埋弧焊在辊芯修复过程中的堆焊工艺研究

2021-07-06郭太平

中国重型装备 2021年3期

关键词：弧焊堆焊轧辊

郭太平

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

某单位3CrMoV材质的轧辊辊芯在使用过程中受到损伤，需要修复后才能正常使用，我公司承接了该辊芯的修复工作，并成功修复了该辊芯。

1 堆焊工艺研究

1.1 辊芯的焊接性分析

需要修复的轧辊辊芯材料为3CrMoV，其化学成分见表1。

从表1中可以看出，该辊芯属于低合金钢，碳当量为1.337，达到Q345R材料碳当量(碳当量约为0.43)的三倍。焊接过程中，随着碳当量的增加，冷裂纹敏感性增大。且该材料中含有一定量的合金元素及微合金化元素，其焊接热影响区组织与性能的变化对焊接热输入较为敏感，热影响区淬硬倾向增大，对氢致裂纹敏感性较大。

表1 3CrMoV辊芯化学成分(质量分数，%)

为了降低辊芯在堆焊过程中出现裂纹的风险，防止辊芯开裂，结合材料的碳当量及合金含量情况，确定堆焊时的最低预热温度为250℃。

1.2 堆焊方法的选择

按照当前工件尺寸，该轧辊辊芯两端的圆弧面实际纯金属缺量约50 kg，可采用氩弧焊、焊条电弧焊和埋弧焊三种方法进行堆焊。氩弧焊和焊条电弧焊均存在焊接效率低、生产周期长等缺点，无法满足产品交货期要求。埋弧焊在普通平板或对接焊缝的焊接中具有焊接质量好、效率高、周期短等优势，但在小直径的辊芯外表面进行堆焊，还是首次进行，需要对焊接工艺参数进行研究。

为提高生产效率，保证产品交货期，我们选择埋弧焊堆焊的方式进行辊芯堆焊。

1.3 堆焊焊材的选择

根据辊芯使用情况，轧辊辊芯两端的圆弧面是轧辊的装配配合面，对尺寸要求很高，在实际使用过程中受力不大。

为降低焊接难度，减小堆焊过程中出现裂纹的风险，在得到用户认可的前提下，选择焊接性较好的埋弧焊丝CHW-S3，∅4.0 mm，匹配焊剂CHF431进行堆焊。

1.4 试验件堆焊

为掌握3CrMoV材料的堆焊性，结合实际余料情况选用比实际产品外直径小的实芯圆棒作为试验件，该试验件待堆焊部位的外直径为∅350 mm。将试验件装配固定在5T变位器上，用天然气加热的方式对实验件整体预热≥250℃，达到温度后再继续加热30 min，使实验件整体温度均匀。预热温度达到要求后，按表2中的参数进行焊接。

表2 埋弧焊规范参数

由于试验件堆焊部位的外径很小，第一次堆焊过程中导致焊接熔池中金属不断往外流淌，焊缝无法成形，堆焊的焊缝见图1(a)。

经过分析对比，试验件堆焊焊缝无法成形主要是由于堆焊部位的外径过小，焊丝熔化形成的熔池来不及凝固就已旋转到侧面，金属在重力的作用下往下流动，形成了图1(a)中的焊缝形状。

图1 堆焊试验件

为了解决焊缝成形差的问题，需要在堆焊时增加40～50 mm的偏心量，使熔池有凝固时间，按照这个要求进行了第二次试验。本次堆焊焊缝成形质量较好，基本满足焊缝要求，见图1(b)。

在第三次堆焊试验中，对偏心量进行了微量调整，偏心量在55 mm时堆焊成形表面质量最好，堆焊区域及母材均没有出现裂纹，如图2所示。

图2 第三次堆焊后的试验件

2 辊芯堆焊

本次进行堆焊的轧辊辊芯长度8560 mm，辊面∅1310.5 mm，材料为3CrMoV。

2.1 堆焊范围的控制

为保证堆焊后满足加工要求，堆焊前分别在工件两端需堆焊部位划出堆焊边界线和检查线。

2.2 预热方式的选择

轧辊辊芯整体重量约66 t，轧辊辊芯两端的圆弧面需要进行堆焊，而圆弧面两端的区域均为精加工面，在整个堆焊和加工过程中不允许有任何损伤，也不能有任何塑性变形。根据试验件的堆焊情况，辊芯堆焊前的预热温度需要≥250℃，以降低堆焊时出现裂纹的风险，同时对辊芯进行整体预热，减小辊芯变形。

通过对远红外电加热、整体炉内加热、天然气加热三种方案的比较，最终选择了操作简单快捷的天然气加热方案。为了克服天然气加热温度不均匀的缺点，根据试验件堆焊情况，制作了专用排管加热工装，对辊芯整体进行旋转加热；同时，为了提高焊接区域的预热速度，从另一侧面分别用专用加热喷头对待堆焊面辅助加热。加热过程中随时测量辊芯温度，并根据测量结果调整加热火焰的大小，以达到均匀的预热效果，见图3(a)。

图3 堆焊的辊芯

2.3 堆焊

根据试验件堆焊情况，此次堆焊工件直径达∅1000 mm，设置偏心量为80～90 mm。堆焊过程中，为减小辊芯的热量散失，在辊芯圆弧面以外的区域覆盖保温棉进行保温。同时，在焊接过程中随时测量温度≥250℃，观察焊道成形情况，并及时清理焊渣。堆焊过程中制作了简易的工装，实现了圆弧面侧面的埋弧焊堆焊，见图3(b)。焊接完成后立即进行300～350℃，4 h的消氢处理。