堆焊技术

堆焊技术（共7篇）

堆焊技术 篇1

一、前言

轧辊是轧机的易损部件。随着钢产量的增加, 轧辊消耗量迅速增加。在众多可堆焊修复的轧辊中, 值得引起大家高度关注的是支承辊。支承辊和工作辊一样对轧制生产的稳定、板带外形和表面质量产生重要影响。因此, 必须定期下线进行磨削处理, 同时修整辊形, 以消除表面硬化层并恢复辊面硬度。当辊径减小到极限尺寸后, 便无法继续使用;有的支承辊因局部剥落仅失去少量工作层而失效, 如果直接报废不但造成资源浪费, 也使钢厂辊耗居高不下, 生产成本上升。用堆焊方法修复支承辊至合格尺寸, 恢复使用性能, 甚至超过新辊的使用寿命, 无疑是一件十分有意义的事情。近年来新辊供货十分紧张, 且受到原材料价格上涨而涨价, 堆焊支承辊的使用还具有缓解供货紧张局面, 解决钢厂燃眉之急的特殊作用。

二、支承辊常见失效形式及产生原因

1. 辊面磨损

支承辊上机服役运行一个规定的周期后, 就必须下机修磨, 修磨后方可再上机使用。这是由于辊面经受磨损后, 其纵向截面显现呈凹、凸状, 如果再超期服役继续使用, 就特别容易引发严重的辊面两端部位的端剥落。

支承辊与工作辊辊面直接接触, 所以导致辊面磨损主要有两个原因:由于铁粒、氧化铁皮引起的高应力辗碎式磨粒磨损;在高负荷循环弹性变形作用下的表面接触疲劳磨损。下支承辊的辊面磨损程度通常比上支承辊大。

2. 辊面局部或周向环状剥落

辊面局部剥落或周向环状局部剥落, 在服役周期内就会发生, 其剥落形式多为局部的块状剥落。原因如下。

(1) 接触疲劳。由支承辊与工作辊滚动接触过程中产生。辊身表面金属局部经受反复压力作用, 使在次表层中某些缺陷引发生成初始裂纹源, 其中某些裂纹源会不断扩展, 最终造成辊面局部剥落。

(2) 接触应力裂纹。产生原因是硬颗粒或碎金属物通过支承辊和工作辊接触区, 使辊面局部承受甚至高于辊体基材抗拉强度的高应力点负荷, 此时往往在次表层会瞬间生成裂纹而剥落。

接触疲劳与接触应力裂纹在本质上十分相近, 只是在引发原因、产生过程及剥落形式上有所不同。显然, 提高辊体材质质量、改善辊形受力情况及确保轧机处于良好的运行状态, 是预防局部剥落的有效途径。

3. 辊面端剥落

端剥落通常被称之为“掉肩”, 表现形式是在辊面两端大块剥落, 特点是剥落块的厚度大约等于辊身硬化工作层厚度, 底部近似于平行表面, 侧面则近似于垂直表面。

端剥落产生条件首先是辊面磨损, 并且由于磨损导致辊身纵截面形成凸形或凹形辊面, 结果使支承辊在这个服役周期内, 有一个较长时间阶段支承辊不是整个辊身与工作辊相接触, 而仅仅是辊面两端端部的局部接触。这样, 使距离辊身端部大约100~150mm处两端部承受循环载荷应力成倍增加, 使硬化层中的疲劳裂纹源更易产生, 也更易扩展, 大块端剥落也由此发生。

三、支承辊堆焊修复技术

1. 支承辊材质发展趋势

为提高支承辊辊身工作层的耐磨性和耐滚动接触疲劳性, 锻钢支承辊辊体材质大体上沿着含铬量不断提高和含碳量不断降低的方向发展。大致经历三代材料。

第一代为高碳铬钢, 含碳量0.80%~0.95%, 含铬量约2%, 典型牌号有9Cr2Mo和86CrMoV7等。

第二代是含铬量3%左右的中碳钢, 含碳量为0.40%~0.70%, 代表性钢种有70Cr3Mo、60Cr3Mo和40Cr3Mo等。

第三代是含铬量4%~5%、含碳量0.35%~0.55%的中碳铬钢, 该系列钢的淬硬性、抗疲劳强度、耐磨性与抗剥落性较以前支承辊均有明显提高。

辊体材质的发展趋势值得引起高度重视, 它表明对于支撑辊堆焊材料, 焊层硬度不是唯一重要的技术质量指标。

2. 支承辊堆焊层的质量要求

国内对于支承辊堆焊层的质量要求虽无统一意见和标准, 但是依据支承辊的工况条件, 至少应符合下列目标值。

(1) 在整个厚度堆焊层中, 无支承辊验收标准中的超标缺陷;

(2) 堆焊辊面硬度及硬度均匀性符合图纸或用户要求;

(3) 堆焊层具有良好的塑韧性。堆焊工作层的延伸率和断面收缩率笔者认为应达到或超过同等抗拉强度级别的复合铸钢辊;

(4) 堆焊层具有较高的疲劳极限与弹性模量值, 能满足支承辊对刚性和抗剥落性能的需求。

3. 堆焊工艺中的三个温度

三个温度指预热温度、层间温度和焊后消除应力的热处理温度。

预热温度必须高于辊体基材和选用堆焊材料的马氏体转变温度Ms点, 否则在焊道熔池基体一侧热影响区会产生脆性的马氏体组织, 同时也会导致堆焊过程中后一道焊道对前一道焊道的淬火回火效应。当焊后回火不能彻底清除上述问题时, 则在日后使用过程中, 前者易发生堆焊层大块或局部剥落, 后者在辊面易产生搓板状起皱。

起焊后, 层间温度可适当地在低于预热温度20~40℃范围内控制, 过高或过低均会产生焊层质量问题。如过高, 焊层金相显微组织会出现不希望的铁素体、珠光体组织, 而且给堆焊作业带来困难。反之, 则焊道中易产生如前所述的淬火回火效应。

焊后热处理的目的主要是最大限度地消除焊层及基体热影响区残余应力、调整焊层金相显微组织与硬度、扩散除氢与提高韧性。热处理温度应事先通过小样模拟试验确定。焊后热处理通常在480~560℃范围内进行。

除上述三个温度外, 实际上还有一个中间热处理问题。中间热处理主要目的是消除焊接应力。故可在480~500℃较低范围内进行。中间热处理次数根据堆焊总厚度而定, 一般每堆焊厚度30mm (单边) 左右需进行中间热处理一次。

4. 支承辊修复实例

以湖南华菱涟钢支承辊为例:

修复前尺寸为准1 413.81mm×1 800mm×5 330mm, 辊体材质为Cr4复合铸钢;修复后尺寸为准1 500mm×1 800mm×5 330mm, 硬度为HSD60-65;辊身表面硬度均匀性小于±2.5HSD。

修复方案:根据辊体材质及修复后硬度要求, 堆焊材料采用Cr Ni Mo V系列埋弧堆焊药芯焊丝, 采用自动堆焊。堆焊前辊身尺寸车削至准1 355mm (支承辊报废直径) , 预热温度为阶段升至400℃, 并随炉冷却至350℃;堆焊层分为打底层、过渡层、工作层, 采用不同牌号的焊丝焊剂将辊身堆焊至准1 435mm, 堆焊过程中保证层间温度为280±10℃;中间热处理过程为阶段升温至490℃, 并随炉冷却至350℃后, 继续堆焊至成品尺寸准1 517.8mm。焊后热处理过程为阶段升温至540℃, 并随炉冷却至40℃以下出炉, 经后期加工达到使用尺寸。

以上为支承辊堆焊修复的工艺过程, 重点指出了堆焊中三个温度的控制, 根据不同焊丝的选择, 数据会有所变化。堆焊修复支承辊经过上机使用后, 过钢量对比新制辊使用经验, 修复支承辊使用寿命能达到新制辊性能, 生产成本降低30%以上, 具有良好的经济效益。

四、结束语

支承辊在钢厂中是十分重要的重型轧辊, 其应用量大面广。由于工况条件十分苛刻, 故对辊体材质要求具有很高的综合机械性能。尽管支承辊堆焊修复在我国已有10余年历史, 但目前情况仍然是面对不同强度级别支承辊, 较难在现有国产堆焊材料系列中选择相应级别材料进行堆焊修复, 钢厂对此也非常谨慎, 这是一个高难度的技术问题。

堆焊修复大型支承辊是一项系统工程, 需要一支训练有素的职工队伍。大型支承辊堆焊工作量大、周期长, 不仅要求操作人员有过硬的技术水平, 更要求他们具有高度的工作责任心和对质量一丝不苟的精神。另外, 供电保证、设备保驾、后勤保障都要周密安排, 做到万无一失, 丝毫的疏漏都会造成严重的后果。少数堆焊辊的提前失效充分说明大型热轧支承辊堆焊修复技术的高难度和复杂性。需要通过进一步研究、实践, 使大型支承辊的堆焊修复技术不断改进、完善和提高。

参考文献

[1]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京机械工业出版社, 2002.

