺和堆焊设备及制造条件等几个方面。 在轧制生产中,轧辊与所轧金属直接接触,使金属产生塑性变形,是轧机的主要变形工具。轧辊 是轧机大型消耗性不见,在整个生产过程中轧辊因磨损而消耗的部分约占轧辊总重量的10%-20%,而 大量的轧辊消耗是由于修复过程中局部缺陷而导致报废的。堆焊工艺制造新轧辊或修复旧轧辊工艺较 传统轧辊制造工艺要简单快捷再有在生产应用中具有可多次修复应用的优点另外以堆焊复合制造高强 度高韧性的高耐磨耐高温的钢质轧辊来替代易断损不易修复的铸铁类轧辊其技术优势可观的效益目前 已在轧钢企业中逐渐推广应用。是目前国内轧辊制造与钢铁企业使用轧辊的发展方向。

1.2 焊接工艺评定报告(见附表)
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二、轧辊堆焊制造工艺
2.1 轧辊堆焊材料选择
轧辊种类繁多,其使用状态、工作要求均不同,所以应使用不同的材料进行堆焊,才能满足不同 的使用要求。但要求堆焊后的效果是一致的,即较高的强度、良好的耐磨性能,较好的抗剥落性能和 适中的表面硬度。就目前轧辊堆焊来说.堆焊材料的选取一般分为两大类,一类为修复废旧轧辊的堆焊 材料,即单纯为了恢复和修理轧辊,使之达到原始尺寸;另一类为耐磨堆焊材料.即在堆焊工作中,主 要考虑使轧辊表面获得较高的硬度,有足够的耐高温、耐磨损、耐冷热疲劳等性能的堆焊金属,同时 也起到了恢复轧辊尺寸的作用。

2.1.1 基体材料的选择 轧辊堆焊就是在具有一定强度和韧性的廉价的辊芯材料上堆焊一层硬的、耐磨的、耐疲劳的金属 材料,从而形成一种新型的复合轧辊。辊芯材料的选取原则主要是为了最大程度地承受扭转和弯曲应 力,减少断辊事故的发生。根据工艺水平和制造成本,选用堆焊母材采用Q235钢,属低碳钢,其化学 成分、机械性能对比见表2-1。轧辊直径D为υ279mm-υ465mm,长度为810mm,形状见图2-1。

图2-1

热轧辊形状(材料Q235钢)
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表2-1 轧辊 材质 Q235 钢 C 0.14-0.22 化 Mn 0.3-0.65 学 成 Si ≤0.3

Q235钢化学成分、机械性能对比 硬度 分(%) P ≤0.045 S ≤0.05 强度(MPa) σb 375-460 σs 235 塑性(%) (HB) δ 25-27 Ψ 60 HB 150

2.1.2 焊丝材料的选用 焊丝是直接影响堆焊金属的化学成分、组织和性能的一个最主要的因素。我组轧辊堆焊的主要目 的就是提高轧辊的耐磨性,即提高轧辊的耐磨、耐热疲劳、耐高温冲击性能,并修复轧辊尺寸。再考 虑到基体材料的焊接性,应选用与基体具有相近的膨胀系数的焊接材料,以减少堆焊难度和避免焊接 缺陷的产生。 焊丝因加Cr、Mo、W、Si等元素,使其性能大大提高。W、Mo、V在合金中能形成稳定的碳化物 并能降低碳在合金中的扩散速度,使碳化物在高温下易分解和集聚,因此合金在高温时仍能保持较高 的硬度和耐磨性。Cr的主导作用在于强烈提高淬透性和高温抗氧化能力。保持中碳的含量,一方面保 证钢具有一定的韧性,另一方面能承受一定的冲击载荷.因而3Cr2W8V、3Cr13都是良好的轧辊堆焊 材料。采用药芯焊丝技术,又使其性能有一定的提高。焊丝使用前,应仔细除油.除锈,防止堆焊过 程中气孔的产生,必要时,应用丙酮清洗。 根据这些原则,我选用了3Cr2W8V实芯焊丝作为堆焊材料进行试验,焊丝直径d为υ3.2mm,其化 学成分见表2-2。
表2-2 焊 丝 3Cr2W8 V 3Cr2W8V焊丝的化学成分 化 C 0.30-0.40 Si ≤0.35 Mn 0.20-0.40 S ≤0.03 学 成 P ≤0.03 分/% Cr 2.20-2.70 Ni W 7.5-9.9 V 0.20-0.50

选择焊丝除了考虑具有合适的化学成分外.焊丝还必须满足以下要求: 1) 焊丝直径在整个长度方向上允许偏差须符合表2-3的要求;
表2-3 焊丝直径允许偏差 焊丝直径(mm) 允许偏差(mm) 1.0-3.0 0.06-0.12 3.5-6.0 0.08-0.16 6.5-10.0 0.10-0.20 12 0.12-0.24
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注:焊丝的椭圆度不准超过直径公差的0.75倍。

