CN109014654B - 一种复合(再)制造连铸辊用埋弧堆焊药芯焊丝及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合(再)制造连铸辊用埋弧堆焊药芯焊丝及工艺。该药芯焊丝的熔敷金属按照重量百分比计含有以下成分：C：0.02％～0.3％；Mn：0.8％～2.8％；Si：0.1％～1.0％；Cr：12.0％～15.0％；Mo：0.3％～2.0％；Ni：1.5％～5.0％；稀土元素：0.01～1.5％；V+Nb：0％～1.2％；N：0％～0.16％；S，P＜0.03％；余量为Fe。工艺包括以下步骤：(1)将轧辊车削到堆焊前尺寸；(2)焊前进行轧辊的检测；(3)确定堆焊工艺，并按照堆焊工艺确定工艺参数；(4)进行单层堆焊成型；(5)对焊后不同位置的成分、硬度及组织进行检测。本发明工艺性能良好，具有高性价比。

Description

一种复合(再)制造连铸辊用埋弧堆焊药芯焊丝及工艺

技术领域

本发明涉及一种复合(再)制造连铸辊用埋弧堆焊药芯焊丝及工艺，属于焊接技术领域。

背景技术

连铸设备在我国的各大钢厂中已普遍采用，连铸辊是连铸设备中的主要消耗部件，连铸辊包括结晶段、扇形段和水平段三部分，连铸辊处于高温钢坯和冷却水的双重作用，工况条件十分苛刻，在机械和热载荷作用下，连铸辊在使用过程中由于辊面会出现程度不同的网状裂纹、氧化腐蚀、磨损损伤等破坏，影响连铸机作业率、产品产量和质量、单位轧辊消耗及轧材成本。

堆焊既可用于修复辊子因服役而导致的失效部位，亦可用于强化辊子的表面，其目的都在于延长连铸辊的使用寿命，节约贵重材料，降低制造成本。目前，根据奥钢联、达涅利、德马克等标准连铸辊堆焊工作层厚度为单边2～6mm，因此一般采用的堆焊标准为“1+2”或“1+3”，即一层打底丝外加两至三层盖面丝。

目前连铸辊常用的焊接工艺多为埋弧焊、明弧焊，采用单丝电弧焊时仅为5～6.5kg/h，堆焊一层单边厚度一般为2.0mm～2.5mm，因此需要的堆焊的时间较长，生产效率不高；现场实践表明：堆焊时间越长，堆焊层数越多，越容易出现堆焊缺陷。特别是多层焊接时，上一层对下一层均产生一定厚度的热影响区，会对焊缝金属组织造成不利影响，严重损害连铸辊上机使用寿命。

堆焊轧辊，特别是连铸辊，采用提高单层焊缝金属的高度，使单边堆焊厚度一层能够达到目前2～5层(一层打底+两层盖面或者一层打底+三层盖面或其它组合)的焊层高度，且合金成分及硬度等性能能够满足(奥钢联、达涅利、德马克)技术要求的工艺设想一方面受限于焊接工艺的难以操作，焊接过程中易出现淌渣、过热、夹杂等缺陷，焊接工艺不易实施；另一方面对堆焊材料成分要求比较严格，因为堆焊合金材料合金含量过高时，堆焊厚度过高时易产生大量铁素体，使硬度下降；而堆焊合金材料合金含量过低时，由于稀释率的原因导致合金稀释过大，成分(特别是具母材1.5mm处)不足；两方面均导致力学性能变差。因此，采用提高单层焊缝金属的高度，使单边堆焊厚度一层能够达到目前堆焊2～5层(一层打底+两层盖面或者一层打底+三层盖面或者两层盖面及其它组合)的焊层高度，且合金成分及硬度等性能能够满足(奥钢联、达涅利、德马克)技术要求的工艺目前未见报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种与单层堆焊成型复合(再)制造轧辊相匹配的埋弧堆焊药芯焊丝。