矫直辊堆焊复合制造技术实践 篇2

中板矫直机矫直辊是中板厂矫直设备的主要消耗部件[1,2], 其材质为60Cr Mn Mo, 制作工艺为锻造、机加工、调质处理。材质的选择以满足辊面高硬度、高耐磨性为主。由于矫直辊母材合金含量较低, 在矫直生产过程中磨削量大、换辊周期短、使用成本高, 同时在钢板表面形成压痕。

为了提高矫直辊的各项性能, 本文针对某冶金中板厂十一辊矫直机矫直辊 (9支Φ250×3000mm的工作辊、2支Φ350×3000mm的导辊) 进行了堆焊修复, 并用于生产。其使用寿命高于原母材60Cr Mn Mo, 很好地满足了矫直辊的使用要求。

1 矫直辊堆焊材料及工艺的选择

1.1 矫直辊失效形式

通过对矫直辊表面辊系使用条件及失效形式进行分析, 主要有以下情况:

(1) 矫直辊工作表面淬火层易出现龟裂、掉快, 产生的微凸起硬点、粘结氧化皮在板材表面形成压痕;

(2) 矫直辊工作表面的硬度和强度及耐磨性下降, 轧辊消耗大;

1.2 堆焊材料的综合性能分析

矫直辊在≤800℃ (有水冷却) 的工作环境中长期运行, 应具有耐高温、高耐磨、高硬度、耐腐蚀 (水气) 、防蠕变、抗粘接 (氧化皮) 、高温疲劳强度 (防网状裂纹和剥落) 等特性。根据矫直辊的失效形式, 堆焊材料应具有以下特点:

(1) 含碳量为中碳, 材料变形小, 具有韧性、塑性及良好的导热性, 减少产生冷热裂纹的倾向。

(2) 含硅锰元素, 强化基体, 提高强度、硬度, 提高屈强比和耐腐蚀性。

(3) 高Cr元素含量, 强化基体, 抗氧化性和耐腐蚀性, 抗有害气体。当Cr含量大于5%时, 既耐热又具有高强度。当与碳形成碳化铬时, 明显提高强度, 有效防止与板面的粘接。

(4) 含Ni元素, 提高热强度和硬度而不降低塑性, 良好的耐腐蚀性能。特别是当与铬配合使用时更能发挥其良好的性能。

(5) Mo、W、Nb、Ti等元素, 强化基体, 细化晶粒, 提高高温强度与蠕变极限, 抗有害气体, 能有效防止与板面粘接。

(6) 焊接材质具有二次硬化倾向, 使用过程中不降低硬度, 反而会使硬度提高4~7HRC, 并使辊面硬度均匀化。

选择的焊接材料应具有焊接工艺性能好, 耐高温、高耐磨、高强度、耐侵蚀、抗氧化, 抗蠕变、抗粘接等特性, 综合考虑成本等因素, 修复后的矫直辊使用寿命应达到原辊 (60Cr Mn Mo材质) 的2倍以上。

1.3 堆焊材料选择

为了使矫直辊表面获得高强度、高韧性、耐磨的工作层, 结合矫直辊在使用过程中的不同工作条件, 选用了中冶集团建筑研究总院有限公司焊接所研制生产的ZY-YD255F-S作为矫直辊工作层, 以ZY-YD001-S焊丝作为过渡层, 其熔敷金属的化学成分见表1。选用ZY-SF60烧结焊剂作为堆焊焊剂, 其化学成分见表2。

1.4 堆焊修复工艺

选择埋弧焊作为矫直辊的堆焊修复方法。

1.4.1 焊前加工及检测

为了保证上、下矫直辊有效工作层厚度, 堆焊层的有效厚度应>15mm。矫直辊堆焊修复前必须经加工去除疲劳层, 再进行超声波探伤和着色探伤, 如发现裂纹等缺陷, 全部去除, 再次经探伤合格后方可焊接。

1.4.2 预热温度和层间温度的确定

矫直辊在堆焊过程前必须进行预热。预热温度、保温时间未达到技术要求, 堆焊层会形成较大的热应力, 产生裂纹;矫直辊表层在堆焊时也会发生马氏体相变, 形成薄的脆硬层, 从而导致堆焊层开裂和剥落。故堆焊前矫直辊应充分预热并在堆焊时保持焊道层间温度稳定。

预热温度由矫直辊材料和堆焊材料的合金体系来综合确定, 一般碳含量和合金元素总含量越高, 则预热温度也越高。预热保温时间和轧辊的直径、长度有关, 轧辊直径越大, 保温时间越长, 以保证轧辊内外均温。堆焊开始后, 焊道层间温度允许比预热温度低, 但不得超过50℃的温差。

针对此矫直辊, 综合考虑其直径、长度, 预热温度选择为400℃, 保温5 h;焊道层间温度为300~350℃。

1.4.3 堆焊工艺的确定

堆焊工艺参数是指堆焊时所采用的焊接极性、焊丝直径、焊接电流、焊接电压以及堆焊速度等。堆焊工艺参数主要取决于圆盘直径、焊丝直径和焊丝的合金元素含量。焊丝直径根据矫直辊的大小来确定, 一般在Ф2.4~4.0mm范围内, 小轧辊使用小直径焊丝, 大轧辊使用大直径焊丝。焊丝合金元素含量高的情况下, 选择较低堆焊工艺参数;反之, 则选择较高堆焊工艺参数。

本次研究进行的轧辊堆焊修复制造过程中, 采用Ф3.2mm的药芯焊丝, 堆焊工艺参数如表3所示。

1.4.4 焊后去应力回火工艺参数的确定

焊后去应力回火的目的是去除堆焊过程中产生的热应力和组织应力, 同时使堆焊组织产生“二次硬化”, 进一步提高和改善堆焊金属的耐磨性及耐热疲劳性。

回火工艺参数通常根据以下几方面因素来综合考虑设定:

(1) 以堆焊层材料的化学成分, 如含碳量以及Cr、Mn、Mo、W、V、Nb等合金元素的含量, 设定回火温度;

(2) 以堆焊层的厚度设定保温时间;

(3) 以堆焊辊的直径设定保温时间。

依据本文研制的药芯焊丝堆焊金属以及矫直辊母材的合金成分, 回火温度设定在530℃, 保温时间为10h。

2 堆焊材料试验

2.1试验工艺

用研制生产的药芯焊丝ZY-YD255F-S在25×250×200 mm的Q235试板上堆焊五层, 作堆焊试验, 在530℃×2h回火后, 随炉冷却到室温。

2.2 性能分析

2.2.1 熔敷金属的金相组织

堆焊层横截面金相试样用4%硝酸酒精溶液腐蚀, 结果如图2~图5所示。图2为底层焊缝和热影响区的分界, 分界上晶粒明显长大部分为热影响区, 组织为铁素体和少量珠光体;在热影响区上面的母材组织为铁素体和呈带状分布的珠光体。图3为底层焊缝, 焊缝组织呈柱状晶分布, 组织为马氏体, 少量残余奥氏体及回火马氏体。图4为盖面焊缝, 组织为马氏体, 还有少量白色小颗粒碳化物;图5是图4的局部放大, 可以明显看到基体组织上的碳化物颗粒。

2.2.2 熔敷金属的性能

(1) 硬度测试

采用HL-160A里氏硬度计测量ZY-YD127-S堆焊试样的硬度值, 结果如表5所示。原母材5Cr Ni Mo的锥辊要求硬度为HRC50, ZY-YD127-S堆焊材料的硬度与原母材5Cr Ni Mo的锥辊的硬度相当。

(2) 耐磨性试验

采用ML-10磨粒磨损试验机进行试验, 结果如表5所示。从表5可以看出, ZY-YD255F-S堆焊后矫直辊的耐磨性比60Cr Mn Mo提高了3~5倍。

其中:0#为60Cr Mn Mo;1#为ZY-YD255F-S堆焊熔敷金属。

(3) 拉伸和冲击试验结果

熔敷金属拉伸试验按GB/T2652-2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》进行, 常温冲击试验采用GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》的方法进行。熔敷金属拉伸试验的抗拉强度为1370MPa, 冲击试验试验结果如表7所示。

从表7可以看出, 堆焊金属具有较高的强度和一定的冲击韧性, 能够满足矫直辊的使用要求。

3 矫直辊堆焊修复现场情况

图6和图7分别为矫直辊工作辊和导辊的堆焊现场。矫直辊经修复后通过机加工和磨削加工, 探伤无裂纹、气孔等缺陷。

4 结论

(1) 结合矫直辊的工作条件, 通过自行研制的ZY-YD001-S和ZY-YD255F-S药芯焊丝, 对矫直辊工作辊和导辊进行堆焊修复。堆焊修复后的矫直辊无缺陷, 其强度和韧性与母材金属相当, 耐磨性比母材提高了2~5倍。

(2) 堆焊修复后的矫直辊投入生产线使用, 其各项性能满足使用要求, 延长了轧辊使用寿命, 减少了轧辊消耗, 降低了生产成本。

参考文献

[1]赵军.中板矫直辊辊面粘钢锈蚀产生原因及有效防治[J].甘肃冶金, 2013, (4) :45-47.

