CN112916986A - 连铸辊的堆焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连铸辊的堆焊方法，采用低碳氮合金焊丝通过气体保护堆焊枪在上述辊面上堆焊一层，其中保护气体为氩气和/或二氧化碳；将堆焊后的连铸进行缓冷以降低堆焊层应力；缓冷后的堆焊层进行机加工以去除余量，使单面堆焊层厚度为1.5mm；低碳氮合金焊丝的化学成分按质量百分比计为：C：0.02‑0.06％；N：0.06‑0.13％；Cr：17.0‑19.0％；Mn：0.8‑1.5％；Si：0.10‑0.5％；Ni：4.8‑5.8％；Mo：0.6‑1.0；S、P：≤0.03％，硬度HRC44‑50，余量为铁。本发明只需在连铸辊辊面堆焊一层即可形成低碳氮合金堆焊层。

Description

连铸辊的堆焊方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种连铸辊的堆焊方法。
背景技术
低碳氮合金是一种具有独特物理化学特性的新材料，该材料在特有的焊接方法获得的堆焊层具有在高温下抗热疲劳、抗点状腐蚀和避免焊接裂纹。
堆焊层晶粒细化，提高了强度、改善韧性。由于N能与铬、铝、钒、钛等在高温下能形成极稳定的氮化物，并以弥散状细小质点均匀分布在堆焊层中，从而使堆焊层晶粒细化、优化机械性能，提高了堆焊层的抗回火稳定性。由于堆焊层中氮化物的沉淀析出有利于二次硬化，从而提高了堆焊层的抗回火稳定性。
堆焊层具有抗晶间腐蚀和抗热疲劳的性能。由于堆焊层的含C量极低，避免了C和Cr相结合从组织晶界析出产生贫Cr层的可能，从而避免了晶间腐蚀的发生，同时也提高了堆焊层的抗热疲劳性能，减缓了辊面产生龟裂，从而延长了使用寿命。
目前氮合金辊面堆焊层主要是通过明弧获得，要获得1.5mm的有效层厚度，明弧焊需要打底过渡，通常要堆焊三层，即一层打底，二层盖面，堆焊层厚度总计4mm，如图1，最终在连铸辊1上形成有效的堆焊层2以及位于有效的堆焊层2和连铸辊1之间的过渡层3，目前的堆焊方式由于堆焊层数多以及所需时间长，具有成本高、效率低的缺陷。
发明内容
本发明提供一种连铸辊的堆焊方法，本发明只需在连铸辊辊面堆焊一层即可形成低碳氮合金堆焊层。
连铸辊的堆焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，去除连铸辊辊面的残留硬面和缺陷；
S2，预热连铸辊，使连铸辊的温度达到200-300℃后，保温4-6小时；
S3，采用低碳氮合金焊丝通过气体保护堆焊枪在上述辊面上堆焊一层，其中保护气体为氩气和/或二氧化碳；
S4，将堆焊后的连铸进行缓冷以降低堆焊层应力；
S5，将步骤S4中缓冷后的堆焊层进行机加工以去除余量，使单面堆焊层厚度为1.5mm；
上述步骤S3中的低碳氮合金焊丝的化学成分按质量百分比计为：
C：0.02-0.06％；N：0.06-0.13％；Cr：17.0-19.0％；Mn：0.8-1.5％；Si：0.10-0.5％；Ni：4.8-5.8％；Mo：0.6-1.0；S、P：≤0.03％，硬度HRC44-50，余量为铁。
进一步地，所述低碳氮合金焊丝的直径为1.2-4.0mm，低碳氮合金焊丝的直径偏差为：-0.06-0mm。
进一步地，所述气体保护堆焊枪工作电压为20-40V，工作电流为300-600A，所述电极到连铸辊辊面的距离为20-30mm。
进一步地，步骤S3中，氩气和二氧化碳的混合比例为1：1-5。
进一步地，低碳氮合金焊丝的化学成分按质量百分比计为：C：0.033-0.042％，N：0.096-0.099％，Cr：18.34-18.55％，Mn：1.16-1.18％，Si：0.255-0.325％，Ni：5.08-5.22％，Mo：0.966-0.991％，S：0.0044-0.0055％，P：0.010-0.013％，硬度HRC46.4-47.1。
进一步地，在堆焊并机加工去除余量后，表面处的化学成分按质量百分比计为：C：0.090-0.120％，N：0.087-0.088％，Cr：12.65-12.88％，Mn：1.09-1.10％，Si：0.275-0.305％，Ni：4.01-4.12％，Mo：0.878-0.898％，S：0.0074-0.011％，P：0.012-0.015％。
