冶金轧辊磨损辊面修复技术研究及应用

李红伟

轧辊是轧制过程中的主要工具之一，其可以使金属发生变形，同时其质量和使用寿命与轧制生产效率密切相关。在轧制过程中辊面会出现一定的磨损现象，为了使相关生产效率和质量得到保障，需要采取有效的修复技术来完成相应的修复工作。本文从以下方面来对修复技术进行全面研究。

1 磨损辊面失效形式

冶金轧辊磨损辊面的失效形式有两种：一种是正常磨损。其指的是在进行轧制时，由于轧制时间的不断增长，轧辊表面和轧制面之间就会发生一定的接触和磨削。这样就会导致轧辊表面的金属颗粒不断脱离的现象出现，从而使得轧辊直径不断缩小且耐磨性不断降低。当轧辊直径磨损小到一定程度或辊面硬度下降到规定数值之后，就算不会出现其他缺陷依然无法对其进行应用。轧辊直径相对较小，当硬度不断降低时，轧制产品就无法对规定的尺寸和形状进行满足。另一种是非正常磨损。其磨损机制中包含疲劳磨损、腐蚀磨损等。在对实际的轧制过程进行开展时，这些磨损机制都处于并存的状态，相互之间还可以产生一定的影响或作用。主要的表现形式以轧辊表面裂纹为主，该裂纹还可以划分成轴向裂纹以及环状裂纹等。从相关研究资料中可知，冷工作辊表面裂纹的失效率甚至可以超过60%，热工作辊表面失效率会达到20%，裂纹出现频率相对较高的位置以轧辊和轧制品接触处为主。当磨损状况不断加剧时，龟裂以及环状裂纹就会从晶界的外部向内进行不断的延展，从而使出现辊面浅层剥落或大面积深层剥落的概率大幅度增加。但是该阶段的轧辊表面还是可以进行修复。但当轧制时间不断增加时，就会使断辊现象的发生率大幅度增加。此时的轧辊已经无法进行修复，只能处于报废的状态之中。

2 磨损辊面修复技术

冶金轧辊辊面磨损在进行修复之前，需要利用机械加工的方式来进行辅助，这样可以使轧辊面裂纹缺陷或疲劳层得到有效去除，从而使该种裂纹对轧辊修复后质量所产生的影响得到有效避免。磨损辊面修复技术主要包括以下几种。

2.1 刷镀技术

该技术可以对轧辊直径相对较差的问题进行有效解决，并且效果还相对较好。刷镀主要依赖一个与阴极相接触的垫或刷来对电镀所需的电解液进行有效提供。在进行电镀时，垫或刷会在被镀阴极上发生移动。刷镀时对直流电源进行应用，在实际工作操作过程中，把轧辊和电源负极进行连接，将镀笔和电源的正极进行相连。利用包裹浸满溶液的阳极来对工作表面进行有效的擦拭。在轧辊表面以及阴极接触点上，溶液中的金属离子会进行一定的放电结晶反应，同时随着时间的不断延长镀层的厚度也会不断的增大。刷镀技术的优势体现在操作相对灵活、镀覆速度相对较快、镀层种类具有多样性等。但是该技术会产生相对严重的污染，从而使该技术的使用频率相对较低。

该技术在实际应用过程中需要首先进行镀层设计，修复后的待修复物品表面应平整，具有足够的强度、硬度及较强的耐磨损、抗腐蚀等性能。力学性能要求：镀层表面硬度≥450HV；拉伸强度≥350MPa；剪切强度≥250MPa。根据车床待修复物品损伤情况，待修复物品修复分2个阶段。第1阶段：局部修复。首先对深度≥0.2mm的划痕、凹坑进行修复，选用碱性铜（SDY403）镀底层,碱性铜能够改变钎焊性；然后用Sn-Bi+Cu+Ni合金以钎焊形式填充划痕、凹坑，使划痕、凹坑深度＜0.2mm。第2阶段：整体修复。对被修复物的整个表面进行修复，按照被修复物表面的技术要求进行复合涂层处理。选择碱性镀铜底层可以提高镀层和基材的强度和稳定性；上浆层选择用于快速镀镍，上浆层是电镀层，可以恢复零件的尺寸，从而节省工作时间。金属表层上，增加修复层的厚度和附着力是目标；选用Ni-Wu“D”合金镀液镀工作层，满足待修复物品的物理力学性能要求。