无缝钢管芯棒堆焊修复制造技术 篇3

芯棒是钢管行业连轧管机组轧制无缝钢管所必需的定管和定壁的重要工具, 也是连轧管机组中的主要消耗部件, 连轧管机组设备的生产维护费用中约50%以上是用于芯棒的消耗和报废更换。

芯棒在服役过程中的工况条件非常恶劣[1,2], 由于一方面要承受轧制过程中摩擦生热和管坯带来的高温热冲击 (高达1 150 ℃) 以及非轧制过程中的喷淋冷却水的交替循环作用;另一方面还要承受较大的径向轧制力以及由于管坯和芯棒之间在长度轧制方向上的相对运动所产生的纵向拉伸力和表面摩擦力。其破坏形式除表面产生不同程度的纵向、环向和龟裂状疲劳裂纹外, 还将产生较严重的磨损、划痕和弯曲变形。当某一在线芯棒的划痕和裂纹 (尤其是环向裂纹) 较严重时, 为了确保无缝管的质量和轧机安全性, 必须立即更换该芯棒。更换下来的芯棒, 在尚未完全报废的前提下, 先需车削去除芯棒表面所有缺陷, 并经过堆焊修复, 电镀硬铬后方能再次使用;或是不经过堆焊修复, 采用大规格改车小规格、电镀硬铬后再次使用。

芯棒由于复杂的生产工艺, 制造周期长, 价值昂贵, 寿命低, 采用堆焊复合制造方法可以为无缝钢管厂家不仅能够为节约大量备件成本, 而且大大缩短制造周期, 具有广阔的市场前景。

1堆焊方法及堆焊材料选择

无缝钢管芯棒材料为H13锻件, 其化学成分见表1。现有的芯棒的生产制造工艺流程为:

“电渣重熔+炉外精炼”获得H13 (4Cr5MoSiV) 钢锭→快速锻造坯料→完全退火→整体油淬火→二次高温回火→中温娇直→去应力退火→粗加工→精加工→磨削加工→移动式连续电镀硬铬→脱氢热处理。

针对无缝钢管芯棒的工作条件和使用要求, 选择埋弧焊作为芯棒的堆焊制造方法。为了使芯棒表面获得高抗疲劳性能的耐磨工作层, 以适合芯棒在使用过程中的工作条件, 选用了中冶焊接科技有限公司研制生产的ZY-YD108-S焊丝作为堆焊工作层, ZY-YD012D-S焊丝作为过渡层, 其熔敷金属的化学成分见表2。选用ZY-SF20烧结焊剂作为配用焊剂, 其化学成分见表3。

2堆焊制造工艺

2.1焊前加工及检测

为了保证芯棒在使用过程中的各项性能, 下线的旧芯棒严格按照JB/T5000.15/1998中的Ⅳ级标准对整个辊子辊面进行UT及MT探伤, 探伤合格后方可进行堆焊修复制造。

2.2预热温度和层间温度的确定

由于辊面较长, 在堆焊过程中, 如果芯棒未预热或预热温度不够高、保温时间不够长, 堆焊层会形成较大的热应力, 产生裂纹, 而辊子表层在堆焊时也会发生马氏体相变, 形成薄的硬脆层, 从而导致堆焊层开裂和剥落。因此, 堆焊前芯棒应彻底预热并在堆焊时保持稳定的焊道层间温度。预热温度的高低由辊坯材料和堆焊材料的合金体系来综合确定, 一般碳含量和合金元素总含量越高, 则预热温度也越高。预热保温时间则和辊道辊的大小和直径有关, 直径越大, 保温时间越长, 以保证轧辊内外均温。堆焊开始后, 焊道层间温度一般应保持在比预热温度略低的水平上, 但不得低于50 ℃。

针对Φ160 mm×15 000 mm规格的芯棒, 预热温度选择在400 ℃预热, 并保温5 h, 从而保证辊子完全热透;层间温度保持在250～300 ℃。

2.3堆焊工艺的确定

堆焊工艺参数主要取决于辊面直径、焊丝直径和焊丝的合金元素含量。焊丝直径由辊面直径的大小来确定, 一般在Φ2.4～4.0 mm范围内。通常, 小轧辊选择小直径焊丝, 大轧辊选择大直径焊丝。焊丝合金元素含量高的情况下, 选择较低堆焊工艺参数;反之, 则选择较高堆焊工艺参数。典型的堆焊工艺参数详见表4。

2.4焊后去应力回火工艺参数的确定

焊后去应力回火的主要目的是去除在堆焊过程中产生的热应力和组织应力, 同时使堆焊组织产生“二次硬化”, 进一步提高和改善堆焊金属的耐磨性及耐热疲劳性。

根据药芯焊丝堆焊金属以及芯棒母材的合金成分, 回火温度设定在650 ℃, 保温时间5 h, 一方面能使应力充分释放, 另一方面可促进基体组织中细小碳化物的弥散析出, 增加堆焊层的耐磨性及耐热疲劳性。回火工艺参数见图3。

3熔敷金属的组织和性能分析

3.1熔敷金属的金相组织

用ZY-YD108-S药芯焊丝在25 mm×250 mm×200 mm的Q235试板上堆焊5层, 作堆焊试验, 在650 ℃×2 h回火后, 随炉冷却到室温。堆焊层横截面金相试样用4%硝酸酒精溶液腐蚀, 其结果如图4～6所示:

图4为底层焊缝和热影响区的分界, 分界上晶粒明显长大部分为热影响区, 组织为铁素体和少量珠光体;在热影响区上面的母材组织为铁素体和呈带状分布的珠光体。图5为底层焊缝, 焊缝组织呈柱状晶分布, 组织为回火马氏体, 并有细小颗粒的碳化物析出。

图6为盖面焊缝, 组织为马氏体, 还有少量白色小颗粒碳化物;图7是图6的局部放大, 可以明显看到基体组织上的碳化物颗粒。

3.2熔敷金属的力学性能

(1) 硬度测试。

采用HL-160A里氏硬度计采用GB/T 13313-91试验方法测量堆焊试样 (四组) 的硬度值测量ZY-YD108-S试样的硬度值, 其结果见表5。

(2) 耐磨性试验。

采用ML-10磨粒磨损试验机进行常温耐磨性试验, 试验是在ML-10型圆盘销式磨粒磨损试验机上进行。试验前堆焊金属试样 (Φ6 mm×25 mm) 先在万分之一精度 (g) 光学天平上称重, 记录磨损前重量 (g) , 试验时在堆焊金属试样上外加载荷1kg, 磨损砂纸采用干磨砂纸 (石榴石) :P80 No.1—1/2, 且每个试样均用一张统一的新砂纸进行磨损。试验磨损时间均为30 min。磨损后试样再次在万分之一精度 (g) 光学天平上称重, 记录磨损后重量 (g) 。

为了量化统一堆焊材料熔敷金属 (研制堆焊辊硬面工作层) 的相对耐磨性能, 将相对耐磨系数定义如下:

undefined

其中:

undefined

相对耐磨系数 (相对于H13钢) 材料) 越小, 则表明材料的耐磨性能越好。

试验载荷为3 kg, 刚玉砂纸20#, 转速为100 r/min, 磨损时间为30 min, 用H13芯棒 (39～42HRC) 试样作为标准进行比较, 结果见表6。

从结果可以看出, ZY-YD108-S的药芯焊丝耐磨性和H13大体相当。

(3) 热疲劳试验及疲劳后的硬度测试:

热疲劳试验采用自制的ZY-PL001上进行, 加热时间为5 s, 冷却时间为10 s, 加热温度为650 ℃。分别用原H13芯棒和ZY-YD108-S试样进行300 ～1 500次的疲劳对比试验, 疲劳试验的好坏根据疲劳后裂纹长度进行判定, 相同条件下裂纹长度较短, 说明疲劳性能较好;反之, 相同条件下裂纹长度较厂, 说明疲劳性能较差。冷热疲劳后的硬度测试反映两种材料的高温稳定性。结果如下见图8。

由图可知:随着冷热疲劳次数的增加, H13和ZY-YD108-S两种材料的裂纹长度相应增加;在相同疲劳条件下, ZY-YD108-S的裂纹长度稍小于H13, 说明ZY-YD108-S的热疲劳性能稍好于H13的热疲劳性能。

上述冷热疲劳后的硬度测试结果表明:在相同条件下, H13的硬度稍高于ZY-YD108-S, 通过冷热疲劳后, H13和ZY-YD108-S硬度梯度没有发生明显下降, 说明这两种材料的高温稳定性较好, 均能够满足芯棒的使用要求。

4堆焊修复芯棒的加工与使用

图10为芯棒堆焊修复制造后的机加工现场。堆焊后通过机加工和磨削加工, 探伤无裂纹、气孔等缺陷, 最后通过镀硬铬完成芯棒表面的工作状态。通过在某无缝钢管厂上机试验和批量应用, 很好地满足了钢管厂的使用要求。

5结论

(1) 采用中冶焊接科技有限公司研制的ZY-YD012-S和ZY-YD108-S药芯焊丝, 对芯棒进行堆焊修复制造。堆焊后的芯棒无缺陷, 其强度、耐磨性能及热疲劳性能很好地满足使用要求。

(2) 堆焊修复制造后的芯棒经上机试验和批量应用, 很好地满足使用性能要求, 大大降低了生产成本。

摘要：采用中冶焊接科技有限公司研制的ZY-YD012D-S和ZY-YD108-S药芯焊丝, 对无缝钢管芯棒进行埋弧堆焊修复制造。通过堆焊修复后的芯棒, 其强度、耐磨性和抗热疲劳性能完全满足芯棒的使用要求, 为无缝管厂节约了大量成本, 创造了良好的效益。

关键词：堆焊制造,堆焊修复,无缝钢管芯棒

参考文献

[1]张晓燕.热轧钢管表面用芯棒的表面缺陷分析[J].上海金属, 2008 (2) :22—24.

