Φ850开坯轧辊孔型堆焊裂纹原因分析

刘志勇 彭建华

（湖南涟钢机电设备制造有限公司，湖南 娄底 417000）

2017年4月，单位承接了一套（上下各一支）Φ850轧辊（用于模铸合金特种钢坯开坯用）堆焊修复业务，堆焊用焊丝、焊接工艺、图纸由买方提供，焊剂由湖南涟钢机电设备制造有限公司提供。该套轧辊孔型因堆焊出现大面积的裂纹，两次返工，耗费了大量的人力、物力和时间，排除多种原因，第三次堆焊才找出裂纹出现的原因。

本文即对此次轧辊堆焊裂纹出现的原因及解决方案做出分析，为后续的轧辊堆焊提供宝贵的经验。

1 修复工艺制定

轧辊孔型图如图1所示。

图1 轧辊示意图/mm

出于保密需要，买方未提供轧辊的详细材质，仅提供了简单的工艺方案，及堆焊用焊丝。根据其提供的简单的工艺方案，制定了详细的、全过程的修复工艺，修复工艺如下：

（1）堆焊前去疲劳层机加工：堆焊前上轧辊车床C8465车去辊子表面的裂纹和缺陷，特别是环状裂纹，要求是完全去除裂纹。比较深的环形裂纹用圆弧刀车，圆弧刀的半径要大于R10。车完后进行表面着色探伤，完全无裂纹特别是环状裂纹去除干净后方能堆焊。

（2）焊材烘干：使用前烘烤焊丝和焊剂，确保两者干燥。烘烤温度250 ℃左右，时间2 h。

（3）焊前预热：8 h内升温至350 ℃，在350 ℃时保温8 h。

（4）焊接。

①过渡层采用YS430焊丝配HJ260焊剂，焊一层，厚度≤2 mm。焊接参数同下；②工作层焊丝采用YS542-1、¢3.2 mm的药芯埋弧焊丝，配合HJ260焊剂使用（实际使用的是SJ102焊剂）；③焊接电流：380～420 A；④焊接电压：30 V；⑤焊道搭接量：45%～50%；⑥层间温度：200～300 ℃。焊接同时给辊子加热，保证辊面的层间堆焊温度。焊接过程中，如辊面温度低于200 ℃，停止焊接，入炉加热保温。原则上是最多堆焊25 mm就入炉加热保温一次（大型轧辊堆焊时层间温度过低，特别是辊台，焊接时层间温度过低会造成严重的热裂纹）；⑦焊接过程中要注意每个辊台的位置尺寸，不能偏边而造成后续无法加工；⑧堆焊顺序是先焊孔槽底部，接着是孔的侧壁，最后焊辊台。用卡钳控制孔槽底部和辊台尺寸，用样板控制圆弧孔槽和宽度。因辊子尺寸较大，要考虑2 mm的热缩，即实际堆焊厚度要比理论计算的多2 mm以上。

（5）焊后退火。

16 h内升温到520 ℃左右，在520 ℃时保温10 h，后随炉冷至100 ℃以下出炉转机加工（为了保证辊子退火效果，轧辊要旋转保温，否则，在保温5～6 h后将轧辊吊出来，转动180°后再入炉，完成后面的保温）。

（6）焊后机加工。

①上辊粗车外园后，根据图纸先画好每个辊台的中心线，用样板比对加工，注意辊台中心线不能偏太多；②下辊对应上辊相应孔型加工。

（7）检验。

①加工后对辊面进行硬度检测，达到HRC42-45°为合格；②用样板对加工后的辊子孔型和外形尺寸进行检查，应符合图纸要求。

（8）注意事项。

①采用两个机头同时同向焊接，焊接参数相同，各焊辊面的50%；②辊子在焊接过程中要加热，以保证辊子的层间温度；③焊接过程中焊接必须连续，中间不能停顿，如果中间因故停焊，必须放入加热炉中进行保温；④整个焊接过程中，每0.5 h测量一次辊面温度，发现温度低于规定要求时，及时加热来保证堆焊的层间温度。

2 堆焊过程出现的问题

堆焊中，裂纹大面积的出现（见图2）。

图2 堆焊中出现的裂纹

3 原因分析

针对出现的裂纹，对可能的原因进行了逐一分析排查：

（1）焊前辊面的裂纹未完全清除干净。

第一次，在辊径已加工30 mm的情况下，辊槽表面仍有裂纹，考虑继续下去会增加后续的焊剂成本和时间，内部分析讨论后，结合以往的经验，认为存在的裂纹非环状裂纹，不会影响后续的焊接质量，于是开始预热堆焊。因此，焊接过程中出现裂纹后，第一反应是认为裂纹未清除干净造成的。停止堆焊后重新上车床加工去除裂纹，第二次堆焊，结果裂纹仍然出现。此项原因可排除。

