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1、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
2、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
3、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
4、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）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。
5、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279mm-465mm，长度为810mm，形状见图2-1。图2-1 热轧辊形状（材料Q235钢）表2-1 Q235钢化学成分、机械性能对比轧辊材质化 学 成 分（%）强度（MPa）塑性(%)硬度（HB）Q235钢CMnSiPSbsHB0.14-0.220.3-0.65
6、0.30.0450.05375-46023525-27601502.1.2 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
7、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3.2mm，其化学成分见表2-2。表2-2 3Cr2W8V焊丝的化学成分焊 丝化 学 成 分/%CSiMnSPCrNiWV3Cr2W8V0.30-0.400.350.20-0.400.030.032.20-2.70-7.5-9.90.20-0.50选择焊丝除了考虑具有合
8、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)1.0-3.03.5-6.06.5-10.012允许偏差(mm)0.06-0.120.08-0.160.10-0.200.12-0.24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。
9、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
10、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。根据以上要求，选取熔炼焊剂H
11、J-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化 学 成 分/%SiO2MnOMgOCaOCaF2Al2O3FeOSPHJ-26029-342-415-184-720-2519-2410.070.072.2 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
12、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)
13、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/kgh-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
14、速度为9/kgh-1。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
15、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。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8