在实际进行操作过程中应注意做好准备工作，对待修复物品表面进行清洁以及打磨，随后方可正式开展修复作业。从修复结果角度分析，该工艺在实际应用过程中可以有效应用于损伤面积大且划痕较深的物体表面，且该工艺操作较为简便，经济性较强且修复质量高。

2.2 传统堆焊技术

传统堆焊技术指的是将一层特殊性能的合金层熔覆在轧辊表面，该合金层既耐热耐磨还具有耐腐蚀性。在冶金轧辊磨损辊面修复技术中使用频率最高的技术之一为传统堆焊技术。堆焊技术的种类有三种，一种是埋弧自动焊，一种是手工电弧焊，另一种是钨极氩弧焊。不同修复技术之间的修复特点也存在一定的差异性。

2.2.1 埋弧自动焊

埋弧焊，包括埋弧堆焊、渣堆焊等，是一种在焊剂层下进行电弧焊的方法，具有焊接质量稳定、焊接生产率高、电弧轻、烟尘少等优点，是一种可在压力容器制造、管段制造、箱梁柱制造等领域应用的方法。如今，虽然国内外出现了许多高效、高质量的新焊接方法，但埋弧焊的应用并未受到影响。在各种焊接方法中，埋弧焊约占金属重量的10%，近年来几乎没有变化。我国锰资源短缺，尤其是适合生产高品位、低磷、低铁的锰资源。国内仅在广西、云南、湖南等省有锰矿矿脉，但经过多年的开采，锰矿产品的生产和流通日趋紧张。为了替代高锰渣，迫切需要开发和推广中锰和低锰渣焊剂，在含锰焊丝生产和供应的不断扩大基础上，中锰和低锰渣的市场应该有广阔的发展前景。

现阶段，工业上的普遍做法是，焊剂给出焊丝熔敷金属的化学成分和机械性能，而烧结焊剂仅给出熔渣的成分和机械性能，用焊丝熔敷金属，使用这种方法欠缺实用性。由于分析结果与用户要求相差甚远，且分析方法和设备比较困难，很少有用户分析批次的化学成分。而埋弧焊是目前最有效的自动焊接方法之一，生产效率高。不仅能够缩短导电焊丝长度，提高电流密度，焊接电弧的熔深和焊丝的焊接效率也得到了提升。再者，由于熔剂和熔渣的保温作用，电弧基本不辐射，热损失小。虽然通量的热损失增加，但总体效率较低，热电偶仍在显著增加。保证焊接质量，对熔渣和空气的保护有较好效果，也可通过自动调整保持稳定的焊接参数，且对焊接工艺水平要求低，可保证焊接稳定。该组合物具有良好的机械性能、结构简单、操作方便、工作条件好、无电弧辐射，降低了手工焊接过程中的劳动强度，这也是埋弧焊所具备的独特优点。埋弧自动焊目前主要用于各种钢结构的焊接，可焊接结构钢，包括碳钢、不锈钢、耐热钢和复合钢。埋弧焊也广泛应用于造船、锅炉、化工容器、桥梁、起重机、冶金机械制造、船舶结构、核电设备等领域。此外，埋弧自动焊也适用于通过埋弧焊焊接耐磨合金或镍基合金，以及钎焊铜合金。

埋弧焊丝的长度远小于手工电弧焊，一般约为50mm，是一种轻型焊丝，埋弧焊不会因电流的增加问题而造成损坏。对于20mm以下用于对接焊接的对接坡口无需打开，也可不留下间隙，以此来减少填充金属的数量。二是焊接质量高、熔池保护完善、焊缝金属杂质少，只要选择合适的焊接工艺，就很容易获得高质量、稳定的焊接。三是工作条件好，除降低手动操作的劳动强度外，电弧灯埋在流动层内，无电弧辐射，工作条件良好。目前埋弧焊仍然是工业生产中最常用的焊接方法之一，适用于大批量、大厚度、大直径长环焊缝的线性焊接，在化工容器、锅炉、造船、桥梁等金属结构的制造中也得到了广泛应用。

