三辊卷板机辊轴断裂修复

莫志豪

一、前言

Φ300mm×3000mm卷板机是20世纪70年代机械厂自行设计制造，因上辊轴断裂，需要进行焊接修复。由于材料为中碳调质钢50SiMn，断裂处截面直径80mm，焊接施工难度大。为保证质量，研究制定相关焊接工艺。

二、材料焊接分析

50SiMn钢的含碳量 0.46%～0.54%，含 0.8%～1.1%Si、0.8%～1.1%Mn等合金元素，钢的淬硬倾向大，有较高的空淬性，尤其是高碳粗大马氏体，导致严重脆化，增大了焊接接头冷裂倾向。另外，碳和合金元素含量高，焊缝凝固结晶时温度区间大，偏析倾向也较大，因此，焊接时具有较大的热裂纹敏感性，所以焊接时容易出现冷裂、热裂、热影响区的脆化和软化以及再热裂纹等问题，焊接性较差。根据这一特点，对于焊接材料的选择，要使之化学成份与母材相同或相近，既要满足接头的强度和使用条件，又要保证避免裂纹产生。为了保证修复成功，防止裂纹产生，还必须采取焊前预热，合理控制层间温度，以降低接头冷却速度，并且接头焊好后要进行热处理，以消除焊接残余应力，改善接头的组织和性能。

三、焊前准备

1.焊接方法选择

由于上辊轴断裂截面处于变截面处，断面处是轴承位，直径80mm，大端处是辊轴，直径320mm，断裂处离辊轴端15mm，辊轴断截面如图1所示。

2.焊接材料选择

由于50SiMn钢含碳量高，淬火倾向较大，尤其焊接直径较大的断轴时，在焊接热循环作用下，近焊缝区的淬火倾向更大，这种脆性状态加上较大的收缩应力，就会导致近焊缝区冷裂。此外，因为母材的含碳量较高，施焊第一层时，有大量的母材熔入，使焊缝金属具有较高的含碳量。因此，必须采用高韧性超低氢型焊条J607RH预堆过渡层，再用J107Cr（或J857 Cr）焊条填充金属。

3.坡口加工

由于辊轴直径大而且长，单边焊缝高30mm，所以决定采用U形坡口焊接，焊缝尺寸如图2a，U形坡口角度为25°±5°，并保留5mm的钝边。加工后用超声波检验，决不允许有残留裂纹。

断裂小段由于尺寸变短不能再用，决定重新加工轴承段，如图2b尺寸，材料采用50SiMnMoB锻钢，采用车床加工成型，U形坡口角度为25°±5°，并保留5mm的钝边。

四、焊接工艺过程

1.预热

采用氧乙炔火焰将坡口及附近区域均预热到250～300℃，要求焊接的地方均要预热，包括大断截面处的堆焊及组对施焊。

2.焊接

（1）要求具有经验且技术熟练的焊工担任焊接任务，焊工必须持有劳动部门颁发的锅炉压力容器焊工合格证，操作项目应在持证范围并在有效期限之内，且焊接时严禁在辊轴上引弧。施焊前，先把辊轴平放在简易转胎上，用手提砂轮对坡口及周边10～15mm范围内要彻底打磨清理干净，去除油污、锈蚀、结垢、氧化皮等杂物，直到呈现金属光泽。然后按表1焊接工艺要求，用J607RH焊条预堆焊过渡层，即凡与母材接触面均要打底焊两道（焊条严格按烘干温度烘干，待用的焊条应放在保温筒内，必须随用随取）。施焊时，坡口处钝边务必焊透，且要求过渡层达到坡口高度的1/3处时，再改用J107Cr（或J857 Cr）焊条填充。

（2）辊轴的焊接裂纹倾向大，大熔敷量，更容易造成焊接应力而产生裂纹，为减缓应力，避免裂纹产生，尽量采用小参数施焊。打底焊后应立即进行后道的焊接，手弧焊以小摆幅月牙形方式进行，焊条摆动到坡口两侧时应稍稍加以停留，熔化坡口边缘1～2mm以防咬边。收弧时对弧坑稍增填熔滴，在更换焊条时，将起焊部位药皮敲掉10mm左右，直至施焊完成。焊接参数见表1，焊接工艺图见图3。

（3）施焊过程中要保持层间温度为200～250℃，刚焊完的每段焊缝都要要采用锤击处理，消除焊接残余应力，打碎正在成长的柱状晶粒，使焊缝组织致密均匀。

表1 焊接参数表

3.焊后热处理

焊后立即消除应力，即不让焊件冷却就回火处理。由于辊轴较长，需专用加热炉，为缩短周期、节约费用，采用车间就地消除应力处理，用加热带进行加热回火保温。回火保温温度630±5℃保温2.5h，每小时升温50～70℃，上升温度每差70℃ 延长保温时间3h。热处理时，防止轴发生变形，将接头两侧垫好。

4.焊后机加工

由于辊轴直径大而且长，所以我们决定采用卧式镗床加工。热处理后，对焊缝进行100%X射线检测，II级片合格率达到100%。然后将辊轴放在卧式镗床上按图纸要求加工，加工时要保证轴承与辊轴的同轴度要求。同时要求对轴进行高频淬火，淬火温度 850～870℃（油淬），淬后硬度 300～350HB。

五、注意事项

对合金结构钢的焊接一定要注意：（1）冷裂纹对焊接应力及焊缝含氢量的敏感性大，因此要彻底清除应力集中点，并选用高韧性、超低氢型焊条预堆过渡层。（2）焊接件很大，散热快，因此要控制好层间温度，当层间温度低于200℃时，要停止焊接，重新加热后再进行施焊。（3）轴较长，焊后要进行热处理，热处理时，将接头两侧垫好防止轴发生变形。（4）接头焊好后应进行机加工，机加工时要保证轴间的同轴度要求。

辊轴修复后，经过两年多的使用，一切正常，表明焊接修复成功。

W13.04-10