矿渣立磨磨辊磨盘堆焊修复技术 篇4

堆焊是表面工程中的重要分支, 是借助热源手段将具有一定使用性能的合金材料覆于母体材料的表面, 使母材具有特殊性能或将已磨损的零件恢复至原始尺寸的方法。因为堆焊层与母材能够实现冶金结合, 使得堆焊层在应用中使用寿命长, 不易剥落。而且可以根据零件耐磨、耐蚀、耐高温等性能的要求, 选择合适的堆焊合金材料, 在工艺上灵活性非常大。

1 工况分析

联峰 (张家港) 钢铁集团矿渣立磨年产量为60万t, 由功率3000 k W电动机驱动, 通过减速机减速, 磨盘上的2个主辊、2个辅辊在磨盘的带动下转动, 碾磨由皮带机输送的水渣通过气动双翻板阀进入立磨内部, 水渣在立磨内部被碾磨成微粉, 同时被热风炉送入的热风干燥。经过选粉机选择的微粉由热风输送至气箱脉冲收尘器收集, 收集后的微粉通过空气输送斜槽向成品系统输送。部分不能通过选粉机的微粉和金属颗粒经过气动双翻板阀, 进入磨机返料外循环;返料由斗提机经鼓型除铁器除铁后再次进入立磨。

在生产使用过程中, 磨辊在较高的温度下运行, 要承受较大的碾磨压力, 及较大石子、铁渣、铁块等带来的巨大冲击力, 要求磨辊、磨盘具有良好的高温耐磨性和一定的抗冲击性。

高铬耐磨钢、高铬铸铁等高碳、高铬材料虽然可以满足碾磨水渣的使用要求, 但在碾磨水渣的过程中会受到周期性的应力和不定期的冲击力。磨辊在使用过程中还存在一些问题: (1) 因材料浇铸缺陷而引起的裂纹扩展, 易造成整个断面开裂而发生断辊, 危害设备; (2) 磨辊、磨盘耐磨性能差、寿命短、成本高。由于磨辊损耗至一定尺寸后就不能正常使用, 可试验在磨辊、磨盘表面堆焊一种耐磨性很好的金属材料, 以提高磨辊、磨盘的耐磨性。

2 堆焊焊接性分析

矿渣立磨磨辊和磨盘的焊接性体现在金属能否适应焊接加工, 而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头或焊接工作面的特性, 这主要决定于金属的化学成分。焊接性通常表现为两个方面的问题:1) 金属在经过焊接加工时对缺陷的敏感性;2) 焊接热影响区内母材性能变化。即金属焊接性既要考虑金属的结合性能还要考虑到结合后的使用性能。以高铬耐磨钢、高铬铸铁为材料的矿渣立磨为例, 主要考虑的是选择恰当的堆焊材料来保证焊后熔敷金属的耐磨性和耐磨层的大块剥落问题。

3 堆焊工艺

以下介绍联峰 (张家港) 钢铁集团矿渣微粉磨机的磨辊堆焊修复工艺:

3.1 堆焊方案的选择及分析

将磨损后的磨辊及磨盘衬板以硬面焊丝 (或焊条) 堆焊修复至原始尺寸, 此法由于具有堆焊层耐磨、低成本的优势, 已广泛地被厂家采用。实施硬面再生焊补的方法有在线施工和离线施工两种。

3.1.1 在线施工

无须拆下磨损后的磨辊, 节省部分拆换费用。缺点是如果工作量太大, 则停机的时间会加长, 增加停产损失。在线施工因工作条件不理想, 且对磨损后的母材无法做全面的检查, 更加大了断裂 (包括施工中及运转中) 的可能性, 风险很大。一般在特殊情况下采用, 例如磨辊局部表面剥落或矿渣磨 (因其磨损较快, 且磨耗增加效率下降会很快, 焊补周期短, 且工作量不大) 。

3.1.2 离线施工

拆卸下磨损后的磨辊或磨盘衬板, 实施堆焊修复。缺点是磨辊或磨盘衬板必须卸拆, 增加了拆换费用。优点如下: (1) 离线施工不会影响停机时间, 降低不必要的损失。 (2) 可以详细检查拆卸下来的磨辊或磨盘衬板母材是否存在裂纹, 以减少断裂的风险。 (3) 修复质量可以得到保证, 施工中根据原图尺寸, 以全面的施工工艺及技术为基础, 保证磨辊的真圆度和磨盘衬板的平衡性, 避免在使用过程中因震动过大而导致磨机损坏的情况发生, 同时也能节省电耗。

3.1.3 工艺分析

由于耐磨层的抗拉强度很小, 即耐磨层最主要是耐磨的功能, 所以当磨损后的母材强度难以支撑粉磨运转时的压力和平面剪切力时, 虽然焊补至原始尺寸, 但在使用中也会有断裂的风险存在。由于堆焊时产生了局部加热, 而局部加热会使高铬铸铁母材断裂的可能性增加, 所以在施工时, 选择正确的工艺和充分考虑环境条件是十分重要的, 需要在选材配料和加工时预先规避这样的风险。

3.2 堆焊材料的选择

高炉矿渣立磨磨辊原材为硬度较高的高铬合金铸铁。由于磨辊工作时承受很大的载荷, 及高温磨损等, 因此要求磨辊有较高的抗磨料磨损和耐粘着磨损的能力, 并能承受一定的冲击力。为改善母材熔合区的韧性, 防止耐磨层剥落或辊胎断裂, 耐磨层下需焊过渡层, 选用H08Mn A (φ3.2mm) 配焊剂进行焊接, 对局部磨损严重的部位用E5015焊条补焊找正;耐磨层工作面采用高铬铸铁型焊丝 (Delc rome103、Delcrome911、Delcrome103HD, φ3.2mm) , 配以107焊剂进行堆焊。

高铬合金铸铁堆焊金属的裂纹倾向很大, 焊层具有细密的网状裂纹, 是释放应力所必需的, 有利于防止焊层大面积剥落。实践证明, 这些裂纹并不会扩展, 且对耐磨性影响不明显。

3.3 堆焊方法

主要采用的堆焊方法有两种: (1) 用Φ3.2 mm~Φ5mm的药芯焊丝在焊剂层下进行自动埋弧堆焊; (2) 使用Φ1.2 mm~Φ3.2 mm自保护药芯进行明弧堆焊。由于明弧堆焊性能可靠、不易引起母材开裂变形, 所以得到了广泛应用。明弧焊时, 焊机在摆动器带动下形成焊道宽度可调的堆焊焊道, 能适应高质量、高效率的焊接质量要求, 自动化程度高, 减小了手工焊接方式因焊工长时间连续工作引起的疲劳及焊接质量下降;同时, 实现了生产的自动化。

3.4 焊接电源及参数

(1) 采用ARC-NMP7-1磨辊、磨盘型自动明弧修复系统;

(2) 采用ARC-NMP7-1磨辊、磨盘自动明弧堆焊焊机;

(3) 电源极性:直流反接;

(4) 焊接电流:350~450A;

(5) 电弧电压:30~40 V;

(6) 焊接速度:5~6 min/r;

3.5 焊前准备

(1) 按工艺要求烘干焊剂待用。

(2) 堆焊前, 将待焊磨辊/盘表面的砂眼、裂纹或局部剥落部分用砂轮打磨, 补焊平整, 并作清理。

(3) 检查焊机各控制开关, 试转变位机。

3.6 焊接操作工艺

(1) 堆焊工作中, 先堆焊过渡层, 然后堆焊耐磨层。

(2) 焊前预热:开启变位机, 磨辊处于垂直位置。用两把氧气-乙炔烘炬同时加热, 同时磨辊匀速转动。加热到200℃左右时停止, 待40 min后, 磨辊内外壁温度基本均匀, 用钢丝刷清除磨辊表面铁锈。