本发明的另一目的在于提供一种采用所述埋弧焊药芯焊丝单层堆焊成型复合(再)制造连铸辊的工艺。

本发明中的“复合(再)制造连铸辊”指的是复合制造与再制造连铸辊。采用本发明的埋弧堆焊药芯焊丝及工艺，单层焊接后成分、组织及硬度能够满足奥钢联含氮丝(TSC4-TS No.03/94)、含碳丝(TSC 4-TS No.02/93)的技术要求，且工艺性能良好，具有高性价比。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合(再)制造连铸辊用埋弧堆焊药芯焊丝，该药芯焊丝的熔敷金属按照重量百分比计含有以下成分：C：0.02％～0.3％；Mn：0.8％～2.8％；Si：0.1％～1.0％；Cr：12.0％～15.0％；Mo：0.3％～2.0％；Ni：1.5％～5.0％；稀土元素：0.01～1.5％；V+Nb：0％～1.2％；N：0％～0.16％；S，P＜0.03％；余量为Fe。

其中所述稀土元素为铈。

其中，各元素的主要作用为：

(1)C主要作用是固溶及与Mo、Ti、V、Cr等形成弥散分布的碳化物，大大提高堆焊熔敷金属中的硬度、热稳定性、高温耐磨性等性能。但碳含量增加，其热疲劳性能下降。

(2)Cr：提高熔敷金属的强度和硬度，高温优良的高温红硬性及高温抗氧化性，与镍同时作用有很好的耐腐蚀性，Cr含量要充分才能确保耐腐蚀性能，熔敷金属中12～15％；Cr抗高温氧化、耐腐蚀性优良。

(3)Ni：保证延展性和获得马氏体组织，为防止线膨胀系数的增加和Ac1相变点的降低，熔敷金属中含量应限制在5％以下。

(4)Mo：碳、氮化物形成元素，形成复合碳化物，在连铸辊中，力求通过高硬度的Mo2C碳化物的析出产生二次硬化，有助于改善辊身工作层耐磨性的同时，还提高淬硬性和抗热裂性能。但Mo含量过高，会促成网状碳化物的生长，使脆性增大，且钼的价格较高。为此，连铸辊熔敷金属中Mo含量控制在2％以下。

(5)V+Nb：碳、氮有很强的结合力，回火时析出的细小均匀分布的碳、氮化合物硬度高、高温稳定性好，且弥散强度大，是保证连铸辊辊身工作层实现二次硬化效应，显著提高耐磨性的重要元素。但随V+Nb量的增多，一方面辊身堆焊金属的韧性下降；另一方面埋弧堆焊的工艺变差。所以适宜的V+Nb含量范围为小于1.2％。

(6)N：强化相，一方面生成弥散状细小质点均匀分布的金属氮化物及其它强化合金相，克服了传统碳强化材料由于碳化铬沉淀析出并由此产生的硬化或晶间贫铬引起的腐蚀裂纹破坏；另一方面含量过多对塑性、韧性有危害作用，且易出现气孔。

(7)Re：稀土元素的主要作用是纯化、强韧化晶界，从而提高高温强度、高温塑性及抗氧化性能。稀土元素的加入，一方面在堆焊熔敷金属中容易与杂质结合形成夹杂物，从而减少了堆焊基体中夹杂物的数量；另一方面容易在高温阶段形核，细化晶粒。两者结合在熔敷金属中起到纯化基体、细化晶粒的作用，从而提高堆焊材料的抗裂性能、强韧性能等工艺性能及力学性能。

药芯焊丝的制作属于工业成熟技术，其原理是：购买药芯焊丝专用低碳钢薄钢带，用专用设备将薄钢带轧成半圆形状如U型等，将合金粉末加入形成焊芯，轧制封口，形成了很长很细的包有焊芯的金属管，然后经过轧制或冷拉拔，形成直径为Φ2.4mm～Φ4.0mm的药芯焊丝成品。

