CN113478168A - 一种无缝钢管轧制用芯棒的修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无缝钢管轧制用芯棒的修复方法，具体步骤如下：(1)修复前清洗检测；(2)修复前加工；(3)堆焊前检测；(4)堆焊预热；(5)堆焊恢复尺寸；(6)堆焊后热处理；(7)堆焊后加工；(8)激光熔覆前检测；(9)高速激光熔覆：采用高速激光熔覆对芯棒表面进行强化处理，所用粉末材料为耐磨、耐腐蚀、塑韧性优异的合金粉末；(10)熔覆后加工；(11)成品检测。本发明能够显著提高芯棒的耐磨损性能、抗腐蚀性能、抗冷热疲劳性能，其使用寿命达到新品的1.5倍以上。同时，整个修复制造过程绿色无污染。
Description
技术领域
本发明涉及芯棒修复方法领域，具体为一种无缝钢管轧制用芯棒的修复方法。
背景技术
芯棒是连轧机组中轧制无缝钢管的热变形工具，主要是在高温下用芯棒对钢坯进行穿孔。芯棒的工作条件极为复杂恶劣：热轧芯棒在轧制时的温度较高，同时要承受很高的轴向张应力和径向压应力；芯棒在使用过程中处于非稳定的温度场中，使用温度高达1150℃，表面温升达到700℃，且用后采用水冷，承受冷热交替循环和热磨损。因此，芯棒主要失效形式是局部裂纹和磨损过快。当芯棒失效后，为了节约成本，一般都要对芯棒进行修复。
目前，芯棒的修复工艺通常是采用“堆焊+电镀”的方法，该方法主要存在以下不足：1、堆焊工艺性差，堆焊采用多种材料梯度堆焊，含碳量高，堆焊时需要较高的预热温度会使芯棒变形；同时，堆焊层抗冷热疲劳性能差，容易出现裂纹；2、电镀层结合强度低，易剥落。因此此种方法得到的芯棒的寿命较短，只能达到新品的80％左右。同时，电镀工艺污染性大，不符合国家绿色制造的要求。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种芯棒的新的修复方法，它能够显著提高芯棒的耐磨损性能、抗腐蚀性能、抗冷热疲劳性能，其使用寿命达到新品的1.5倍以上。同时，整个修复制造过程绿色无污染。
本发明一种无缝钢管轧制用芯棒的修复方法，具体步骤如下：
(1)修复前清洗检测：清洗去除芯棒表面油污等，对芯棒进行检测，从而确定芯棒的加工尺寸；
(2)修复前加工：采用大型数控车床加工芯棒；
(3)堆焊前检测：对芯棒进行探伤检测、尺寸检测、硬度检测，从而保证芯棒堆焊前完全去除疲劳层、无裂纹等缺陷，并确定堆焊的厚度；
(4)堆焊预热：将芯棒放入卧式预热炉中进行预热处理，预热温度200-250℃，保温时间2-3h，使焊接过程无需补温；
(5)堆焊恢复尺寸：将芯棒安装到焊机上，采用埋弧焊进行焊接，堆焊后尺寸比成品直径大2-3mm，从而保证加工余量；
(6)堆焊后热处理：将芯棒放入加热炉内，进行退火消应力处理；退火温度520-550℃，保温3-5h；
(7)堆焊后加工：采用大型数控车床加工芯棒，使尺寸比成品直径小1-2mm；
(8)激光熔覆前检测：对芯棒进行探伤检测、尺寸检测，从而保证熔覆层无裂纹等缺陷，同时确定激光熔覆层的厚度；
(9)高速激光熔覆：采用高速激光熔覆对芯棒表面进行强化处理，所用粉末材料为耐磨、耐腐蚀、塑韧性优异的合金粉末；熔覆时的工艺为：功率4500-6000W、速度4-5m/min、光斑直径1.5-3mm、离焦量20-40mm、送粉速率50-80g/min、搭接量30％-50％；熔覆层单边厚度0.5-1.2mm，使尺寸比成品直径大0.1-0.2mm；
(10)熔覆后加工：在数控机床上采用砂带对芯棒进行表面抛磨处理，表面粗糙度达到Ra0.8；
(11)成品检测：对修复后的成品芯棒进行检测，主要包含尺寸检测、跳动检测、硬度检测、探伤检测等。