进一步地，在堆焊并机加工去除余量后，距表面0.5mm处的化学成分按质量百分比计为：C：0.099-0.122％，N：0.081-0.082％，Cr：12.86-12.92％，Mn：1.11-1.15％，Si：0.311-0.315％，Ni：3.85-3.99％，Mo：0.878-0.890％，S：0.0011-0.0091％，P：0.016-0.018％。
进一步地，在堆焊并机加工去除余量后，距表面1.0mm处的化学成分按质量百分比计为：C：0.103-0.139％，N：0.073-0.077％，Cr：12.48-12.55％，Mn：1.03-1.11％，Si：0.309-0.322％，Ni：3.66-3.86％，Mo：0.850-0.861％，S：0.0062-0.0076％，P：0.016-0.017％。
进一步地，在堆焊并机加工去除余量后，距表面1.5mm处的化学成分按质量百分比计为：C：0.111-0.149％，N：0.066-0.071％，Cr：12.11-12.22％，Mn：0.990-0.995％，Si：0.309％，Ni：3.33-3.43％，Mo：0.776-0.8018％，S：0.0045-0.0055％，P：0.011-0.018％。
进一步地，在堆焊并机加工去除余量后，距表面2.0mm处的化学成分按质量百分比计为：C：0.165-0.427％，N：0.0003-0.0005％，Cr：0.844-1.244％，Mn：0.612-0.743％，Si：0.234-0.311％，Ni：0.022-0.025％，Mo：0.121-0.221％，S：0.005-0.007％，P：0.015-0.016％。
本发明的优点在于：本发明采用低碳氮合金焊丝结合气体保护堆焊方法，在连铸辊辊面只需堆焊一层，即可生成低碳氮合金复合焊层，从而提高了辊面的耐高温及硬度、耐磨性能和抗热疲劳性能。本发明采用气体保护焊只需堆焊一层，即可获得有效厚度达1.5mm，即在气体保护的配合下可以减少堆焊层厚度，降低堆焊过程中的烟尘、噪音和飞溅，提高了焊丝的收得率(由80％提高至90％)，从而提高效率、降低成本、更环保。因此，本发明的方法只需堆焊一层的情况下使得制备工艺获得简化，降低了成本，适合大规模生产制造，有利于低碳氮合金焊丝的广泛应用。
由于低碳氮合金所具有的特性，适合于在各种需要耐高温、耐磨损、抗热疲劳为目的应用领域，特别适合于冶金连铸辊的应用。
附图说明
图1为现有技术中连铸辊堆焊后的结构示意图；
图2为本发明中的连铸辊堆焊焊后的结构示意图；
图3为实施例1中的分层硬度分布曲线；
图4为实施例1堆焊层的宏观金相图；
图5为实施例1堆焊层组织200X的微观金相图；
图6为实施例1堆焊层组织500X的微观金相图；
图7为实施例1堆焊后热影响区组织200X的微观金相图；
图8为实施例1堆焊后热影响区组织500X的微观金相图；
图9为实施例1堆焊后母材组织200X的微观金相图；
图10为实施例1堆焊后母材组织500X的微观金相图。
具体实施方式
实施例1
如图2，连铸辊的堆焊方法，本实施例中的连铸辊1以42CrMo为材质，堆焊前连铸辊1的尺寸为Φ147mm×长500mm，包括以下步骤：
S1，去除连铸辊1辊面的残留硬面和缺陷，以清洁连铸辊1，保证成品堆焊层厚度1.5±0.1mm。
S2，预热连铸辊1，使辊面的温度达到250℃后，保温5小时。
S3，采用低碳氮合金焊丝通过气体保护堆焊枪在上述辊面上堆焊一层，其中保护气体为二氧化碳；所述低碳氮合金焊丝的直径为2.4mm，低碳氮合金焊丝的直径偏差为：-0.04mm。所述气体保护堆焊枪工作电压为29V，工作电流为350A，所述电极到连铸辊辊面的距离为25mm。
S4，将堆焊后的连铸进行缓冷以降低堆焊层应力，本实施例优先采用石棉遮盖缓冷。
S5，将步骤S4中缓冷后的堆焊层2进行机加工以去除余量，使单面堆焊层2厚度为1.5mm。
上述步骤S3中的低碳氮合金焊丝的化学成分按质量百分比计为：C：0.042％，N：0.096％，Cr：18.34％，Mn：1.18％，Si：0.255％，Ni：5.18％，Mo：0.986％，S：0.0048％，P：0.010％，余量为铁，硬度HRC46.7；堆焊后42CrMo连铸辊的尺寸为Φ154mm×长500mm，加工后成品尺寸为Φ150mm×长500mm，单面堆焊层厚度1.5mm。
堆焊后对堆焊层的成分进行分层检测，具体如下表：
Figure BDA0002928631020000041
