冶金设备50CrMo支撑辊表面裂纹的焊接修复工艺研究

天津赛瑞机器设备有限公司 （300301） 张贵芳 王天德

1. 概述

我公司是大型无缝管生产基地，在长期的生产过程中，经常遇到各种冶金设备的焊接修复任务，由于50CrMo支撑辊具有较高的强度、硬度及耐蚀性能，足以抵抗热轧过程中高温及冷却媒介的腐蚀，所以在冶金行业广泛使用。但它的碳当量高，焊接性能较差，所以辊子的本体一旦产生裂纹需要焊接修复时比较困难。如果选择报废，既影响正常的生产，又增加了企业成本。通过我们对支撑辊裂纹的分析，制定出合理的焊接工艺，圆满地完成了焊接修复任务。支撑辊总长1310mm ， 最大直径700mm，辊子中间 V形处直径580mm。

2. 裂纹分析

由于交货的铸件在制造过程中缓冷效果不良，钢材内外组织和性能存在不均匀差异，或在锻造加热时加温速度过快，造成支撑辊在机械加工前辊子本身存在应力，在加工时破坏了支撑辊原有力的平衡，加上铸造过程中辊子存在杂质，所以在机械加工过程中容易在辊子中间V形处产生应力集中或沿辊子表面铸造时非金属杂质处开裂，粗加工过程中出现裂纹如附图所示。支撑辊的材质为50CrMo，属中碳调质铸钢，其化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。

粗加工产品

表1 50CrMo化学成分（质量分数） （%）

表2 50CrMo力学性能

3. 焊接难点

（1）焊接裂纹 ①由于50CrMo属中碳调质钢，其含碳量较高，焊后如果焊缝冷却速度过快，接头易产生淬硬组织，使接头的组织和性能变差，在焊缝收缩应力的作用下易产生裂纹。②支撑辊的刚性较大，焊接时接头将产生较大的拘束应力，当它超过焊缝所能承受的塑性极限时将产生裂纹。③由于氢在焊接时易产生氢脆、白点、冷裂纹，所以焊接前后如果不能很好地去除或减少辊子中的氢，焊后易产生冷裂纹。

（2）焊接对支撑辊硬度的影响 ①由于50CrMo具有较高的强度、硬度及明显的淬硬倾向，所以焊接接头会产生不同硬度的区域。②焊缝的熔敷金属不但起到修复支撑辊裂纹的作用，而且在辊子工作运行时与它周围金属同样起到对钢管的支撑作用，如果接头的硬度过高或过低都将使支撑辊在使用一段时间后，焊缝周围沿熔合线产生凸起或下凹的现象，易产生裂纹。所以焊缝接头金属的硬度要与母材相符。

4. 修复工艺的确定

（1）焊材的选择 主要依据支撑辊的使用环境、强度及硬度等。依据50CrMo的化学成分及力学性能。我们选择的焊条是J107Cr，对应的型号为E10015-G(GB)，属于低氢钠型低合金高强度焊条，采用直流反接，可全位置焊。适用于抗拉强度相当于980MPa的低合金高强度钢的焊接。熔敷金属的化学成分及力学性能如表3、表4所示。

（2）预热的目的及温度确定 ①预热能降低焊缝与周围金属的温差，减少焊缝的收缩量，从而减小焊接应力，避免产生裂纹。②能降低焊缝的冷却速度，避免因焊缝冷却过快而产生淬硬组织使接头的组织和性能变差。③通过焊前预热可使支撑辊中的氢变得活跃得到释放，避免产生冷裂纹。

表3 J107Cr熔敷金属化学成分（质量分数） （%）

表4 J107Cr 熔敷金属力学性能

根据母材的化学成分及工件的厚度通过预热经验公式计算，50CrMo支撑辊表面裂纹焊接修复的预热温度为350～400℃。

5. 焊接过程

（1）焊前准备 焊前准备直流弧焊机，把J107Cr电焊条放入烘干箱加热350℃，保温2h。用角向砂轮根除支撑辊表面的裂纹，为避免应力集中而选择V形坡口。坡口修磨后应做PT探伤检测。

（2）预热 把支撑辊放入电炉中加热，加热的上升温度应控制在50～60℃/h。为使支撑辊热透，根据它的轮廓尺寸计算保温时间≥12h。

（4）焊接 选用φ2.5～φ3.2mm，J107Cr电焊条对预热后的支撑辊进行施焊，为减小焊接应力，焊接时尽量选用较小的热输入，填充过程中每焊完一层都要用带有圆锥形的铁锤对焊缝进行敲击，使焊缝表面得以伸展。层间温度≥300℃。焊后应进行880℃油淬及520℃回火空冷调质处理，消除焊件的残余应力，使组织均匀化。

（5）焊后检测 通过对精加工后支撑辊焊接部位MT检测，未发现焊接缺陷，硬度测试合格，焊接修复获得成功。

6. 结语

由于50CrMo支撑辊刚性大、强度高、淬硬倾向明显，所以焊接时易产生裂纹。选择合理的焊材、焊前预热，以及焊后热处理是保证焊接成功的关键。