进一步地，步骤(1)修复前清洗检测：检测内容主要包括尺寸检测、变形检测、探伤检测、外观检测。
进一步地，步骤(3)堆焊前检测：探伤检测主要包含UT探伤和PT探伤。
进一步地，步骤(4)堆焊预热：卧式预热炉内放置热电偶，热电偶个数根据芯棒的长度确定，优选为3-5个。
进一步地，步骤(5)堆焊恢复尺寸：焊丝为含碳量低的焊丝；堆焊材料为低碳合金类材料，碳含量＜0.1；该焊机配备5-8个焊接机头。
进一步地，步骤(9)高速激光熔覆：当芯棒轧制普碳钢管时，所采用的粉末为镍基粉末，其成分百分比为：C0.2-0.8、Cr10-18 Si2.5-4.5、Ni余量。
进一步地，步骤(9)高速激光熔覆：当芯棒轧制合金钢管时，所采用的粉末为在镍基粉末里加入35-60％CrC，其成分百分比为C 0.2-0.8、Cr 10-18、Si2.5-4.5、混合相35-60％CrC、Ni余量。
进一步地，步骤(9)高速激光熔覆：当芯棒轧制高强钢管时，所采用的粉末为在镍基粉末里加入35-60％WC，其成分百分比为C 0.2-0.8、Cr 10-18、Si 2.5-4.5、混合相35-60％WC、Ni余量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一、堆焊材料是低碳合金材料，仅仅用于恢复尺寸，其焊接工艺性好，对预热和后热要求低，与传统的堆焊相比变形小，不易出现裂纹等缺陷；二、采用高速激光熔覆技术制作表面强化层，降低了对堆焊材料性能的要求，同时取消堆焊后的镀铬处理，性能更加优异，同时绿色无污染；三、高速激光熔覆与基体为冶金结合，而电镀层与基体为机械结合，因此激光熔覆的结合远高于电镀层；四、高速激光熔覆效率高，热输入小，制作过程中可避免芯棒的变形等问题；五、熔覆材料具备优异的耐高温耐磨、耐腐蚀、耐冷热疲劳等性能。本发明不仅能够显著提高芯棒使用寿命，而且整个制造过程绿色环保、无污染。
具体实施方式
本发明一种无缝钢管轧制用芯棒的修复方法，具体步骤如下：
(1)修复前清洗检测：清洗去除芯棒表面油污等，对芯棒进行检测，从而确定芯棒的加工尺寸；
(2)修复前加工：采用大型数控车床加工芯棒；
(3)堆焊前检测：对芯棒进行探伤检测、尺寸检测、硬度检测，从而保证芯棒堆焊前完全去除疲劳层、无裂纹等缺陷，并确定堆焊的厚度；
(4)堆焊预热：将芯棒放入卧式预热炉中进行预热处理，预热温度200-250℃，保温时间2-3h，使焊接过程无需补温；
(5)堆焊恢复尺寸：将芯棒安装到焊机上，采用埋弧焊进行焊接，堆焊后尺寸比成品直径大2-3mm，从而保证加工余量；
(6)堆焊后热处理：将芯棒放入加热炉内，进行退火消应力处理；退火温度520-550℃，保温3-5h；
(7)堆焊后加工：采用大型数控车床加工芯棒，使尺寸比成品直径小1-2mm；
(8)激光熔覆前检测：对芯棒进行探伤检测、尺寸检测，从而保证熔覆层无裂纹等缺陷，同时确定激光熔覆层的厚度；
(9)高速激光熔覆：采用高速激光熔覆对芯棒表面进行强化处理，所用粉末材料为耐磨、耐腐蚀、塑韧性优异的合金粉末；熔覆时的工艺为：功率4500-6000W、速度4-5m/min、光斑直径1.5-3mm、离焦量20-40mm、送粉速率50-80g/min、搭接量30％-50％；熔覆层单边厚度0.5-1.2mm，使尺寸比成品直径大0.1-0.2mm；
(10)熔覆后加工：在数控机床上采用砂带对芯棒进行表面抛磨处理，表面粗糙度达到Ra0.8；
(11)成品检测：对修复后的成品芯棒进行检测，主要包含尺寸检测、跳动检测、硬度检测、探伤检测等。
其中，步骤(1)修复前清洗检测：检测内容主要包括尺寸检测、变形检测、探伤检测、外观检测。
步骤(3)堆焊前检测：探伤检测主要包含UT探伤和PT探伤，从而确保芯棒表面及内部均无缺陷；硬度检测是保证硬度需达到基体硬度，即保证疲劳层安全去除。