（2）预热温度和辊面层间温度不够造成的。

第二次，裂纹还是出现。排除了上述原因，考虑是不是温度的原因。对堆焊层间温度向操作者作了要求，要求辊面的层间温度控制在200～300 ℃以上。堆焊过程中，又对入炉加热保温的时间间隔做了要求。操作者严格按要求在操作，但裂纹仍然出现，又缩小了加热保温的时间间隔。理论上堆焊量不超过25 mm，连续堆焊并辅以加热，应该可以全部焊完后再入炉。但由于裂纹出现较多且频率出现越来越频繁，实际入炉加热的时间间隔变为1次/h或堆焊一层后就入炉加热。并且每次出炉后堆焊，1 h内不会有裂纹出现，但超过1 h，裂纹会逐渐显现，逐渐往后，堆焊时间到30 min就出现裂纹，但温度却在要求范围内。多次反复，裂纹仍然存在。这说明裂纹出现的原因不是温度不够造成的，另有原因。

（3）焊材的原因，包括焊丝和焊剂。

前述两个原因基本排除后，引起裂纹的原因就只有焊丝与焊剂了。鉴于焊丝由买方提供，买方保证焊丝是不存在问题的，所以暂不将焊丝列入原因进行分析。

接着分析焊剂。按照工艺要求，买方要求焊剂选用HJ260，但实际使用的是SJ102。这里做个说明，260和102分别属于熔炼焊剂和烧结焊剂，现在由于环保因素，熔炼焊剂的生产在逐渐减少，加上目前烧结焊剂的性能与熔炼焊剂区别不大了，脱渣容易，焊道美观，抗裂性好，且价格比熔炼焊剂便宜，目前很多焊剂生产企业正逐渐转型生产烧结焊剂了。

在2013年前使用熔炼焊剂多，2013年后，逐渐用SJ102焊剂取代了HJ260，对于表面硬度要求高（＞HRC50）的地方，还是选用熔炼焊剂HJ107。由于库存焊剂HJ260只有900 kg左右，不足以应付堆焊的需要，并且已放置多年，使用质量无法控制，所以使用SJ102替代HJ260配合焊丝使用。前两次轧辊堆焊出现裂纹，买方认为使用的焊剂质量不好，但前期根据经验，一直将原因集中在裂纹和温度2个方面，买方也未说明不能使用SJ102的原因，故坚持认为使用SJ102没问题。由于裂纹大面积出现，两次堆焊均失败，而交货期紧。经反复调查发现，由于两种不同焊剂造成大面积裂纹。分别采用HJ107和HJ260配合焊丝各焊辊面的一部分进行验证，结果表现效果是一致的，辊面不再出现裂纹了。

至此，裂纹出现的原因可以判断为是焊剂的原因。

一般来说，用堆焊方式提高产品表面硬度的方法有两种，在焊丝的药粉中提高C元素的含量或降低C含量，同时加入其他元素来替代，如Cr、Mo、W、N等。后者对堆焊质量及使用寿命较前者要好，前者仅通过提高C元素含量来提高表面硬度，产品表面容易产生裂纹，但价格较后者要便宜。

目前，越来越多的厂家进入堆焊修复市场，对使用方来说，希望修复好的产品是“物美价廉”，这样造成市场上堆焊价格变得日趋透明。为了争夺市场份额，修复厂家在焊材的降本方面做文章。如果焊丝中C含量高，超过0.1%，与母体融合后，表面硬度虽然提高了，但脆性也随之升高，很容易出现裂纹。因此，理论上焊丝中C含量尽量控制在0.05%以下，通过加入Cr、Mo、W、N等元素，在焊剂形成的熔池中反应，既提高表面硬度，又保证韧性。为了降低堆焊成本，一些焊丝厂家在内含的药心元素中做文章，单纯提高C，减少其他合金元素的含量，焊丝价格要便宜5～10 元/kg。无锰型（如HJ130、HJ107等）价格要高于低锰型（如HJ260、SJ102等）约2～3 元/kg，但一些焊剂厂家回收熔炼焊剂使用后的焊渣再利用，打着低锰型的焊剂销售，这一类焊剂价格比无锰型要低，但性能要高于同类型的低锰型焊剂（如HJ260）。所以，一些厂家采用上述两种方式，降低焊材成本，而产品能达到相同的使用效果。这次两支辊子的堆焊，应该就是这种原因。

综上所述，两支轧辊堆焊出现裂纹最终是因使用焊剂不当引起的。目前，在网上，关于焊丝焊剂的匹配、焊剂性能等方面介绍很多，各修复厂家又有各自的技术方案，都是围绕“降本增效”做文章。所以，此次围绕开坯轧辊的堆焊裂纹引发的原因分析，是日后类似工作的经验，有助于后续相似问题的预防和处理。