2)焊丝中C, S, P的含量应符合标准; 3)焊丝表面无氧化物、油污等; 4)焊丝应呈卷装,没有角度弯曲。

2.1.3 焊剂材料的选用 焊剂在堆焊过程中能起到双重作用,它能使熔融金属的熔池与空气隔开,并使熔融的熔剂与液态 的熔融金属在电弧热的作用下起化学反应,向焊缝层过渡金属元素。焊剂的选择主要考虑以下几方面 要求: 1) 焊剂应能保证堆焊层的正常成型; 2) 焊剂应能促进堆焊层得到所需要的化学成份、内部组织及机械性能; 3) 焊剂的烧损应该最小; 4) 焊剂应能保证堆焊层金属不产生气泡; 5) 焊剂应能提高电弧燃烧的稳定性; 6) 焊剂凝结后所生成的熔渣,应容易从堆焊层金属的表面脱落; 7) 焊剂在熔化时,不应发出对人体有害的气体: 8) 焊剂应具有小的吸湿性,即吸收潮气的能力应该小; 9) 焊剂的颗粒应当结实,以便在运输中保持原有颗粒大小。 埋弧堆焊所用的焊剂按制造方法分为熔炼焊剂和非熔炼焊剂(烧结焊剂)两大类。 熔炼焊剂是将各种矿物性原料按配方比例混合配成炉料,然后在电炉内加热到1300℃以上熔炼成 流动性很好的红色熔渣,然后出炉经过水冷粒化、烘干、筛选而制成的焊剂。熔炼焊剂采用的原料主 要有锰矿、硅矿、铝矾土、镁砂、萤石、生石灰、钛铁矿等矿物性原料,另外还加入冰晶石、硼砂等 化工产品。由于熔炼焊剂制造中要经高温熔化原料,所以焊剂中不能加碳酸盐、脱氧剂和合金剂,制 造高碱度焊剂也很困难。而且,熔炼焊剂经熔炼后不可能保持原料的原组分不变,所以,熔炼焊剂实 质上是各种化合物的组合体。 熔炼焊剂多用于自动埋弧焊接低碳钢、低合金钢。配用合金钢焊丝,也可用于低合金钢、高合金 钢埋弧自动焊接或堆焊。熔炼焊剂在埋弧焊接或堆焊过程中对熔化金属只有保护作用,几乎没有过渡 合金的作用。
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根据以上要求,选取熔炼焊剂HJ-260。HJ-260焊剂价格便宜,性价比高,是一种低锰高硅型自动 焊剂,呈灰色玻璃状颗粒,粒度为0.26-2mm(10-60目)。采用直流电源,焊丝接正极。其主要优点是: 电弧燃烧稳定,容易脱渣,堆焊焊缝形成好。但堆焊前,焊剂须在300℃左右恒温干燥箱中烘焙1-2h, 其化学成分见表2-4。因焊剂有一定的吸水性,使用前必须对焊剂进行烘焙。
表2-4 HJ-260焊剂化学成分 熔炼 焊剂 HJ-260 SiO2 29-34 MnO 2-4 MgO 15-18 化 学 CaO 4-7 成 CaF2 20-25 分/% Al2O3 19-24 FeO ≤1 S ≤0.07 P ≤0.07

2.2 堆焊方法的选用
选择埋弧自动堆焊: 目前在国内外冶金行业使用的堆焊技术有喷镀、气体保护焊、埋弧焊、电渣焊,其中轧辊埋弧焊 是应用最广泛的工艺,具有生产效率高、质量好、经济效益较好的优点。埋弧焊法:埋弧焊是在一定 大小颗粒的焊剂层下,由电极与被焊金属之间产生放电而形成电弧和高热,使电极的端头和被焊金属 熔化凝结,来完成金属的焊接。早在六十年代,埋弧焊就以其特有的优点进入轧辊的修复和制造业中, 并且是目前最常用的方法主要原因是:此方法堆焊质量好、效率高,而轧辊的形状也适合埋弧焊。原则 上,埋弧焊工艺为把金属堆焊到辊芯表面提供了一个简单而又有效的手段,或者采用螺旋状的,或者 采用一道压一道的方法,逐步堆成多层并形成具有所希望的成分和性能的表层。埋弧焊的主要技术要 求是: 1) 高熔敷速度(每小时最少20kg) ; 2) 焊后基体及焊层没有明显的缺陷; 3) 均匀的焊道金属和热处理性能的一致性; 4) 满足工件所要求的力学机械性能。 到目前为止,埋弧焊技术已用于轧钢厂中所有钢质的辅助辊和辊道辊(包括下卷取夹紧辊、某些炉 辊、传送辊以及钢板矫直辊等),所带来的经济效益及劳动生产率的提高等优点已得到了众多厂家的证 明。埋弧堆焊修补或制造辊子的技术在初轧机工作辊、热带钢轧辊及精轧机工作辊上应用比较成熟, 并均己投入工业生产.除了大型冷轧辊外,自动埋弧焊几乎遍及冶金企业所有轧辊的修补和制造,熔敷 速度最大可达30/kg·-1以上,表面硬度最高可达HRC60以上。此处采用单丝埋弧焊,查表取熔敷速度 h 为9/kg·-1。 h
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轧辊自动埋弧堆焊的基本原理和一般自动埋弧焊接的相同,所用的设备一般均为自动埋弧焊的设 备。在自动埋弧堆焊的过程中,堆焊电弧在通有电流的堆焊工件和金属焊丝之间燃烧,堆焊工件和金 属焊丝在堆焊电弧的高温作用下被局部和全部熔化.为了保护熔融的液体金属免受空气中的有害气体 影响,以及为了保存堆焊电弧的热量和防止金属的飞溅,采用了颗粒状的焊剂。即用一层一定厚度的 焊剂覆盖在堆焊区上,堆焊电弧又使颗粒状焊剂部分熔化,并使堆焊电弧在有熔化了的焊剂所形成的 弹性外壳的空间中燃烧,这个弹性外壳将可靠地将堆焊熔池隔绝于空气。轧辊自动埋弧堆焊方法示意 图见图2-2。