步骤(4)堆焊预热：卧式预热炉内放置热电偶，热电偶个数根据芯棒的长度确定，优选为3-5个。热电偶可以实时监测预热温度，保证达到预热温度要求，同时防止预热不均的现象出现。
步骤(5)堆焊恢复尺寸：焊丝为含碳量低的焊丝；堆焊材料为低碳合金类材料，碳含量＜0.1；该焊机配备5-8个焊接机头。低碳焊丝的焊接性能优异，可有效降低焊接导致的裂纹等缺陷的产生。5-8个焊接机头可以实现同步焊接，提高焊接效率。
步骤(9)高速激光熔覆：所述的粉末为镍基粉末，主要有以下三种类型：
第一种镍基粉体，其成分质量百分比为：C0.2-0.8、Cr10-18、Si2.5-4.5、Ni余量。
第二种是在第一种镍基粉末里混入35-60％的CrC，其成分质量百分比为：C 0.2-0.8、Cr 10-18、Si2.5-4.5、混合相35-60％CrC、Ni余量。
第三种是在第一种镍基粉末里加入35-60％的WC，其成分质量百分比为；C 0.2-0.8、Cr 10-18、Si 2.5-4.5、混合相35-60％WC、Ni余量。
在激光熔覆时，可根据不同的工况即轧制的钢管材料进行选择：第一种镍基粉末耐磨、耐腐蚀、塑韧性优异，可以用于轧制普碳钢管；第二种是在镍基粉末的基础上入35-60％的CrC，进一步提高耐磨性能，可以用于轧制合金钢管；第三种是在镍基粉末的基础上加入35-60％WC，耐磨性能更加优异，可以用于轧制高强钢管。从上面可以看出，钢管强度越大、越硬，对芯棒的磨损越大，芯棒的使用温度越高，因此对芯棒的要求越高。
实施例1
芯棒基体材料为H13，直径为
长度为11m；芯棒用于轧制普碳钢管。
此芯棒的修复方法为：
(1)修复前清洗检测：清洗去除芯棒表面油污等，对芯棒进行检测，从而确定芯棒的加工尺寸；检测内容主要包括尺寸检测、变形检测、探伤检测、外观检测。
(2)修复前加工：根据检测结果，采用大型数控车床加工芯棒，主要是去除表面疲劳层、消除裂纹等缺陷。
(3)堆焊前检测：对芯棒进行探伤检测、尺寸检测、硬度检测，从而保证芯棒堆焊前完全去除疲劳层、无裂纹等缺陷，并确定堆焊的厚度。
(4)堆焊预热：将芯棒放入卧式预热炉中进行预热处理，预热炉内需根据芯棒长度放置3个热电偶，实时监测预热温度，保证达到预热温度要求，同时防止预热不均的现象出现；预热温度为200℃，保温时间2.5h。
(5)堆焊恢复尺寸：将预热好的芯棒迅速安装到焊机上，采用埋弧焊进行焊接，焊丝为含碳量低的焊丝；堆焊后尺寸比成品直径大2mm；该焊机配备5个焊接机头，可以同步焊接。
(6)堆焊后热处理：将芯棒放入加热炉内，加热至520℃，保温3h，进行退火消应力处理。
(7)堆焊后加工：采用大型数控车床加工芯棒，将芯棒尺寸车到比成品直径小1mm。
(8)激光熔覆前检测：对芯棒进行探伤检测、尺寸检测，从而保证熔覆层无裂纹等缺陷，同时确定激光熔覆层的厚度。
(9)高速激光熔覆：采用高速激光熔覆对芯棒表面进行强化处理，熔覆层单边厚度0.6mm。
所用粉末材料如表1所示：
表1
| C | Cr | Si | Ni | 混合相 |
| 0.2-0.8 | 10-18 | 2.5-4.5 | 余量 | / |
熔覆工艺如表2所示：
表2
| 功率 | 速度 | 光斑直径 | 离焦量 | 送粉速率 | 搭接量 |
| 4500 | 4m/min | 1.5mm | 20mm | 50g/min | 30％ |
(10)熔覆后加工：在数控机床上采用砂带对芯棒进行表面抛磨处理，表面粗糙度达到Ra0.8。
(11)成品检测：对修复后的成品芯棒进行检测，主要包含尺寸检测、跳动检测、硬度检测、探伤检测等。
实施例2
芯棒基体材料为H13，直径为