如图3所示的分层硬度分布曲线图，从硬度分布曲线看出1.5mm的堆焊和2.0mm的熔合区及热影响区的硬度分布基本一致，对连铸辊使用产生一定的磨损量后不会产生硬度差，从而有利于连铸坯的表面质量；整体硬度曲线分布过渡平缓，没有出现局部明显凹凸和硬度超高的情况，对连铸辊而言降低了使用过程中由于冷热交变应力作用而产生辊面剥落的风险。
如图4所示的宏观金相图，根据宏观金相图可以直观地看到，堆焊层2与连铸辊1熔合良好，无任何肉眼可见的不良缺陷。经表面着色探伤(PT)和辊面超声波探伤(UT)均无焊接缺陷和堆焊层与连铸辊(母材)熔合良好。
如图5和6所示的堆焊层组织：马氏体+奥氏体+铁素体+碳化物颗粒。该组织同时具有抗高温热疲劳和耐磨损，且具有一定的耐腐蚀性能，碳化物颗粒具有高温热稳定性的作用。
如图7和8所示热影响区组织：组织为保持马氏体位向的索氏体+少量铁素体。该组织具有承接高硬度堆焊层与42CrMo母材之间的较好过渡作用。
如图9和10所示母材组织：珠光体+块状、网状铁素体。该组织具有较好的强度，同时具有一定耐热性。
总之，以上组织较好地适合了连铸辊在使用过程中的热力场分布和应力场分布，从而有效地提高了连铸辊的使用寿命。
实施例2
如图2，连铸辊的堆焊方法，本实施例中的连铸辊1以Q345B为材质，堆焊前连铸辊1的尺寸为Φ147mm×长500mm，包括以下步骤：
S1，去除连铸辊1辊面的残留硬面和缺陷，以清洁连铸辊1，保证成品堆焊层厚度1.5±0.1mm。
S2，预热连铸辊1，使辊面的温度达到220℃后，保温5小时。
S3，采用低碳氮合金焊丝通过气体保护堆焊枪在上述辊面上堆焊一层，其中保护气体为二氧化碳；所述低碳氮合金焊丝的直径为2.0mm，低碳氮合金焊丝的直径偏差为：-0.04mm。所述气体保护堆焊枪工作电压为28V，工作电流为300A，所述电极到连铸辊辊面的距离为24mm。
S4，将堆焊后的连铸进行缓冷以降低堆焊层应力，本实施例优先采用石棉遮盖缓冷。
S5，将步骤S4中缓冷后的堆焊层2进行机加工以去除余量，使单面堆焊层2厚度为1.5mm。
上述步骤S3中的低碳氮合金焊丝的化学成分按质量百分比计为：C：0.038％，N：0.098％，Cr：18.55％，Mn：1.16％，Si：0.331％，Ni：5.22％，Mo：0.966％，S：0.0044％，P：0.013％，余量为铁，硬度HRC47.1；堆焊后Q345B连铸辊的尺寸为Φ154mm×长500mm，加工后成品尺寸为Φ150mm×长500mm，单面堆焊层厚度1.5mm。
堆焊后对堆焊层的成分进行分层检测，具体如下表
Figure BDA0002928631020000051
Figure BDA0002928631020000061
实施例3
如图2，连铸辊的堆焊方法，本实施例中的连铸辊1以20CrMo为材质，堆焊前连铸辊1的尺寸为Φ147mm×长500mm，包括以下步骤：
S1，去除连铸辊1辊面的残留硬面和缺陷，以清洁连铸辊1，保证成品堆焊层厚度1.5±0.1mm。
S2，预热连铸辊1，使辊面的温度达到235℃后，保温6小时。
S3，采用低碳氮合金焊丝通过气体保护堆焊枪在上述辊面上堆焊一层，其中保护气体为氩气和二氧化碳的混合气，两者按1：3的比例混合；所述低碳氮合金焊丝的直径为3.2mm，低碳氮合金焊丝的直径偏差为：-0.06mm。所述气体保护堆焊枪工作电压为30V，工作电流为400A，所述电极到连铸辊辊面的距离为26mm。
S4，将堆焊后的连铸进行缓冷以降低堆焊层应力，本实施例优先通过焊后回火降低堆焊层硬度。
S5，将步骤S4中缓冷后的堆焊层2进行机加工以去除余量，使单面堆焊层2厚度为1.5mm。
上述步骤S3中的低碳氮合金焊丝的化学成分按质量百分比计为：C：0.033％，N：0.099％，Cr：18.44％，Mn：1.18％，Si：0.325％，Ni：5.08％，Mo：0.991％，S：0.0055％，P：0.013％，余量为铁，硬度HRC46.4；堆焊后20CrMo连铸辊的尺寸为Φ154mm×长500mm，加工后成品尺寸为Φ150mm×长500mm，单面堆焊层厚度1.5mm。
堆焊后对堆焊层的成分进行分层检测，具体如下表
Figure BDA0002928631020000062
Figure BDA0002928631020000071
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用于限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下做出的等同变化与修改，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.连铸辊的堆焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，去除连铸辊辊面的残留硬面和缺陷；