采用所述埋弧堆焊药芯焊丝单层堆焊成型复合(再)制造轧辊的工艺，包括以下步骤：

(1)按图纸要求，将轧辊车削到堆焊前尺寸；

(2)焊前进行轧辊的检测，包括尺寸、母材成分、性能及内外缺陷的无损检测；

(3)根据母材、堆焊材料及堆焊方式、方法进行堆焊工艺评定后确定堆焊工艺，并按照堆焊工艺确定工艺参数；

(4)进行单层堆焊一次成型，即单层堆焊后轧辊的单边堆焊厚度能够达到图纸规定堆焊厚度+1～2.5mm；

(5)根据图纸要求对焊后不同位置的成分、硬度及组织进行检测，同时对堆焊层进行探伤检测。

其中，堆焊方法可采用丝极埋弧堆焊，适合单丝、双丝及多丝焊接等方法。其堆焊方式可采用摆动焊和单道螺旋焊(非摆动焊接)等方式。

其中，选择不同的堆焊方式，具体堆焊规范参数为：

1.摆动焊规范参数：

一层堆焊，单边堆焊厚度为图纸要求尺寸+1～2.5mm；

电弧电压：27.0～31.0V；

焊接电流：270～450A；

送丝速度：2～4.5mm/min；

转速：100～220mm/min；

横移速度：0.20～0.35ipm；

焊丝伸长：22～28mm；

摆动宽度(设计)约为20～50mm，搭接量8～30mm；

摆动速度：2.0～4.0m/min；

焊道层间温度：100～200℃。

2.单道螺旋焊(非摆动焊)堆焊规范参数：

一层堆焊，单边堆焊厚度为图纸要求尺寸+1～2.5mm；

电弧电压：28.0～31.0V；

焊接电流：270～450A；

送丝速度：2～4.5mm/min；

转速：350～500mm/min；

焊丝伸长：22～28mm。

本发明的优点在于：

1、本发明的堆焊药芯焊丝根据各合金元素在焊接时的特性及氧化程度，经数次科学实验，最终优化出成分范围，一方面有效避免了合金成分过高，导致一层焊道工作层硬度不足，组织中铁素体过多(≥10％)的趋势；另一方面有效避免了合金成分过低，导致具母材1.5mm处合金材料成分不足的缺陷。

2、药芯焊丝单层焊接能够实现高的焊缝高度且成分，组织及硬度满足奥钢联含氮丝(TSC 4-TS No.03/94)、含碳丝(TSC 4-TS No.02/93)工作层成分的技术要求；

3、增大焊缝高度单层堆焊成型，减少堆焊时间，提高生产效率。

4、埋弧堆焊方式，工艺性能良好，且堆焊一层成型，减少了多层焊接上层对下层的产生的热影响区及焊接过程中清渣的困难。

5、增大焊缝高度一层堆焊成型，减少了堆焊过程中的各类缺陷产生的概率，特别是夹渣，气孔等缺陷。

6、增大焊缝高度一层堆焊成型，单边厚度在0～1mm之内由于材料稀释率较大，合金成分波动较大；但当堆焊单边厚度超过1.5mm后，堆焊材料合金成分及组织变化不大，因此当堆焊单边厚度超过1.5mm后利于焊缝组织和性能均匀性的提高，利于提高轧辊的使用寿命。

7、采用本发明的焊丝堆焊时电弧稳定；熔池不易流淌，堆焊成型好。

8、采用本发明的焊丝在工艺性能和机械性能良好的情况下，堆焊单边厚度能达到12mm。

本发明的埋弧堆焊药芯焊丝及堆焊工艺已成功应用在连铸辊堆焊复合(再)制造，上机使用后表面抗氧化性能良好，且表面无黏渣，明暗相间条纹不显著，表面光滑等优点，能够满足轧辊工况要求，降低轧辊消耗成本，完全解决了连铸辊辊堆焊效率低下且性价比稍低的问题。其他轧机辊的堆焊复合(再)制造也可以采用本发明的堆焊材料及相应的堆焊工艺。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明，但所列举的实施例并不用于限制本发明。

以下实施例中所用的焊丝选用熔敷金属组成为表1所示的化学成分组成的焊丝，进行连铸辊堆焊复合(再)制造，并进行检测。

表1熔敷金属中各成分的质量百分比(wt％)

实施例	N	C	Cr	Mn	Si	Ni	Mo	V+Nb	Ce	S	P	Fe
													1	0.13	0.04	13.5	1.8	0.9	4.4	0.44	0	0.01	0.018	0.021	余量
2	0.13	0.04	13.5	1.8	0.9	4.4	0.44	0.6	0.3	0.004	0.012	余量
													3	----	0.15	14.5	0.9	0.5	3.8	1.3	0.6	1.4	0.010	0.014	余量
4	----	0.08	14.5	0.9	0.5	3.8	1.3	0.6	0.06	0.015	0.020	余量

实施例1(单层埋弧摆动堆焊复合(再)制造轧辊)

选用表1中实施例1的埋弧焊丝，以堆焊复合(再)制造Φ180mm连铸母材为21CrMoV511为例，图纸规定单边厚度为5mm，合金成分满足奥钢联(TSC 4-TSNo.02/94)规定。