(3) 调整焊接位置:停止加热后, 将磨辊待焊接边缘调至水平位置, 移动机头至磨辊边缘处, 焊接机头左偏磨辊中心线5~7mm。

(4) 接通焊机电源:待磨辊壁温度不低于100~150℃时, 合上开关, 开启焊机开关, 启动焊机。

(5) 调整焊丝位置:使焊丝伸出15-20mm, 启动变位机, 使焊丝与工件有轻微压力接触 (刮擦现象) 。

(6) 引弧:按下启动按钮, 此时开始引弧。调节机头高度以看不到明弧为宜。此时控制盘上电弧电压应为30V, 焊接电流为350A。调节磨机转速为5~6r/min, 。

(7) 焊接过渡层:电弧电压稳定后, 开始焊接过渡层, 从磨辊外侧边缘向内侧焊接。焊完一道后再焊下一道, 下一道焊缝应覆盖前一道焊缝1/3为宜。焊完一层后, 再焊第二层, 过渡层需焊三层, 后一层焊道安排在前一层焊道中间。焊接过程中, 注意及时清理焊渣, 添加焊剂。应注意控制焊辊的温度低于20 0℃, 若温度超过20 0℃, 应停机冷却后再继续进行。

(8) 堆焊耐磨层:过渡层焊完后, 堆焊耐磨层, 焊接层数不限, 以符合磨辊尺寸标准为止, 施焊过程与过渡层相同。

(9) 焊后缓冷:堆焊结束后, 立即用保温棉将磨辊包扎起来, 使其在室温下缓冷。

(10) 硬度检测:洛氏硬度为HRC54~60。

4 结束语

(1) 矿渣立磨磨辊、磨盘衬板在使用磨损后, 可进行4~5次堆焊修复, 实现重复使用;

(2) 通过合理选用堆焊材料和正确的堆焊工艺, 堆焊磨辊、磨盘衬板可比新磨辊、磨盘衬板有更好的耐磨性和抗冲击能力, 解决了耐磨层剥落、断辊等问题, 降低了设备检修费用, 延长了使用寿命。

摘要：通过对矿渣立磨磨辊、磨盘衬板的焊接性分析, 提出了控制磨辊、磨盘衬板焊接性能的措施, 以及堆焊修复磨辊、磨盘衬板的方法。

堆焊技术在汽车模具上的应用 篇5

大多数汽车制造业已广泛采用堆焊技术, 如汽车覆盖件切边模、拉深模、成形模等。

1 堆焊在汽车覆盖件切边模上的应用

覆盖件的切边通常在拉深成形后进行, 是覆盖件冲压加工中非常重要的一道工序, 一般是不可缺少的。覆盖件的切边线多为较长的不规则轮廓, 形状复杂, 模具刃口冲切的部位, 可能是任意的空间曲面, 而且冲压件往往有不同程度的弹性变形, 冲裁分离过程通常存在较大的侧向力等等。故覆盖件切边模具凸、凹模工作部分一般采用拼块结构, 为了节约模具钢, 刃口采用堆焊结构, 如图1所示。

根据模具要求, 基体材料选用42CrMo, 堆焊焊条选用D322焊条 (系5W8Cr5Mo2V合金) , 其直径为3.2m m。堆焊时, 采用倒45°坡口的形式, 冲切板料的厚度小于1mm时, 堆焊刃口边长t=6mm, 当冲切板料的厚度为1～4m m时, t=8m m。

1.1 基体加工

如图2所示为基体加工后的状态, 凸模刃口的周边要比制件的外形尺寸在单边上小1～2mm。凹模内形尺寸要比制件尺寸在单边上大1～2mm。刃口周边都必须倒坡口, 其形式及尺寸按设计要求而定。

1.2 堆焊工艺及具体措施

堆焊工艺规范有参数如表1所示。

堆焊过程中采取的具体措施如下:

(1) 堆焊前应彻底清理待施焊部位的油、砂、污等脏物。 (2) 一般采用焊条电弧焊、直流弧焊机, 为保证质量, 宜采用反极性接法, 焊接电流一般控制在110A。 (3) 焊接时控制速度在100mm/min、弧长约5mm左右, 不宜采用多层连续焊, 避免焊接过程中摆动太宽, 以免产生气孔等缺陷。 (4) 不能在应力集中处收弧, 收弧时弧坑必须填满, 再引弧时要压过弧坑20～30mm, 以防止弧坑产生裂纹。 (5) 每焊完一道趁红热状态用榔头锤击焊缝, 锤打不宜重但要密集, 以清渣和消除应力。 (6) 层间温度要控制在小于100℃, 否则会降低堆焊层的硬度。 (7) 刃口堆焊的高度控制在能磨出刃口即可, 不能太小而出现刃口打磨后由于没有焊满而导致的补焊现象;也不能太高, 太高不仅浪费焊条和刃磨时间, 而且易产生应力集中。

1.3 堆焊后的加工

为消除焊接残余应力, 堆焊完成后, 应立刻进行回火处理, 以减少开裂。

堆焊刃口的刃磨, 可采用金刚石锉刀、角向砂轮或硬质合金旋转锉等进行初步打磨。然后, 借助于按工艺模型制造的样板精修凸模, 当凸模达到要求后, 再按要求的冲裁间隙, 用凸模配修凹模。对大批量生产且具备加工条件的话, 可用数控坐标磨床或数控铣刀磨, 依程序控制精修凸、凹模刃口, 可大大提高模具精度。

2 堆焊在汽车覆盖件拉深模刃口修复上的应用

汽车覆盖件拉伸凹模如图3所示, 材料为Crl2MoV, 因工作部分的承压面积较大, 刃口部位发生了磨损、啃坏、崩刃及塌陷。现采用刃口堆焊技术对其进行修复。

2.1 修复前的准备

先将拉深凹模待修复部分用砂轮打磨成与刃口平面成30°～45°的斜面, 斜面宽度视刃口损坏程度而定。焊前需彻底清洗模体堆焊处, 使堆焊的部位无油污、铁锈、脏物及其它杂质。

2.2 堆焊工艺流程

(1) 焊条的选择。冷冲模刃口堆焊焊条多采用等成份原则选用焊条, 通常采用与冷冲模具钢合金成分不完全相同又与母材有较好相熔性的焊条。焊条应有良好的焊接性能, 对本拉深凹模最终选用D322焊条。 (2) 焊条的烘干。电焊条容易吸潮, 堆焊前必须按焊条说明书规定进行焊条的烘干。D322焊条必须在250℃烘干1小时。 (3) 拉深凹模的预热。由于本模具材料的可焊性较差, 焊接时容易产生夹渣、脱壳与开裂等缺陷, 故焊前需对拉深凹模进行预热。预热温度控制在400～450℃范围之间, 速度控制在0.8～1.0m m/m in, 但最小加热时间不应少于45m in。 (4) 弧焊电源及堆焊电流。为保证质量, 堆焊时采用直流电源反接, 堆焊电流可根据说明书的要求选择。电流太大, 会增加合金元素的烧损和提高稀释率, 造成焊缝边缘及端部咬口;过小会直接影响堆焊质量。本例中堆焊电流为120～150A。 (5) 堆焊操作。为保证质量, 堆焊时应采用分区分层的方式进行, 运条方式采用螺旋式轨迹移动。焊完一层后, 应立即用手锤锤击焊面, 以清理焊渣, 减少焊接应力, 防止开裂和产生砂眼。

2.3 堆焊后热处理

堆焊后必须立刻进行回火处理, 以防堆焊后凹模的开裂。回火温度通常取540～560℃, 一般需经三次回火, 第三次回火后, 可随炉冷却。如图4所示。

回火时保温时间可按经验取15min/25mm, 不易过长, 太长硬度就有下降的危险。经过3次回火后, 可随炉冷却至室温, 此时回火后的硬度, 一般可达58～62HRC范围内。

刃口处的后期刃磨加工通常采用磨削工艺, 严格按照凸、凹模刃口尺寸及制造精度加工, 直到检验拉深凹模的形状及尺寸符合要求为止。本模具通过上述方法修复后, 可再次使用, 从而延长了模具服役时间 (通常可延长1～2倍) , 同时也节约了冷作模具钢。

3 结束语

随着汽车工业的发展, 汽车市场的竞争日益剧烈, 堆焊技术在汽国模具上的应用, 不仅可缩短制造周期, 减少贵重模具钢的消耗, 降低成本, 且便于生产中的维修, 明显提高模具的使用寿命, 有效提高生产率。

参考文献

[1]郑晖, 于利凯.汽车前底板冲压工艺分析与拉深模设计[J].锻压技术, 2009, 34 (3) :103-105.

[2]张蓉, 钱书琨.应用刃口堆焊修补失效冲裁模[J].锻压技术, 2005, 30 (1) :73-74.

[3]洪慎章.冷冲模堆焊制造工艺[J].模具制造.2007, (6) :67-69.

[4]任雪岩.日本汽车模具的刃口堆焊[J].焊接技术, 2000, 29 (6) :12-13.

[5]李亚利.汽车覆盖件切边模铸铁基体堆焊刃口工艺[J].模具工业, 1993, 12:48-50.