S2，预热连铸辊，使连铸辊的温度达到200-300℃后，保温4-6小时；
S3，采用低碳氮合金焊丝通过气体保护堆焊枪在上述辊面上堆焊一层，其中保护气体为氩气和/或二氧化碳；
S4，将堆焊后的连铸进行缓冷以降低堆焊层应力；
S5，将步骤S4中缓冷后的堆焊层进行机加工以去除余量，使单面堆焊层厚度为1.5mm；
上述步骤S3中的低碳氮合金焊丝的化学成分按质量百分比计为：
C：0.02-0.06％；N：0.06-0.13％；Cr：17.0-19.0％；Mn：0.8-1.5％；Si：0.10-0.5％；Ni：4.8-5.8％；Mo：0.6-1.0；S、P：≤0.03％，硬度HRC44-50，余量为铁。
2.根据权利要求1所述连铸辊的堆焊方法，其特征在于，所述低碳氮合金焊丝的直径为1.2-4.0mm，低碳氮合金焊丝的直径偏差为：-0.06-0mm。
3.根据权利要求1所述连铸辊的堆焊方法，其特征在于，所述气体保护堆焊枪工作电压为20-40V，工作电流为300-600A，所述电极到连铸辊辊面的距离为20-30mm。
4.根据权利要求1所述连铸辊的堆焊方法，其特征在于，步骤S3中，氩气和二氧化碳的混合比例为1：1-5。
5.根据权利要求1至4任意一项所述连铸辊的堆焊方法，其特征在于，低碳氮合金焊丝的化学成分按质量百分比计为：C：0.033-0.042％，N：0.096-0.099％，Cr：18.34-18.55％，Mn：1.16-1.18％，Si：0.255-0.325％，Ni：5.08-5.22％，Mo：0.966-0.991％，S：0.0044-0.0055％，P：0.010-0.013％，硬度HRC46.4-47.1。
6.根据权利要求1至4任意一项所述连铸辊的堆焊方法，其特征在于，在堆焊并机加工去除余量后，表面处的化学成分按质量百分比计为：C：0.090-0.120％，N：0.087-0.088％，Cr：12.65-12.88％，Mn：1.09-1.10％，Si：0.275-0.305％，Ni：4.01-4.12％，Mo：0.878-0.898％，S：0.0074-0.011％，P：0.012-0.015％。
7.根据权利要求1至4任意一项所述连铸辊的堆焊方法，其特征在于，在堆焊并机加工去除余量后，距表面0.5mm处的化学成分按质量百分比计为：C：0.099-0.122％，N：0.081-0.082％，Cr：12.86-12.92％，Mn：1.11-1.15％，Si：0.311-0.315％，Ni：3.85-3.99％，Mo：0.878-0.890％，S：0.0011-0.0091％，P：0.016-0.018％。
8.根据权利要求1至4任意一项所述连铸辊的堆焊方法，其特征在于，在堆焊并机加工去除余量后，距表面1.0mm处的化学成分按质量百分比计为：C：0.103-0.139％，N：0.073-0.077％，Cr：12.48-12.55％，Mn：1.03-1.11％，Si：0.309-0.322％，Ni：3.66-3.86％，Mo：0.850-0.861％，S：0.0062-0.0076％，P：0.016-0.017％。
9.根据权利要求1至4任意一项所述连铸辊的堆焊方法，其特征在于，在堆焊并机加工去除余量后，距表面1.5mm处的化学成分按质量百分比计为：C：0.111-0.149％，N：0.066-0.071％，Cr：12.11-12.22％，Mn：0.990-0.995％，Si：0.309％，Ni：3.33-3.43％，Mo：0.776-0.8018％，S：0.0045-0.0055％，P：0.011-0.018％。
10.根据权利要求1至4任意一项所述连铸辊的堆焊方法，其特征在于，在堆焊并机加工去除余量后，距表面2.0mm处的化学成分按质量百分比计为：C：0.165-0.427％，N：0.0003-0.0005％，Cr：0.844-1.244％，Mn：0.612-0.743％，Si：0.234-0.311％，Ni：0.022-0.025％，Mo：0.121-0.221％，S：0.005-0.007％，P：0.015-0.016％。
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