图2-2

轧辊自动埋弧堆焊方法示意图

金属焊丝1以一定的速度连续、均匀地供给堆焊电弧5,并在堆焊电弧的高温作用下均匀地融化。 金属熔滴通过堆焊电弧与钢轧辊6的熔融金属相混合,并形成堆焊熔池7。在熔融金属冷却结晶后得到 焊渣壳8和未熔化焊剂9覆盖而成的堆焊金属10。堆焊时,由于钢轧辊的回转,未熔化的焊剂落入回收 箱,以便回收再用。己冷却的焊渣壳则在钢轧辊部分重新接近堆焊电弧以前必须被清除掉。金属焊丝 成圈地放置在附近的焊丝盘中,通过自动埋弧焊机的送丝机构,连续、均匀地送入堆焊电弧。

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2.3 轧辊堆焊的转动方式及焊接设备
2.3.1 转动方式 采用轧辊转动,焊枪静止,图2-3为其工作图。

图2-3

轧辊埋弧堆焊工作图

2.3.2 焊接设备 主要包括:堆焊设备、预热及焊后热处理炉、机加工设备、产品的质量检测仪器。

2.3.2.1 堆焊设备 目前国内冶金轧辊堆焊专用设备已形成系列装备。按堆焊轧辊承重能力小的有可承重5-10t的,最 大的有可承重80-100t以上的大型轧辊专用堆焊设备;按堆焊轧辊的外形尺寸分,最长堆焊工件长度可 达18m(堆焊无缝管厂连轧管机芯棒),最大堆焊工件直径则可达1.5-2 m(大型热轧支承辊)。 轧辊自动堆焊专用设备从整机系统来看通常主要由4 大部分组成: 1. 设备主体。包括轧辊(工件)转动及支承系统、焊接机头轴向移动系统、机头垂直升降系统、机头 导前距离调整机构、机头(前后和左右倾)斜角度调整机构、机头摆动机构、主机架、横梁及相应 结构件。 2. 焊接系统。包括焊接电源、焊接机头、机头焊接控制箱、机头摆动控制箱、单丝(带)焊枪(双丝
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焊枪)等。 3. 控制系统。包括主控制台(含PLC控制)、主轴驱动变频调速控制、机头轴向移动伺服控制、机头 升降驱动控制、保温装置加热及温控系统、焊剂送给与回收电控系统等。 4. 辅助系统。包括轧辊(工件)加热与保温装置、焊剂送给与回收系统、除尘系统等。 2.3.2.2 预热及焊后热处理炉 轧辊焊前预热及焊后热处理炉目前都尽可能选用电炉,这是由于焊后热处理对炉温的准确性及均 匀性有一定的要求(± 10℃)。 预热温度320-410℃,热处理最高温度600℃即可。若因电力容量紧张, 扩容受限,也可选用燃气炉,但必须保证温度准确可控。预热及焊后热处理炉可根据所堆焊轧辊的规 格、重量以及批量等来配置。

2.3.2.3 机加工设备 机加工设备主要指通用车床、轧辊车床和磨床,分为粗加工和精加工。其规格能力一般按待加工 堆焊轧辊规格和重量来匹配选购。

2.3.2.4 产品的质量检测仪器 针对轧辊堆焊,需配备以下检测器具:超声波探伤仪、磁粉探伤(着色探伤)仪、手持硬度计、 手持接触式测温仪、轧辊尺寸测量器具等。

2.4 堆焊工艺
严格执行正确的轧辊堆焊工艺,是保证轧辊堆焊质量的好坏及成功与否的决定性因素。轧辊堆焊 工艺路线见下图 2-4:

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图 2-4 轧辊堆焊工艺路线

2.4.1 轧辊堆焊前的车削加工 轧辊使用后,由于严重的热磨损、热疲劳,致使孔型表面凹凸不平并有网状龟裂,称为疲劳损伤 层。为了保证轧辊堆焊层质量,提高轧辊堆焊效率,在堆焊前必须做好轧辊的表面清理及内部探伤工 作,尤其各种裂纹要彻底清除。对于环裂较深处,采取局部车削,在车削中如发现个别的深孔沙眼, 就需用电钻将沙眼钻深、扩大,再用手工电弧焊补焊。轧辊堆焊前车削加工的原则是消除轧辊表面的 任何缺陷, 对于新轧辊来说则应根据图纸尺寸将轧辊直径车小倒8-12mm, 以保证堆焊层的厚度。 另外, 在堆焊前车削加工中还应当考虑在堆焊过程中防止熔渣被卡住的问题,所加工部分不应存在锐角。不 允许车削后的轧槽有较薄部分,防治轧槽在堆焊过程中出现局部过热。 轧辊堆焊中由于采用3Cr2W8V实芯焊丝作为堆焊材料,堆焊后的切削加工时刀具极易磨损和受到 破坏。因此,堆焊轧辊粗加工时,采用硬质合金刀具,磨刀时取负角约5° 。机床转速约10r/min,吃刀 量适当减少。

2.4.2 轧辊堆焊前的预热 堆焊前的预热是防止焊层出现裂纹的最有效的措施。它能减小堆焊层金属的冷却速度,减少堆焊 层金属的结晶偏析,增加结晶的间隔时间,减少热应力的产生以及避免堆焊层金属产生结晶裂纹等。 在轧辊预热后能减慢堆焊时冷却速度, 可使基体金属在马氏体相变临界温度以上进行比较充分的分解, 它能避免堆焊层金属的马氏体相变,防止堆焊焊缝热影响区的裂纹产生。 轧辊的预热时间,主要包括加热时间和保温时间。所谓的加热时间,是使轧辊在一定的加热速度 下, 自常温加热到一给定温度所需要的时间;所谓的保温时间,是指轧辊表面加热到一定温度,在这
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个温度下继续加热一定时间,使轧辊各部分温差尽量减小。 轧辊的预热时间通常由以下经验公式计算: τ= W×K 式中: τ--轧辊的预热时间(min); W--与被加热物体的形状和尺寸有关的几何指数(cm); 当加热轧辊时: W=D× L/(4L+2D ) 式中: D--轧辊直径(cm); L--轧辊辊身长度(cm) ; K--加热条件的综合物理因素(min/cm); 预热温度为320-410℃时,通常K=26 min/cm。 堆焊过程中应控制预热及层间温度高于Ms点,避免堆焊金属发生马氏体相变及淬回火效应,应使 整个堆焊层焊完之后在热处理电炉中同时进行马氏体转变,只有这样才能保证堆焊层的组织、硬度均 匀性。在预热过程中:要求预热升温速度为65-93℃/h(温度<260℃ ;35-65℃/h)。预热保温时间按辊 直径方向0.0833-0.166 h/cm(0.25-0.5 h/英寸) 来确定(具体时间取决于辊母材和堆焊金属合金成分),原则 是确保辊坯从外到里热透。 辊芯的预热,原则上要求必须在电炉内进行。对于预热温度及层间温度要求不高的冶金轧辊,也 可在堆焊设备上边旋转边用火焰加热。 (2-2) (2-1)

2.4.3 轧辊堆焊 埋弧堆焊是轧辊堆焊最关键一环是堆焊。埋弧堆焊主要涉及堆焊规范参数和堆焊操作规程。 堆焊过程必须连续施焊,中途不允许停止。如遇意外情况停焊时,在层间温度保温装置不能保证 轧辊层间温度时,应尽快进炉按预热温度要求保温。 进行圆周方向螺旋线堆焊时,为防止在辊身两端出现“缺肉”现象,在辊身的两端即始焊部位和终 焊部位,均应先沿圆周方向堆焊一周(即在不移动堆焊机头的情况下堆焊一周),然后再进行螺旋线 堆焊。同时为保证各堆焊层间硬度的均匀性,要求堆焊时应使各堆焊层间的焊道位置相互错开1/2 焊 道宽度。 对υ3.2 mm实芯焊丝当采用自动埋弧堆焊时,要求:焊接电流为280-320A; 焊接电压为30-32V; 焊接速度为550-650 mm/min (指轧辊堆焊层转动圆周线速度);焊接极性采用直流正接;焊接电源特
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性采用具有弧压反馈的下降外特性。焊丝干伸长是焊丝伸出枪嘴的长度,合适的焊丝伸出长度应为焊 丝直径的10-12倍,焊丝的干伸长太短,就会因为焊枪喷嘴与工件距离近而增加飞溅金属堵塞喷嘴,焊 丝的干伸长太长, 则会增加飞溅、 引起焊接不稳定。 焊丝直径为υ3.2mm, 所以, 焊丝干伸长为32-38mm。 2.4.3.1 堆焊规范参数 堆焊规范参数包括:电弧电压、电流、送丝速度、堆焊速度、堆焊螺距等。这些参数应根据轧辊的 种类、材质及技术要求,不同的焊丝和焊剂,经实验后确定。合理的堆焊规范应能达到:有较高的堆焊 溶敷效率,堆焊层间有足够的结合强度,无裂纹、夹渣和其它焊接缺陷,且易于脱渣等。试验过程中 的预定堆焊规范可按以下经验公式计算确定: 1) 堆焊电流 堆焊电流与焊丝直径之间存在一定关系: I = (85-110) ×d 式中 d一一焊丝直径(mm) (2-3)