堆焊技术 篇6

表面堆焊技术是零件表面修复技术的一种, 就是利用手工电弧焊对受损零件的表面加以堆焊或修补, 或经过机床加工, 恢复零件的原有尺寸, 必要时通过热处理改善其性能。评定修复层的主要指标为:修复层与基体金属的结合强度;修复层的耐磨性和耐腐蚀性;修复层对零件疲劳强度的影响。上述指标中结合强度是评定修复层质量的首要指标。

一、车用铸铁件的表面堆焊修补技术

铸铁件的焊补方法很多, 有手工电弧焊、气焊、CO2气体保护焊、手工电渣焊。手工电弧焊又分热焊、半热焊、冷焊;气焊又分热焊、加热减应区焊、不预热焊等。在选择这些焊补方法时, 主要根据铸件的大小、厚度及焊补处的缺陷情况、刚度大小等复杂程度及焊后要求 (如是否加工、致密性、强度、颜色等 (来选择。车用发动机缸体属于非易损基础件, 一般寿命较长, 除遇意外事故, 都能用至机器报废。但有时也会发生破损、裂纹或曲轴主轴承座孔失圆变形等情形, 在这种情况下更换整个缸体无疑会造成巨大浪费, 因此必须想办法加以修复。

车用发动机缸体由于冬季常会在室外停放时忘记放水, 因而缸体气缸套处开裂一道长约4cm的裂纹, 运用手工电弧焊修复工艺如下:焊条选用铸612铜铁焊条, 焊条直径3.2mm, 焊后不进行机械加工;将裂纹周围清洗干净, 包括油污、铁锈, 裂纹深处的油污和水用氧—乙炔火焰加热, 直到不冒烟为止。修整裂纹, 在裂纹两端钻Φ3mm的止裂孔。为了增大结合强度, 沿裂纹方向用手砂轮开出U形坡口, 坡口开度120°, 深4～6mm。坡口两侧25mm以内用钢丝刷打光, 露出金属表面。施焊前, 使缸体裂纹成水平位置放置, 运条方向由两端向中间进行, 待整条裂纹焊补完毕后, 再焊两端的止裂孔。焊接速度为3.2～3.5mm/s, 电流为80～110A即可。

汽车、拖拉机缸体出现裂缝、穿孔或外形损坏等多种缺陷需要焊补修复的情况, 由于汽车、拖拉机缸体通常采用HT21-4和HT15-32材质制成, 再加上气缸结构复杂、壁薄而且不均匀, 焊接时很容易产生裂纹, 因此给焊补工作造成很大的困难。根据实际生产条件、生产效率以及经济因素等, 以手工电弧冷焊应用较多, 常见气缸体焊补的工艺方法如下:东风车气缸因大修拆卸时, 把缸体表面打掉一块, 采用以低碳钢板为补块替代, 并用手工电弧冷焊, 用小3.2mm铸308焊条, 焊接电流I=100A, 短段焊、断续焊、分散焊这一工艺。采用这一工艺是根据此缸体缺陷位于表面, 不需加工, 如果将原块补上, 应力加大, 填充金属多, 抗拉抗裂性差而采用的。对于此工件, 首先仔细清理缺陷附近的油污杂质, 低碳钢板退火不留间隙, 只在铸件四周开半侧坡口, 用小3.2mm直径的铸308焊条和506碳钢焊条交叉使用 (这样既保证了质量又降低了成本) 。点固电流和焊接电流一样采用100A, 每次焊缝长度不超过20mm, 焊后立即用小锤迅速锤击焊缝, 以消除应力、减少裂缝, 并使焊缝致密, 如有微小气孔、夹渣, 经过锤击就能减少漏水, 而不影响焊缝的抗拉力。每次焊后都应等焊缝冷却到可以用手摸并且用钢丝刷刷干净后再焊一道, 如此反复进行直到焊完。如果气缸缸体被冻裂裂缝长50mm, 中部凸出5mm错口。可根据缺陷的裂纹较长、刚性大等情况, 采用压铁压平, 在裂纹两端钻止裂孔。采用中3.2mm直径的铸308焊条, 用砂轮打磨坡口, 每次焊缝长10～15mm, 用小锤锤击焊缝, 用钢丝刷刷干净, 冷却到60℃左右时再焊下一段, 焊完后, 用30×50×3mm的钢板三块在焊缝补贴块加强, 最后封焊止裂孔。实践表明, 以上采用的工艺方法切实可行, 在铸铁焊补特别是气缸体的焊补中, 值得推广和借鉴。

康明斯发动机缸体曲轴主轴承第二、三座孔同轴度误差达0.13mm, 由于轴承座孔上有轴瓦覆盖, 仅起支承及散热作用, 焊接强度要求不高, 但精度需达到一定标准, 可采用钎焊修复轴承座孔, 然后在搪瓦机上加工成型。由于曲轴主轴承处是受力部位, 黄铜的结合强度在200MPa以上, 因此选用黄铜。用油洗去或用火焰吹去座孔表面的污物, 用砂布打磨, 露出金属表面, 焊补过程中用硼砂清除焊层表面的氧化膜, 可增加黄铜溶液侵入被焊金属间隙的能力, 保护焊层钎料和工件表面免受氧化。如果座孔变形区较大, 应分区施焊, 每个区段的熔池力争一次填满。堆焊层要离出座孔基面3mm以上, 留出充裕的机械加工余量。按规定力矩上好轴承盖, 在搪瓦机上按标准加工成型。此外, 用黄铜作钎料, 用火焰加热, 修复发动机缸体两缸套间的裂纹, 两缸套间下陷等, 均可取得良好效果。

二、车用铸造铝缸体件的焊接特点

中小型发动机的缸体多采用铝合金制造, 常用件大多数也采用铝合金铸件。因铸造中缩孔、组织疏松、厚薄不均、气孔、塑凹等缺陷, 加上在运行中超载、道路不平等因素, 常出现缸体漏油、漏水、局部开裂等现象。

从物理性能上看, 铝的导热系数约为低碳钢的5倍, 热容量大, 线膨胀系数比低碳钢大1倍多, 结晶收缩度大约两倍, 熔点低, 中高温时强度更低, 所以必须采用能量集中的热源, 以保证熔合良好。其次因为铝的塑性强而强度低, 加之焊接时产生较大的焊接应力, 会把焊好的铝缸体拉裂, 故应采用垫板、夹具, 以保证质量和防止焊接变形。铝合金由固态转变为液态时, 颜色变化不大, 从低温到高温时很难分清焊缝的温度色, 因此可用彩色粉笔在待焊处边缘画一条线, 温度升至颜色消失即可施焊。同时, 铝合金的Mg、Zn、Mn均易蒸发, 不仅影响焊缝性能, 也影响操作。铝在高温时强度低 (纯铝370℃时强度不超过9.8MPa) , 很容易因托不住熔池内液态金属而下坠, 轻者不塌, 重者烧穿, 附下的铝液凝固后, 形成障碍阻挡油、水道。

从化学性质上看, 铝合金表面极易形成难熔的氧化膜 (Al2O3熔点2050℃) , 其密度与铝的密度极其接近, 不仅妨碍焊接, 而且容易形成夹杂物。氢是铝焊接产生气孔的主要原因, 在液铝中氢的溶解度为0.7L/100g, 在660℃凝固点时氢的溶解度骤降至0.04L/100g, 使原来溶于液态铝中的氢大量析出, 形成气泡。同时由于铝和铝合金的密度小, 气泡在熔池中上升速度慢, 加上铝的导热性强, 熔池冷凝快, 上升的气泡往往来不及逸出而残留在焊缝中成为气孔。因此, 焊前清理焊丝和去除补焊处的氧化膜, 对焊接质量有极其重要的影响。除了焊前采用机械、化学清理外, 焊接过程中还必须加强保护, 这就需要采用破坏或除去氧化膜的焊剂。焊剂由氯化物组成, 对铝缸体、铝合金零件有很强的腐蚀性, 焊后必须彻底清除。

三、车用铸造铝缸体件的焊修方法

目前车用气缸体的材料以铸造铝硅合金为主, 铝硅合金的焊接性较差, 容易产生塌陷、热裂纹、气孔、烧穿等缺陷, 还会发生铝的氧化、合金元素的烧损蒸发、焊缝性能降低等问题。为了解决这些问题, 应采用正确的焊接方法和较为合理的焊接工艺, 以汽车铸造铝硅合金缸体出现的裂纹缺损为例的焊接方法。

焊接铝合金的方法很多, 常用的是气焊和氩弧焊, 气焊设备简单, 操作方便, 成本低, 采用合理的工艺措施可以保证焊接质量。因此选用气焊方法来修补铝硅合金缸体的裂纹。

焊前准备坡口为防止焊接过程中裂纹扩展, 首先在裂纹端部用Φ6mm的钻头钻止裂孔, 坡口形状正确, 可保证填充金属与母材熔合良好, 避免产生气孔、未焊透等缺陷。

焊前首先要清理气缸体内的油污, 清理方法有两种:一种是用热碱水清洗;另一种是用火焰烘烤缸体内腔, 然后清理缸体表面, 用钢丝刷或刮刀清除工件表面上的氧化膜, 使其露出金属光泽。工件经过清理后, 在存放过程中会重新产生氧化膜, 因此应在清理后尽快焊接。需要注意的是, 在清理氧化膜时, 不宜用砂纸或砂轮打磨, 以防止砂粒留在金属表面, 焊接时易产生夹渣等缺陷。