通过操作控制面板上的开关按钮，可以自动控制焊接过程。在焊接过程中，工件的焊接部分覆盖一层厚度为30mm～50mm的粒状焊剂，焊剂层下方的电极连续进给，电极和工件之间的电弧加热使电极和熔体流动，形成熔融金属池，与空气隔离。随着自动焊机的发展，电弧继续熔化焊接金属，焊丝向前流动，熔池后缘开始冷却和硬化，形成焊缝，熔渣随后在焊缝上凝结，形成固体渣壳，且非熔融流可以回收。手工电弧焊中的焊丝流动，包括焊芯、焊剂和涂层，不同的焊接材料应选择不同的焊丝成分和焊剂，例如，H08A焊丝用于焊接低碳钢、高锰钢和高硅焊剂HJ431。大容量弧焊变压器是焊接电源中常见的变压器，但该方法存在手工焊接弹性差的缺陷，仅适用于水平位置或小倾角，边缘的准备和装配要求高且耗时。此外，在埋弧焊过程中看不到熔池和焊缝的形成过程，因此应严格遵守焊接规范，在某种特定情况下，半自动焊接可以取代自动焊接，且操作相对简单，有较强的经济性与实用性。

冶金轧辊表面堆焊修复技术中使用频率相对较高的技术之一为埋弧自动焊。通常情况下，在轧辊缺陷区域中先对过渡层材料进行应用，之后再对工作层材料进行应用。该方法具有明显的自动化特征，这样使其生产效率相对较高并且劳动条件相对较好。同时熔渣对熔池具有一定的保护作用，这样可以使氮、氧等对熔池的侵害得到有效的减少。除此之外，该技术的热输入相对较大，这样就需要堆焊较多层才可以使所需堆焊金属性能进行保障。想要使轧辊修复中冷却速度过快导致的裂纹出现现象得到有效避免，就需要应用焊前预热或缓冷等措施。这样使堆焊残余应力得到减少并对堆焊材料性能进行改善。但须注意的是，焊后还需要热处理后才能进行应用。

从技术应用实际角度分析，在实际进行埋弧堆焊作业过程中涉及到的主要参数包含以下几方面：

焊丝直径。根据已有研究结论，堆焊电流以及焊丝直径之间存在函数关系，二者呈现出正比关系。因此，在实际作业过程中应注意为确保焊缝形状满足实际需求，在采取不同焊丝直径情况下应根据实际情况进行相应调整。

堆焊电流。根据研究人员的实践验证可知，在弧压保持不变的情况下，堆焊电流以及熔深之间呈现出线性比例关系，电弧电压。通过实际研究可知，电弧电压以及电弧长度之间呈现出较为明显的正比例关系。电弧长度会随着电弧电压增强而提升，此时受电弧覆盖面较大影响，熔宽也会随之产生较大幅度的提升。反之，熔宽会出现降低情况。由此，研究者对电弧电压以及熔深之间关系进行详细概述。电弧长度会随着电压加强而延长，此时电弧吹向熔深的电弧力相对较少，热量向工件的传递距离增长，进而使得熔深较小。反之，电弧长度降低时，电弧吹向熔池的电弧力也会随之提升，热量向工件的传递距离相对较短，熔深也会随之增强。因此，为确保堆焊层结构稳定且美观，在实际进行作业过程中确保堆焊电流以及电弧电压相匹配。

堆焊速度。堆焊速度关系到堆焊焊缝的形成。常用堆焊速度范围为24m/h～ 42m/h（400mm/min～ 700mm/min），可在实际操作中作为参考。

根据此公式，可以在实际作业开始前对工件转速进行计算，并依据试焊工作中得出的焊缝质量进行相应的调整，最终得出实际焊接过程中可以达到理想效果的堆焊速度。第五，送丝速度。自动埋弧堆焊电流由送丝速度调节，反之，可根据设定的堆焊电流调整送丝速度。在使用1.5mm～2.2mm焊丝条件下，其速度应保持在60m/h～180m/h区间范围内。