因为d=υ3.2mm,根据公式(2-3),堆焊电流范围:280-320 A。 2) 电弧电压 在选择电弧电压时,主要考虑堆焊电流,可按下式计算: V= (0.02-0.04) × I + 20 根据上式,结合堆焊电流范围,得到电弧电压范围:30-32 V。 3) 堆焊速度 轧辊堆焊时的轧辊转速是根据轧辊的线速度及轧辊直径大小确定。一般情况下,堆焊速度以2442m/h较为合适,碳素钢焊丝取中下限,合金钢焊丝取中上限。轧辊转速可由下面公式求得: n=V线 / (π × D) 式中 n一一轧辊转速(r/min); D一一轧辊直径(mm); V线一一轧辊线速度(mm/min)。 取V线=580 mm/min,根据辊径的不同,轧辊转速分别为n1=0.45r/min,n2=0.66r/min,n3=0.40r/min 4) 堆焊螺距 堆焊时相邻焊缝彼此重叠1/3左右,堆焊螺距可根据焊丝直径按下式选取: S=(l.9-2.3) ×d (2-6)
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(2-4)

(2-5)

式中

S一一堆焊螺距(mm/rap); d一一焊丝直径毫米(mm)。

S=6.08-7.36 mm/rap 5) 焊丝倾斜位置 为防止液态金属和熔化的焊剂流失,延长熔渣冷却凝固时间,便于除渣,焊丝必须相对于轧辊中 心向其旋转反方向后移一距离,叫后移量,用K表示,K=0.08D,焊丝对正轧辊中心,倾角为6-8° 。 6) 堆焊电流的种类和极性 为了保证轧辊堆焊质量一般要求采用直流焊机,采用直流反接堆焊时,焊缝熔深最大;采用直流 正接(焊丝接负极,焊件为阳极)时,不存在“阴极清理作用”,焊缝的熔深最小,焊丝的熔敷率最高。此 处采用直流正接。具有下述特点:改善熔合比,提高焊缝性能,焊件产生的热量大、温度高,因此熔 池深而窄,生产率高,同时焊件的收缩和变形均较小。 7) 熔合比 熔合比是指熔焊时,被熔化的母材部分在焊道金属中所占的比例。在焊缝中,母材金属熔合比的 增加, 意味着熔池中母材金属所占的比例增大, 填充金属元 素被稀释, 从而改变焊缝的成分, 组织性能以及形貌。 因而, 测定对接焊缝熔合比的大小可以为异种材料或复合板焊接 时焊接工艺参数以及焊接材料的选择提供一定的依据, 具有 重要的意义。公式为γ= (Fb1+Fb2)/Fw 。 图2-5是熔合比的示意图。图中,由于存在横向收缩变 形,所以母材有一部分重叠。 图2-6所示, 随着焊丝伸出长度的变化, 焊接电流也 随之变化。当伸出长度增加时,焊接电流减小,电弧功 率降低, 熔合比减小。 同时, 随着焊丝伸出长度的增加, 焊丝产生的电阻热增加,因而增加了焊丝的熔化量,也 减小了熔合比。

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2.4.3.2 堆焊操作规程 平面轧辊的堆焊: 平面轧辊的堆焊是轧辊自动埋弧堆焊中最普遍最方便的一种。一般按螺旋线堆焊三层以上,第一 层自左向右堆焊,第二层则需自右向左堆焊,第三层同第一层方向,以后各层依次类推。堆焊的尺寸 要求除了实际的堆焊量外,还需包括加工余量、焊缝的热胀冷缩的余量,一般为4mm。但在实际生产 中,当堆焊到轧辊边缘时,会发生焊剂托不住、熔渣及液体金属流失等现象,造成堆焊焊缝淌瘤。可 采用图2-7的方法杜绝此问题的发生。

图2-7

平面轧辊辊身边缘堆焊-加金属软管法

它是采用几根直径大小不同的金属软管,在轧辊辊颈处重叠起来,拖住熔融的焊剂和液体金属, 但金属软管的重叠高度不能超过轧辊辊面,一般低于辊面3-5mm。堆焊引弧的位置定在距离轧辊端面 3-5mm处,这样堆焊焊缝正好保住轧辊边缘。