垫板铝合金在高温时强度很低, 液态金属流动性能又很好, 焊接时熔池容易下塌。为防止烧穿, 在缸体内的裂纹处支撑上石棉布衬垫焊前预热。为了使接头附近达到所需要的焊接温度, 以减少形变、未焊透和气孔等缺陷, 焊前应进行预热。

用气焊铝合金时, 焊丝的选用原则是与母材成分相近, 同时考虑抗裂性、耐腐蚀性和焊接接头的力学性能的要求。焊接时金属的流动性好, 焊缝金属有较高的抗裂性能, 也能保证一定的力学性能。铝合金焊件在焊前虽然经过清理, 其表面的氧化膜不一定清除得十分干净, 而且在焊接时由于加热又产生新的氧化膜。气焊时, 需要采用熔剂来清除熔池中的氧化膜和其它杂质, 提高熔化金属的流动性, 使焊接过程顺利进行, 保证焊缝质量和成形。

焊前预热, 两把焊炬用中性焰同时预热裂纹周围各个棱面, 预热要充分, 均匀预热后进行补焊时。另一焊炬继续对裂纹周围加热, 以保证其预热温度。焊接时, 焊炬保持在一定的温度, 焰芯端距工件表面3～5cm做直线前进, 火焰对着熔池, 焊丝在火焰保护范围内做上下跳动。下送时, 焊丝带着熔滴插入熔池, 并拨开熔池表面的氧化膜, 随即又将焊丝从熔池内向外拉出, 依靠焊丝的这种运动来破坏熔池的氧化膜, 并搅动熔池使杂质浮以获得良好的焊缝, 在气焊过程中焊炬的倾角可视熔化情况而改变, 接近收尾时应适当减小焊炬倾角, 同时加快焊接速度, 并增加填充焊丝, 收尾时一定要填满火口。

若缸套筋断裂, 应压出两相邻缸套;若座圈筋断裂, 应掉所镶两边圈座;若螺孔坏牙, 应先扩约10～12mm孔。将缸体补焊处两侧约30mm范围内的油污、水份、杂物去除, 用汽油清除干净。壁厚在5mm以上, 最好开坡口。用焊枪或喷灯烧去残留油污、水份, 用钢丝刷刷去杂物直至露出金属光泽。室温在10℃以下准备2×2m的2～3块石棉布, 待用 (待后保温用) 。准备HO1-6型焊枪5号嘴 (以下自加温至缓冷, 焊枪始终采用中性焰, 避免氧化焰) 。将铝209Φ4mm焊条, 烘焙150℃约1.5h待用。若无烘箱, 在火炉或电炉上离火约70mm高处, 放一块比所用焊条宽一倍、长350mm、厚2mm铁皮, 放上焊条后再盖上一块较薄的铁皮, 焊条应经常翻动, 烘烤约2h即可, 随用随取。若无法购到标准焊条可自制, 用L104铸成Φ4～Φ6mm铝丝, 最好用ZL101或311铝硅焊丝、长度约300mm, 将气剂401铝焊粉或用KC149.5-52、NaC127-30、LiC113.5-15、NaF7.5-9自配药粉, 用开水 (最好蒸馏水) 调成糊状, 在焊芯上均匀敷约1.5mm厚, 端头留约25mm焊钳夹位, 晾干后用以上方法烘干。因铝的导电能力约为铜的一半, 所以焊条制作要求不太高。把缸体、缸盖放平, 用焊枪或喷灯缓慢地将缸体周围均匀预热到150℃左右, 应重点加热施焊处, 烧尽补焊处裂口内或缺陷内的油污, 使水份蒸发, 约250℃时再迅速用钢丝刷刷去杂物, 至金属光泽为止。较长焊缝应先点固后去渣, 刷净。

手工电弧焊施焊时, 补焊处应放水平位置 (以下同) , 采用直流电源, 反接, 电流90～110A, (用烘好的铝209焊条) 焊螺孔时, 焊条作圆周转动, 边缘要注意焊透, 一次不行去渣刷净后填二次, 填至高出约1.5mm即可。若是几处筋断裂, 应分段交叉焊, 以免应力过大而拉裂其它部位。补焊时加热的焊枪或喷灯应在补焊对面和上面作往复均匀加热, 以减小应力集中。补焊时应避免电弧划伤未焊处, 特别是缸体加工面。在整个补焊中, 焊条应垂直焊件表面不作摆动, 直线运条, 电弧应尽量采用短弧以减少氧化、飞溅、空气侵入, 不留弧坑, 动作应快 (约为钢的3倍) 以免焊漏, 换焊条必须快速进行, 去渣也应迅速, 最好是一条焊缝一次焊完, 较长焊缝应在点固处停顿。焊好后, 低凹部位或弧坑应迅速补焊, 焊后去渣, 刷净。缸体、缸盖焊后平放在平台上, 温度降至150℃后用小榔头轻击焊缝处, 以减轻或消除一定应力并使组织细化, 同时加热整个缸体约150℃, 用准备好的石棉布覆盖缸体, 使之缓慢冷却 (缸盖补焊后可采用压板紧固, 避免变形, 以下同) 。碳弧焊采用交流焊机, 用Φ6～8mm碳棒, 若无可采用较粗的铝电缆线代用, 有条件的最好作焊前预热, 焊后缓冷, 电弧约1.5mm, 焊速应快。

由于碳棒的烧损和高温氧化, 使熔池杂物较多, 氧化膜也较厚, 氧化膜盖于熔池表面, 妨碍了焊接过程的正常进行, 故焊丝应在熔池中轻轻搅动 (搅动时用力不能过大, 否则会捅穿熔池) 。铝的吸热量相对较大, 熔池难以控制, 最好用钢板做垫板, 以防烧穿而下塌等。补焊时应特别注意焊缝中的夹渣、未溶合、示焊透、烧穿等等缺陷出现。补焊处余高不能太大, 碳弧焊时只要把握好电弧、熔池、拨渣, 获得的效果还是可以的。

缸体最好不采用气焊, 因焊后变形较大, 就是焊好也难以加工。若焊油底壳或一般小零件可采用气焊, 大件最好另用一支焊枪或喷灯加热。焊嘴与焊件夹角约30°, 焊丝角约90°。应在补焊前端头约40mm处开始预热, 达到预热温度后开始补焊, 将焊嘴移至裂口前10mm起焊。一条焊缝应一次焊完, 中断后再次起焊时, 预热、起焊工艺同前。施焊时焊丝 (最好把焊药敷在焊丝上) 也应轻搅动熔池, 使氧化物、杂质上浮后焊缝熔后良好, 并促使气体从熔池中逸出。收尾时应超过裂口终点或补焊处约20mm以上, 补焊完焊枪应缓慢提高, 待熔池全部凝固后, 焊枪继续加热油底壳周围, 使整体加热约200℃以上, 此时应迅速把油底壳加工面平放于平台上, 防止收缩时产生较大的形变, 最好用石棉布保温。使用焊粉焊接的部位 (最好正反面) 冷后用热水、钢丝刷边刷边洗, 把补焊处残留的焊粉、氧化物清理干净。晾干后, 用平整铲去除余高, 再用大小平锉、半圆锉或圆锉锉平, 用砂布打磨光滑即可。螺孔按原尺寸钻孔攻丝。整修后, 若发现有较大的气孔, 可用钻将气孔扩大约2mm, 但不得钻透, 钻后用相应粗细的 (比孔深长约1 mm) 铝线作成铆钉, 用榔头铆紧, 锉光, 砂平即可使用。

补焊后用石棉布包覆, 使其缓冷。焊件冷却后用圆头锤锤击焊缝表面, 以消除焊接应力。焊后需要及时清理留在焊缝及邻近区域表面的熔剂和熔渣, 否则在空气、水分的作用下, 残存的熔剂和焊渣会破坏具有防膳作用的氧化膜, 从而导致工件的强裂腐蚀, 因此焊后撤去衬垫, 用热水或蒸气将焊件上残存的熔剂和熔渣清除干净。焊后用煤油渗透法检查补焊区的致密性。

四、车用铝质气缸盖常规的焊修方法

铝质气缸盖是铝合金铸件。它的内部形状很复杂, 在工作过程中, 上面有时会产生裂纹, 下面水道孔易被硬水腐蚀, 常常需要修复。用焊接加工修复, 一般不需要预热。如遇裂纹过长, 就要进行预热, 还必须开V型槽, 并将焊接处的氧化铝及杂质彻底清除, 再把另一废气缸盖用螺栓拧紧而合并, 避免变形, 然后预热到250℃～260℃, 将它放平施焊。焊补裂缝时, 应分成长50～60mm的区段, 自裂缝中间开始, 相继背向焊接, 也就是采取逆向焊法。