采用的堆焊复合(再)制造工艺为：

1.1将旧的辊坯加工到Φ170mm，并做相应的检测，局部有裂纹等缺陷继续车削，对于局部缺陷需用与母材力学性能相似的低合金焊材进行补焊；

1.2施焊前，辊坯不进行预热；

1.3堆焊规范参数要求(参考)：

以焊丝Φ3.2mm为例说明工艺：

堆焊一层，单边堆焊厚度为6.5mm，即堆焊到Φ183mm；

电弧电压：30.0V；

焊接电流：390A；

转速：130mm/min；

横移速度：0.25ipm；

焊丝伸长：22mm；

焊嘴倾斜角度：向后5度；

摆动宽度(设计)约为30mm，搭接量16mm；

摆动速度：2.5m/min。

1.4焊后缓冷

连铸辊在堆焊完成后，在静止空气中自然冷却至室温。

1.5焊后检测

冷却后，检测单边厚度在6.5～7.5mm之间，分别测量距离母材5mm和2.5mm处的成分及硬度，同时测量1.5mm处的成分和硬度。合金元素成分的测量位置为：检测位置～检测位置+0.5mm的范围内取样(如距母材4mm的合金成分，取样位置为4mm～4.5mm之间)，C采用碳硫分析仪进行取样分析；N、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb等合金采用化学法测量其含量。采用HR-150A型里氏硬度计测量不同位置的硬度。

不同测量位置处的成分如表2所示。

表2焊缝不同位置合金成分质量百分比(wt％)

表面硬度：5mm处的硬度为46.2HRC；2.5mm处的硬度为45.8HRC，1.5mm处的硬度为46.8HRC；且1.5mm，2.5mm和6mm处的铁素体含量分别为5.2％，5.8％和8.0％。采用磁粉和超声波探伤表面和内部均无缺陷，均满足图纸要求。

实施例2单层埋弧螺旋堆焊复合制造轧辊

选用表1中实施例2的埋弧焊丝，以堆焊复合制造Φ230mm连铸，母材为42CrMo为例，图纸规定单边厚度为5mm，合金成分满足奥钢联(TSC 4-TSNo.02/94)规定。

采用堆焊复合制造工艺为：

2.1将新辊坯加工到Φ218mm，并做相应的检测。

2.2施焊前，辊坯进电炉预热，要求预热温度120℃，预热升温速度＜100℃/hr；

2.3堆焊规范参数要求(参考)：

以焊丝Φ4.0mm为例说明工艺：

堆焊一层，单边堆焊厚度为8mm，即堆焊到Φ234mm；

电弧电压：30.0V；

焊接电流：360A；

转速：380mm/min；

焊丝伸长：26mm；

焊嘴倾斜角度：向后3度；

搭接量70％；

焊道层间温度：120℃。

2.4焊后缓冷

连铸辊在堆焊完成后，在静止空气中自然冷却至室温，后进行550℃保温5小时回火热处理。

2.5焊后检测

冷却后，检测单边厚度在7～8mm之间，分别测量距离母材6mm和2.5mm处的成分及硬度，同时测量据母材1.5mm处的成分及硬度，测量方法与实施例1相同。不同测量位置处的成分如表3所示。

表3焊缝不同位置合金成分质量百分比(wt％)

表面硬度：6mm处的硬度为43.5HRC；2.5mm处的硬度为42HRC，1.5mm处的硬度为43.2HRC。采用磁粉和超声波探伤表面和内部均无缺陷，均满足图纸要求。

实施例3单层埋弧摆动堆焊复合(再)制造轧辊

选用表1中实施例3的埋弧焊丝，以堆焊复合(再)制造Φ120mm连铸母材为21CrMoV511为例，图纸规定单边厚度4mm，合金成分满足奥钢联(TSC 4-TSNo.02/93)规定。