长度为13m；芯棒用于轧制合金钢管。
此芯棒的修复方法为：
(1)修复前清洗检测：清洗去除芯棒表面油污等，对芯棒进行检测，从而确定芯棒的加工尺寸；检测内容主要包括尺寸检测、变形检测、探伤检测、外观检测。
(2)修复前加工：根据检测结果，采用大型数控车床加工芯棒，主要是去除表面疲劳层、消除裂纹等缺陷。
(3)堆焊前检测：对芯棒进行探伤检测、尺寸检测、硬度检测，从而保证芯棒堆焊前完全去除疲劳层、无裂纹等缺陷，并确定堆焊的厚度。
(4)堆焊预热：将芯棒放入卧式预热炉中进行预热处理，预热炉内需根据芯棒长度放置4个热电偶，实时监测预热温度，保证达到预热温度要求，同时防止预热不均的现象出现；预热温度为220℃，保温时间2.5h。
(5)堆焊恢复尺寸：将预热好的芯棒迅速安装到焊机上，采用埋弧焊进行焊接，焊丝为含碳量低的焊丝；堆焊后尺寸比成品直径大2.5mm；该焊机配备6个焊接机头，可以同步焊接。
(6)堆焊后热处理：将芯棒放入加热炉内，加热至540℃，保温4h，进行退火消应力处理。
(7)堆焊后加工：采用大型数控车床加工芯棒，将芯棒尺寸车到比成品直径小1.5mm。
(8)激光熔覆前检测：对芯棒进行探伤检测、尺寸检测，从而保证熔覆层无裂纹等缺陷，同时确定激光熔覆层的厚度。
(9)高速激光熔覆：采用高速激光熔覆对芯棒表面进行强化处理，熔覆层单边厚度0.8mm。
所用粉末材料如表3所示：
表3
| C | Cr | Si | Ni | 混合相 |
| 0.2-0.8 | 10-18 | 2.5-4.5 | 余量 | 35-60％CrC |
熔覆工艺如表4所示：
表4
| 功率 | 速度 | 光斑直径 | 离焦量 | 送粉速率 | 搭接量 |
| 5000 | 4.5m/min | 2mm | 30mm | 70g/min | 40％ |
(10)熔覆后加工：在数控机床上采用砂带对芯棒进行表面抛磨处理，表面粗糙度达到Ra0.8。
(11)成品检测：对修复后的成品芯棒进行检测，主要包含尺寸检测、跳动检测、硬度检测、探伤检测等。
实施例3
芯棒基体材料为H13，直径为
长度为16m；芯棒用于轧制高强钢管。
此芯棒的修复方法为：
(1)修复前清洗检测：清洗去除芯棒表面油污等，对芯棒进行检测，从而确定芯棒的加工尺寸；检测内容主要包括尺寸检测、变形检测、探伤检测、外观检测。
(2)修复前加工：根据检测结果，采用大型数控车床加工芯棒，主要是去除表面疲劳层、消除裂纹等缺陷。
(3)堆焊前检测：对芯棒进行探伤检测、尺寸检测、硬度检测，从而保证芯棒堆焊前完全去除疲劳层、无裂纹等缺陷，并确定堆焊的厚度。
(4)堆焊预热：将芯棒放入卧式预热炉中进行预热处理，预热炉内需根据芯棒长度放置5个热电偶，实时监测预热温度，保证达到预热温度要求，同时防止预热不均的现象出现；预热温度为250℃，保温时间3h。
(5)堆焊恢复尺寸：将预热好的芯棒迅速安装到焊机上，采用埋弧焊进行焊接，焊丝为含碳量低的焊丝；堆焊后尺寸比成品直径大3mm；该焊机配备8个焊接机头，可以同步焊接。
(6)堆焊后热处理：将芯棒放入加热炉内，加热至550℃，保温5h，进行退火消应力处理。
(7)堆焊后加工：采用大型数控车床加工芯棒，将芯棒尺寸车到比成品直径小2mm。
(8)激光熔覆前检测：对芯棒进行探伤检测、尺寸检测，从而保证熔覆层无裂纹等缺陷，同时确定激光熔覆层的厚度。
(9)高速激光熔覆：采用高速激光熔覆对芯棒表面进行强化处理，熔覆层单边厚度1.1mm。
所用粉末材料如表5所示：
表5
| C | Cr | Si | Ni | 混合相 |
| 0.2-0.8 | 10-18 | 2.5-4.5 | 余量 | 35-60％WC |
熔覆工艺如表6所示：
表6
| 功率 | 速度 | 光斑直径 | 离焦量 | 送粉速率 | 搭接量 |