在焊接过程中, 由于铝质气缸盖是铝合金铸件, 因此氧化物较多, 可将焊条加热蘸上焊剂, 加入熔池, 再用火焰将焊条彻底熔化, 滴入熔池。同时用焊条或另用铁条伸到熔池搅动, 并再次加入焊剂, 使熔化金属内部的氧化物与焊剂发生作用, 让它熔解成焊渣上浮而加以清除, 如此继续至焊完。但有时, 在熔池边缘, 往往结合不良, 这是因为缝边温度不够, 以及有氧化物。遇到这种情况, 可用铁条将边缘氧化物划掉, 再进行加温, 使熔池金属从下向外流, 就可得到良好的焊接。要取得好的焊接质量, 与焊条有很大关系。一般采用含硅50%, 其它是纯铝或铝、铜、硅焊条。如果没有这类焊条, 可将废气缸盖熔化制成焊条, 这是最有理想的。除此在焊完后让其缓慢降温, 最后必须彻底清除熔渣。

五、车用合金件的表面堆焊修补技术

车用合金零部件的常用表面堆焊修复技术有手工电弧焊及软、硬钎焊之分, 主要以钎料的不同来区别。手工电弧焊修复工件的质量较高, 但对零部件的疲劳强度有一定影响, 制定工艺时要注意, 钎焊则相反。多数零部件焊后需进行机械加工或手工加工, 以恢复到原有尺寸, 堆焊时应注意有充裕的加工量。

合金零部件设计取决于自动焊接中心和变位机的选型, 变位机决定零件相对于自动焊接中心的焊接位置。有些零件要求多轴运动的变位机以协调焊接;有些零件在焊接时则要求单轴的变位机来重复定位;还有零件不需配置变位机。在零件设计 (或工艺设计) 阶段, 需要对焊缝接头进行评价, 目的是保证焊缝接头容易重复和容易焊接。例如, 搭接接头和角焊缝是较多的焊缝形式, 因为这样焊缝和熔滴易控制。外角焊则较困难, 因为会产生裂缝或会使零件滑动。开坡口的焊接较少考虑, 因为零件的定位、焊接量的变化和焊缝等不易控制。

合金零部件的重复精度的变化会明显放大焊缝接头的重复精度的变化。典型的焊缝接头重复精度可节约一半的焊丝。Φ1.2mm的焊丝是自动焊接中心常用的焊丝, 焊接接头的重复精度要求是±0.584mm, 重复精度的变化要求自动焊接中心控制或改变焊接工艺来适应。适应性包括焊丝导嘴探测、焊缝跟踪、起弧或断弧缺陷或使用先进的夹具进行多步焊接。焊接中心尽可能地考虑交替使用焊接机头进行焊接, 焊接臂上的焊接机头不一定能焊接所有零件的所有位置。

车用变速器齿轮由于齿面表层局部损坏, 采取堆焊后可用手砂轮和油石进行修整, 无须进行复杂的热处理, 就可基本达到原机械性能。工艺和要求如下:选择Fe-Cr-C系列耐磨焊条中的DEZCr55-10高铬合金耐磨堆焊焊条, 焊层硬度达HRC55, 并有较高的冲击韧性, 焊条直径为3.2mm。用油洗或火焰将齿轮表面的油污处理干净。将齿轮预热至200～250℃, 电弧长度与焊条直径相当, 焊接电源110～150A, 焊条与齿轮堆焊表面接近垂直, 焊后缓冷。

堆焊技术 篇7

宁波钢铁有限公司是一家具有400万吨钢铁产能的企业,2015年生产板坯439万吨,热轧卷板437万吨。全公司共有行车84台,从2007年陆续投产至今,行车车轮已逐渐到了使用更换周期。

1 使用堆焊技术前情况介绍

(1)使用堆焊技术前,磨损的行车车轮基本上都是更换后报废。统计2009~2015年行车车轮更换情况,合计发生领用369件,平均每件车轮新品价格按照0.6万元计算,即有221.4万元。

(2)2012年开始我们尝试对行车车轮进行堆焊修复。因为行车属于特种设备,出于安全上的考虑,首先选择在连铸横移台车车轮上进行试验。横移台车是连铸机自动化生产线中不可缺少的设备,它的作用是将板坯在四流之间南北移位,之后传递到下一道工序热轧厂;在连铸机四流满负荷生产的情况下,横移台车需要24小时连续作业,工作频率高,同时板坯长期对车体和车轮的重压,不时会出现车轮跑偏现象,因此车轮的磨损情况比较严重。新品有缘车轮的轮缘厚度为30mm,使用到6个月左右,磨损量就达到了15mm;在没有应用硬面堆焊技术之前,为了维持生产,现场采取的办法是在磨损的部位加焊一圈直径Φ16mm的钢筋,应急情况下再临时补焊处理,勉强可以维持使用一年时间。

2 使用堆焊技术后情况介绍

(1)2012年8月,我们与公司硬面堆焊技术合作单位共同研讨了车轮修复的可行性。经过充分讨论,最终确认了车轮堆焊修复的技术方案。

(2)横移台车车轮经堆焊修复后,于2013年7月开始上机试用,截止到2014年10月,已将近15个月时间,检查车轮轮缘磨损情况,基本上在4mm之间,使用效果比较理想,达到了预期的使用寿命。

(3)2013年,我们又选择炼钢厂19~20#行车的车轮作试验进行堆焊修复,该行车车轮之前平均使用寿命只有12个月,经堆焊修复后,预期使用寿命可达到18个月;2013年12月上机,目前尚在使用跟踪阶段,轮缘和踏面的磨损情况都比较正常。(图1、2是车轮堆焊前后的实物状态)

3 堆焊工艺简要介绍

3.1 行车车轮技术参数

(1)行车车轮材料:65Mn

(2)行车车轮尺寸:行车外缘尺寸￠780mm

(3)堆焊修复前状况:

A.行车车轮踏面磨损至极限尺寸。

B.行车车轮踏面有明显的疲劳层。

3.2 堆焊修复

(1)堆焊工艺过程

行车轮入厂检验编号→拆除轴承座→车削车轮踏面和轮缘至要求尺寸→探伤→预热→堆焊车轮踏面及轮缘至规定尺寸→焊后缓冷至室温→焊后热处理→机械加工至成品尺寸→检测(探伤.测硬度,尺寸,)→装配油漆→检验入库。

(2)主要工艺技术

(1)堆焊设备

A.MZ~1000型埋弧自动焊机B.转台及辅助工装设备(自制)C.煤气加热设备(以保证相应的层间温度)D.焊后热处理设备E.测温设备及检测设备

(2)堆焊材料

A.焊丝:选用Diamond307埋弧堆焊用管状焊丝,该焊丝具有良好的堆焊工艺性能,焊层具有较好的塑性.韧性和耐冲击性能以及一定的抗金属间磨损性能B.焊剂:选用HJ~431,该焊剂为熔炼型高硅低氟焊剂,可交直流两用,直流是焊丝接正极,焊接工艺性能良好。

(3)工艺要求

A.堆焊工艺参数(￠3.2mm),堆焊电流(A)380~450,电流电压(V)28~32,焊接速度(mm/min)450~550

B.堆焊前必须清除堆焊部位表面的油污.锈.表面裂纹疲劳层以及管丝表面的污染物质等。

C.配用焊剂必须按规定烘烤,烘烤温度250℃,烘焙时间3小时

D.行车轮堆焊前须预热,预热温度为300~350℃保温4小时,堆焊时确保层间温度,层间温度一般为250~300℃

E.焊缝表面应平整光滑,无气孔,夹渣,裂纹.焊瘤等缺陷。

F.行车轮堆焊缓冷后随炉进行焊后热处理,热处理参数为500℃保温6小时,150℃出炉空冷.

4 车轮使用堆焊技术前后的经济效益分析

(1)使用堆焊技术前:下线的行车车轮基本上都按报废处理,按照前面统计的数据,平均每年更换50件车轮,需要备件费用30万元左右。(因宁钢是一家投产只有8年的企业,还有一部分行车尚在使用中,故行车车轮的消耗量后期还会增加)

(2)使用堆焊技术后:车轮的修复价格占新品的20~25%,按照保守算法,修复后的车轮达到之前未堆焊新品的使用寿命,每年可节省备件费用44~55万元;如果堆焊修复后的车轮使用寿命超过原新品寿命,节省的备件费用会进一步提高。

5 结论

钢铁行业目前是一个竞争非常激烈的行业,企业利润率逐年下降,要想在残酷的市场中占有一席之地,就必须想尽一切办法降本增效,科技创新。行车车轮堆焊修复再利用项目很好地体现了企业科技降本和备件延寿工作的思想;可以预见,随着此项工作的不断推进,将会为公司带来良好的经济效益。

摘要：本文结合宁钢行车实际使用情况,介绍行车车轮应用硬面堆焊技术后的使用情况,同时在生产实践中对出现的问题进行总结分析,从而提高车轮的使用寿命,降低生产成本。

关键词：堆焊材料,堆焊技术,行车车轮

参考文献

[1]王娟等.编著表面堆焊与热喷涂技术[M].北京:化学工业出版社,2004:30-50.