2.4.4 堆焊保温(层间温度) 轧辊堆焊时的层间温度一般保持在接近预热温度,通常认为层间温度应保持在堆焊材料的Ms点温 度以上。堆焊过程中为保证预热温度不下降,堆焊机床设置有带电热体保温装置。 堆焊层温度应保证在材料的Ms点温度以上,堆焊材料的Ms点温度可依据下面经验公式推算。 Ms=747-63(%C)-72(%Mn)-63(%V)-36(%Cr)-31(%Ni)一18(%Mo)-9(%W)+27(%Co)+54(%Al) (2-7) 所以取层间温度为420℃。
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2.4.5 焊后缓冷和热处理 为了减少堆焊后所引起的残余应力,避免产生裂纹,焊后应先保温,然后再装炉进行热处理。尽 管堆焊材料有所不同,但其消除堆焊残余应力的退火温度(或称回火温度)多在500-600℃之间选取。轧 辊回火工艺曲线如图2-8。保温时间通常为每25.4mm的辊子直径,保温0.5-1h,而缓冷制度,大部分采 用随炉缓冷,当辊温降到100℃以下时出炉空冷。根据轧辊堆焊后出现的质量问题分析,有相当一部分 是由于焊后热处理工序不当而引起的。

图2-8

轧辊回火工艺曲线

焊后热处理的主要目的是为改善焊后组织和消除焊接应力,同时使碳化物能够在基体组织上弥散 析出,从而形成二次硬化,进一步提高轧辊堆焊工作层的硬度和耐磨性。 堆焊轧辊的焊后热处理应在专用的热处理电炉中进行,要求炉内温度均匀性(± 10℃)好,温度测 定准确,控温过程精确。 1.轧辊堆焊完毕后,在保持层间温度的情况下,应使轧辊在专用堆焊设备上(同时旋转),保持 1-2h,目的是使轧辊温度均匀化。 2.之后,使轧辊缓冷至至少比堆焊金属Ms温度低37.8 ℃左右的温度,保持几个小时,使得轧辊芯 部和外部温度均匀一致。此过程要求降温速度在37.8℃/h 左右。轧辊缓冷方式可采用保温材料包裹或 放进珍珠岩坑缓冷,推荐最好进密闭的电炉中进行。 3.在热处理电炉对堆焊轧辊进行回火处理时升温过程中为保证温度均匀升温速度要缓降温过程中 为防止产生新的应力也应缓慢冷却。

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2.4.6 热处理后检查机加工和成品检测 控制工艺规范,严格操作过程,将获得较满意的堆焊效果。堆焊轧辊经回火、冷却后即可转人加 工,一般加工在轧辊车床上进行。 对经过焊后回火热处理后的堆焊轧辊进行粗加工,然后进行半成品检验,包括超声波探伤、硬度 检查、外观检查、几何形状及粗加工尺寸检查等。堆焊层的着色探伤(PT) 或磁粉探伤(MT)检查 在轧辊最终机械加工完成后进行。

2.4.6.1车削 对焊后热处理过的堆焊层,先用合适的合金刀片,经过粗,精加工能获得满意的效果。

2.4.6.2 成品检验 (1)外观检验用放大镜对轧辊表面进行检查,不得有夹渣、气孔裂纹等焊接缺陷。 (2)对加工好的辊子进行超声波探伤,不允许存在裂纹,其它缺陷不得大于2mm。 (3)堆焊层成分测定 a)成分分析试样制取 ? 取样部位应与堆焊层始端或终端距15mm以上,并且与基体属相距5mm以上; ? 取样工具采用电钻,取样前须将钻头擦洗干净; ? 对堆焊试样的第一层、第二层、第三层分别制取化学分析样。 b)成分分析方法按GB223, IS09556, IS04935标准进行化学成分分析。 (4)硬度值测定(常温硬度值测定) a)试样制备 依据GB/T230-91,用线切割机将五种堆焊材料切成lOmm× lOmm× lOmm的硬度样。 b)实验设备 HB-3000型布氏硬度计。 c)实验步骤 ? 测量堆焊材料在空冷状态下的硬度值; ? 测量堆焊材料在500℃, 520℃, 540℃, 560℃,保温5小时状态的硬度值; ? 测量堆焊材料在560℃,保温时间分别8小时、16小时状态下的硬度值; ? 测量堆焊材料在580℃, 600℃,保温5小时状态下的硬度值。
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三、堆焊工艺参数的确定
合理确定轧辊对焊工艺参数的基本要求是:电弧燃烧稳定、堆焊焊缝成形良好、电能消耗最少、 生产效率高。

3.1 轧辊的预热温度及预热时间
轧辊堆焊的预热温度可根据焊丝的含碳量确定,如图3-1所示:

图3-1

轧辊堆焊的预热温度

3Cr2W8V焊丝中含有较多的易形成碳化物的Cr、W元素,在高温下有较高的强度和硬度,即使 在600° C的工作条件下,表面硬度能达到33HRC。为了得到较细密的内部组织,应采用较低的预热温 度。 但预热温度不能过低, 如果预热温度过低不可避免地会产生裂纹。 参考图3-1,根据焊丝的化学成分, 结合堆焊轧辊的实际情况,确定了堆焊时轧辊的预热温度为320-410℃。 根据轧辊直径为279-465mm,长度为810mm,参考图3-1和堆焊预热时间公式(2-1)、(2-2), 确定了堆焊时轧辊的预热时间为5h。

3.2 焊后热处理保温时间
回火处理时间与轧辊直径的大小有关,轧辊直径越大,对应的回火时间应越长。保温时间通常为 每25.4mm的辊子直径,保温0.5-1h,根据辊子的三段中的最大直径,计算出保温时间为10-12h。

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3.3 堆焊工艺参数的确定
采用3Cr2W8V焊丝堆焊热轧辊的工艺参数见表3-1。
表3-1 焊丝直径 /mm 3.2 HJ260 直流正接 280-320 30-32 焊 剂 电源极性 采用3Cr2W8V焊丝堆焊热轧辊的工艺参数 堆焊电流/A 电弧电压/V 送丝速度 /m· -1 min 1.3-1.6 堆焊速度 /mm· -1 min 550-650 堆焊层厚度 /mm 3.5-6.5

3.4 堆焊层成分分析
轧辊堆焊层金属的化学成分,对于轧辊在轧制过程中的耐磨、耐热疲劳、耐高温冲击等性能起着 决定性的作用。只有通过对堆焊层金属的化学分析,才能使我们进一步了解堆焊层的内部质量能否达 到使用要求,找出薄弱环节,改进堆焊工艺。 当采用埋弧自动堆焊的方法时,可得到这样一个结论:随着堆焊层层数的增加,合金元素含量越来 越接近焊丝中该合金元素的含量,但始终不可能与焊丝的化学成分相同。另外,在轧辊堆焊第一层中 含碳、锰量的数值要接近母材原始含量,随着堆焊层层次的增加,在堆焊层金属中,含碳、锰量逐渐 增多。由此可见,在采用合金焊丝自动堆焊时,为了要得到需要的堆焊层金属成分,使轧辊堆焊层表 面达到预期的使用要求,必须使轧辊工作表面处于堆焊层第三层以上。这一结果为我们选择合理的堆 焊层厚度提供了有利的依据。 对3Cr2W8V焊丝的第一堆焊层、第二堆焊层、第三堆焊层分别进行了成分化验,结果列于表3-2。

表3-2 材 料 C 3Cr2W8V焊丝 第一层 堆焊层 第二层 第三层 0.30-0.40 0.16 0.28 0.37

热轧辊表面堆焊工作层的化学成分 化 Mn Si ≤0.35 学 成 Cr 2.20-2.70 1.20 1.80 2.34 分/% Ni W 7.5-9.9 3.70 6.85 7.85 S P

0.20-0.40 0.54 0.41 0.33

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3.5 堆焊层硬度测试结果及分析
硬度是材料抵抗表面局部变形的能力,是目前唯一可用来反映材料表面耐磨层机械与工艺特性的 物理参数,它是材料化学性质、物理性质和组织特性的综合表现。 保温时间相同,不同的回火温度常温硬度测试结果见下表3-3。
表3-3 回火温度 硬度值(HB) 空 冷 500℃ 446.5 不同的回火温度的硬度试验数据 520℃ 451 540℃ 456 560℃ 493 580℃ 443 600℃ 411

427.5

焊后回火温度对堆焊层金属硬度的一般影响规律是:回火温度高,消除应力效果好,但有可能使 堆焊层的硬度下降,有损于耐磨性;回火温度过低应力消除不彻底、析出过程不充分,同样不利于堆焊 层硬度和耐磨性的提高。 在保温时间相同的条件下, 回火温度在560℃时, 堆焊层金属的硬度达到峰值。 所以,为使堆焊层金属具有较高的硬度又能减少焊接残余应力,回火温度应控制在560℃左右。 回火温度一定,堆焊金属在不同回火时间的硬度试验数据见表3-4。
表3-4 回火时间 硬度值(HB) 不同回火时间的硬度试验数据 5h 493 8h 492 16h 490