2.2.2 手工电弧焊

手工电弧焊需要将手工操作的焊条以及被焊接工件看做为两个电极，对焊条和工件之间的电弧热量进行充分利用，从而来对金属进行有效熔化的焊接方法。该技术主要在轧辊表面局部缺陷的堆焊修复中进行应用。手工电弧焊的特点以堆焊设备相对简单、操作具有明显的灵活性为主，同时焊接部位以及辊表面形状等不会对该技术产生限制。但该技术的生产效率相对较低，并且稀释率相对较高，这样对获得薄且均匀的堆焊层来说难度系数相对较大，同时劳动条件相对较差。

2.2.3 钨极氩弧焊

该项技术主要是将氩气当做相应的保护气体。在进行实际焊接时，从焊枪喷嘴中持续喷出氩气，以此来在电弧附近来构建一定的气体保护层。这样不仅可以对空气进行有效隔绝，还可以使空气中氧气对钨极或熔池产生的氧化干扰问题得到有效防治，从而对成型相对美观的焊缝金属进行获得。在冶金轧辊表面出现局部缺陷时利用该技术进行修复相对适宜。该技术和手工电弧焊进行对比可知，该技术可以有效控制热输入量，同时气体保护的效果相对显著，堆焊层金属性更加显著。但是其劳动条件比较差且生产效率十分低下。

3 轧辊堆焊工艺要求总结

在使用轧辊堆焊工艺进行修复过程中如若想要确保堆焊质量，那么就务必要严格执行正确的轧辊堆焊工艺流程，具体如下：

（1）进行堆焊前需要作业人员先对堆焊孔型进行粗加工，从而达到去除轧辊表面疲劳层和缺陷的目的，尤其注意的是务必对裂纹进行彻底清除。如若需要进行多次堆焊那么则需可以先进行超声探伤，检查轧辊内部情况，确保焊接在轧辊无裂纹的情况下进行。

（2）预热：由于轧辊以及堆焊材料都是含有合金元素及碳较高的材料，同时加之轧辊本身辊径和刚性较大，冷却速度极快，因此在进行实际焊接过程中容易出现脆性区域。另外，温度不均也会导致轧辊出现热应力，进而形成裂纹。因此为了避免上述问题发生，规避裂缝出现，在进行堆焊之前相关工作人员需要事先对轧辊进行预热，具体温度根据轧辊辊身和堆焊材料实际成分。同时为了有效避免热应力，在进行加热过程中也应当相应控制加热速度，尤其是针对大轧辊来说，升温的初始速度为20℃/h，之后速度可以调整为40℃/h，做到均匀加热。

（3）焊接：在堆焊工作中的关键环节就是焊接，如若想要得到较为理想的堆焊层就务必要考虑焊接电压、轧辊保温、焊接材料等多种可变因素。尤其是针对一些含碳及金属元素较高的辊芯，在进行预热后还需对进行预先对过渡层避免出现裂缝。

（4）焊后处理：为了最大程度降低由于表面及内部冷速不一致形成体积应力引发裂纹问题，在进行焊后处理中应当尤为注意控制冷速。通常情况下，冷速控制需与加热速度保持相似或相同。为了有效避免焊接残余应力务必进行回火处理，温度根据轧辊使用条件控制在400℃～500℃。如回火温度过高则会导致硬度下降，而保温时间通常都会选取每一寸直径保温1h的方法，4h～10h内取出。

4 结语

从本文的论述中可知，采用修复技术来对冶金轧辊磨损辊面进行修复，使得轧辊使用寿命得到有效的延长。这个课题是行业关注的主要问题之一。常规情况下可以对刷镀技术以及自动埋弧焊等技术进行应用，但这些技术都无法使轧辊表面耐磨损和抗开裂的性能进行全面提升。因此，轧辊堆焊技术成为主要的发展方向之一。该项技术能够得到广泛的应用，不仅使其效果或价值得到充分凸显，还可以使轧辊使用寿命得到有效延长，同时该项技术还可以大大降低吨钢成本，修复后的轧辊具有良好的耐冷热疲劳性、耐磨性和抗裂性。