采用堆焊复合(再)制造工艺为：

3.1旧的辊坯加工到Φ112mm，并做相应的检测，局部有裂纹等缺陷继续车削，对于局部缺陷需用与母材力学性能相似的低合金焊材进行补焊；

3.2施焊前，辊坯进电炉预热，要求预热温度180℃，预热升温速度＜100℃/hr。

3.3堆焊规范参数要求(参考)：

以焊丝Φ3.2mm为例说明工艺：

堆焊一层，单边堆焊厚度为6mm，即堆焊到Φ124mm；

电弧电压：31.0V；

焊接电流：420A；

转速：200mm/min；

横移速度：0.35ipm；

焊丝伸长：28mm；

焊嘴倾斜角度：向后5度；

摆动宽度(设计)约为25mm，搭接量10mm。

摆动速度：3.5m/min；

焊道层间温度：180℃。

3.4焊后缓冷

连铸辊在堆焊完成后，在静止空气中自然冷却至室温。后进行550℃保温5小时回火热处理。

3.5焊后检测

冷却后，检测单边厚度在5～6.5mm之间，分别测量距离母材4mm和2.5mm处的成分及硬度，同时测量1.5mm处的成分和硬度，测量方法与实施例1相同。不同测量位置处的成分如表4所示。

表4焊缝不同位置合金成分质量百分比(wt％)

表面硬度：4mm处的硬度为47.5HRC；2.5mm处的硬度为46.8HRC，1.5mm处的硬度为46.0HRC；且1.5mm，2.5mm和4mm处的铁素体含量分别为5.1％，5.5％和6.2％。采用磁粉和超声波探伤表面和内部均无缺陷，均满足图纸要求。

实施例4单层埋弧螺旋堆焊复合制造轧辊

选用表1中实施例4的埋弧焊丝，以堆焊复合制造Φ150mm连铸，母材为42CrMo为例，图纸规定单边厚度3mm，合金成分满足奥钢联(TSC 4-TS No.02/93)规定。

采用堆焊复合制造工艺为：

4.1新辊坯加工到Φ218mm，并做相应的检测。

4.2施焊前，辊坯进电炉预热，要求预热温度160℃，预热升温速度＜100℃/hr。

4.3堆焊规范参数要求(参考)：

以焊丝Φ3.2mm为例说明工艺：

堆焊一层，单边堆焊厚度为5.5mm，即堆焊到Φ155mm；

电弧电压：30.0V；

焊接电流：340A；

转速：450mm/min；

焊丝伸长：26mm；

焊嘴倾斜角度：向后5度；

搭接量80％；

焊道层间温度：160℃。

4.4焊后缓冷

连铸辊在堆焊完成后，在静止空气中自然冷却至室温，并进行550℃保温5小时回火热处理。

4.5焊后检测

冷却后，检测单边厚度在4～5mm之间，分别测量距离母材3mm和1.5mm处的成分及硬度，测量方法与实施例1相同。不同测量位置处的成分如表5所示。

表5焊缝不同位置合金成分质量百分比(wt％)

表面硬度：3mm处的硬度为47.5HRC；1.5mm处的硬度为48.2HRC。且1.5mm和3mm处的铁素体含量分别为5.5％和5.2％。采用磁粉和超声波探伤表面和内部均无缺陷，均满足图纸要求。

Claims (2)

1.一种采用埋弧堆焊药芯焊丝单层堆焊成型复合制造与再制造轧辊的工艺，其特征在于，所述药芯焊丝的熔敷金属按照重量百分比计含有以下成分：C：0.02％～0.04％；Mn：0.8％～2.8％；Si：0.1％～1.0％；Cr：13.5％～15.0％；Mo：0.3％～2.0％；Ni：1.5％～5.0％；Ce：0.01～1.5％；V+Nb：0％～1.2％；N：0.13％～0.16％；S,P<0.03％；余量为Fe，该工艺包括以下步骤：

(1)按图纸要求堆焊复合制造Φ180mm轧辊，将轧辊车削到堆焊前尺寸Φ170mm；

(2)焊前进行轧辊的检测，包括尺寸、母材成分、性能及内外缺陷的无损检测；

(3)根据母材、堆焊材料及堆焊方式、方法进行堆焊工艺评定后确定堆焊工艺，并按照堆焊工艺确定工艺参数；

(4)进行单层堆焊一次成型，即单层堆焊后轧辊的单边堆焊厚度能够达到图纸规定堆焊厚度5mm+1～2.5mm；

(5)根据图纸要求对焊后不同位置的成分、硬度及组织进行检测，同时对堆焊层进行探伤检测。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述堆焊方法为丝极埋弧堆焊，适合单丝、双丝或多丝焊接；所述堆焊方式为摆动焊或单道螺旋焊。