回火温度确定后,回火时间的长短对工业性生产至关重要,确定合理的回火时间,有利于提高劳 动生产率。回火处理时间对堆焊层金属的硬度影响不明显。

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四、设计小结 小 结
焊接行业是重要的工业门类之一,对于我国而言,它在整个国民经济的各个部门中发挥了重要的 作用。我们大学生对于焊接行业的认识还是很肤浅的,但是通过这次焊接的课程设计,让我们更多的 了解有关焊接设计的基本知识,更进一步掌握了一些关于焊接设计的步骤和方法,这对我们在今后的 生产实践工作中无疑是个很好的帮助,也间接性的为今后的工作经验有了一定的积累。焊接工艺是个 很专业性、实践性很强的技术,而它的主要内容都是在今后的生产实践中逐步积累和丰富起来的。因 此,我们要学好这项技术光靠书本上的点点知识还是不够的,我们更多的还应该将理论与实际结合起 来,这还需要我们到工厂里去实践。短短十几天的课程设计接近尾声了,总结我们做的课程设计-轧辊 堆焊工艺过程。主要有以下几个要点: (1) 焊前加工:去除疲劳层及裂纹。 (2) 焊前预热:预热温度为320-410℃,同时控制层间温度在420℃ 。 (3) 堆焊过程:选用适当的焊丝及焊剂,采用自动埋弧堆焊,注意焊接规范成型均匀美观。 (4) 焊后缓冷和热处理:热处理宜用560℃回火处理。 (5) 焊后加工及检验。控制工艺规范,严格操作过程,将获得较满意的堆焊效果。 我通过查阅相关手册和书籍和上网搜索期刊论文,结合两者来进行作业。通过这次课程设计,我 对焊接有了初步了解,在没有做课程设计以前,觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结, 但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点片面。课程设计不仅是对前面学过知识的检验,而且也 是对自己能力的提高。 这次的课程设计使我明白了自己的知识还比较欠缺, 自己要学习的东西还很多。 现在我才明白学习是一个长期积累的过程,在以后的工作、生活中都应该不断的学习,努力提高自己 的综合素质和知识。 由于我们焊接的课时较少,焊接知识也较少,对我们来说其实困难重重,但是老师曾经说过,我 们大学学习的是基础,对以后工作没多大的用处,我们主要学习的是学习的方法。《和平年代》里说: 当幻想和现实面对时,总是很痛苦的。要么你被痛苦击倒,要么你把痛苦踩在脚下。只要我们懂得学 习的方法,再结合老师的指导,一定能够顺利完成这次课程设计。 总之,一分耕耘一分收获,在这次设计中,还是有收获的。此外还得出一个结论:知识必须通过 运用才能实现其价值。

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五、附表 焊接工艺评定报告
单位名称: 报告编号: 焊接方法:埋弧堆焊 产品部件名称:热轧辊 轧辊埋弧堆焊工作详图: 批准人签字:XXX 日 期:2009 年 1 月 3 日 机械化程度:手工 半自动 自动√

母材: 牌号:Q235钢 焊接材料: 焊丝牌号:3Cr2W8V 焊剂牌号:HJ-260 焊接位置:全位置 预热及焊后热处理: 预热温度:320-410℃ 层间温度:420℃ 焊后热处理温度: 500-600℃ 保温时间:10-12h 预热时间:5h 冷却方式:空冷 直径:υ3.2mm 直径:υ279mm-υ465mm 辊长:810mm

冷却方式:采用随炉缓冷,当辊温降到100℃以下时出炉空冷
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焊接工艺参数: 电流种类:直流 焊接电流:280-320 A 电弧电压:30-32 V 堆焊层厚度:3.5-6.5mm 操作技术要求: 1、焊丝表面清理干净; 2、焊前预热; 3、焊后不得有表面缺陷; 4、焊后硬度检验和探伤。 技术措施:轧辊转动,焊枪静止 堆焊速度:550-650/mm· min 送丝速度: 1.3-1.6/m· min 摆动或不摆动:不摆动 多道焊或单道焊:单道焊 单丝焊或多丝焊:单丝焊 性能检验结果: 焊缝外观检验:表面无夹渣、气孔、裂纹 超声波探伤检验结果:无裂纹 硬度值测定:合 评定结论:合 格 施焊 填表 审核 日期 日期 日期 2009/1/3 2009/1/3 2009/1/3 格
-1 -1

极性:正接

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六、参考文献
1 王娟等编著. 表面堆焊与热喷涂技术. 北京:化学工业出版社,2004

2

邹增大,李亚江,孙俊生等编著. 焊接材料、工艺及设备手册. 北京:化学工业出版社,2001

3

尹士科主编. 焊接材料手册. 北京:机械工业出版社,2000

4

李亚江主编. 焊接材料的选用. 北京:化学工业出版社,2004

5

吴树雄,尹士科编著. 焊丝选用指南. 北京:化学工业出版社,2002

6

张文川. 轧辊堆焊工艺初探. 1999

7

丁洁,申茜辉. 轧辊堆焊工艺. 2005

8

沈风刚,刘景凤 . 冶金轧辊堆焊技术综述. 2006

9

林成平. 我国轧辊堆焊技术的现状及发展,冶金设备. 1984

10 潘永明,孙正茂,高春力等. 热轧工作辊的堆焊,焊接. 2000

11 沈凤刚,卢学刚,陈自强等. 热轧辊堆焊材料及工艺研究,钢铁. 1998

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