| 6000W | 5m/min | 3mm | 40mm | 80g/min | 50％ |
(10)熔覆后加工：在数控机床上采用砂带对芯棒进行表面抛磨处理，表面粗糙度达到Ra0.8。
(11)成品检测：对修复后的成品芯棒进行检测，主要包含尺寸检测、跳动检测、硬度检测、探伤检测等。
对现有电镀层和本发明激光熔覆层的性能进行对比：
(一)滑动磨损实验：采用MMS-2A微机控制磨损试验机对试样进行实验，对磨材料为淬火态的模具钢，硬度为63HRC。结果如表7所示：
表7
| 涂层 | 原始重量 | 磨损后重量 | 重量损失Δ |
| 电镀层 | 9.7984 | 9.7782 | 0.0202 |
| 激光熔覆层 | 9.8183 | 9.8117 | 0.0066 |
从上表可以看出，激光熔覆层耐磨损性能比电镀层的耐磨损性能提高3倍。
(二)电化学腐蚀：试样在3.5wt.％NaCl溶液中浸泡10min后的极化曲线参数。结果如表8所示：
表8
| 涂层 | 腐蚀极化电位/V | 腐蚀电流密度/A·cm<sup>-2</sup> |
| 电镀层 | -0.862 | 3.046×10<sup>-6</sup> |
| 激光熔覆层 | -0.509 | 3.724×10<sup>-6</sup> |
从上表可以看出，激光熔覆层的腐蚀电流密度大于电镀层；从极化腐蚀电位也可以看出，激光熔覆层的极化电位较大，耐腐蚀性能好，电镀层的极化电位较小，耐腐蚀性差。
(三)热震试验：将试样加热至800℃，然后水中快冷，反复试验，结果如表9所示：
表9
| 涂层 | 试验次数 | 表面状态 |
| 电镀层 | 20 | 可见裂纹 |
| 激光熔覆层 | 20 | 无变化 |
从上表可以看出，激光熔覆层的抗冷热疲劳性能远优于电镀层。
因此，从激光熔覆层试样和电镀层试样的各个性能比较可以得出：本发明修复激光熔覆层的耐磨损性能、抗腐蚀性能、抗冷热疲劳性能都远优于电镀层，因此本发明使用激光熔覆修复得到的无缝钢管芯棒的使用寿命至少是使用电镀修复的无缝钢管芯棒的寿命的2倍。
本发明工艺不仅仅局限于对无缝钢管轧制用芯棒的修复，在制造无缝钢管轧制用芯棒的新品时也可以使用本发明工艺直接对芯棒的表面进行强化，从而延长其使用寿命。
Claims (8)
1.一种无缝钢管轧制用芯棒的修复方法，具体步骤如下：
(1)修复前清洗检测：清洗去除芯棒表面油污等，对芯棒进行检测，从而确定芯棒的加工尺寸；
(2)修复前加工：采用大型数控车床加工芯棒；
(3)堆焊前检测：对芯棒进行探伤检测、尺寸检测、硬度检测，从而保证芯棒堆焊前完全去除疲劳层、无裂纹等缺陷，并确定堆焊的厚度；
(4)堆焊预热：将芯棒放入卧式预热炉中进行预热处理，预热温度200-250℃，保温时间2-3h，使焊接过程无需补温；
(5)堆焊恢复尺寸：将芯棒安装到焊机上，采用埋弧焊进行焊接，堆焊后尺寸比成品直径大2-3mm，从而保证加工余量；
(6)堆焊后热处理：将芯棒放入加热炉内，进行退火消应力处理；退火温度520-550℃，保温3-5h；
(7)堆焊后加工：采用大型数控车床加工芯棒，使尺寸比成品直径小1-2mm；
(8)激光熔覆前检测：对芯棒进行探伤检测、尺寸检测，从而保证熔覆层无裂纹等缺陷，同时确定激光熔覆层的厚度；
(9)高速激光熔覆：采用高速激光熔覆对芯棒表面进行强化处理，所用粉末材料为耐磨、耐腐蚀、塑韧性优异的合金粉末；熔覆时的工艺为：功率4500-6000W、速度4-5m/min、光斑直径1.5-3mm、离焦量20-40mm、送粉速率50-80g/min、搭接量30％-50％；熔覆层单边厚度0.5-1.2mm，使尺寸比成品直径大0.1-0.2mm；
(10)熔覆后加工：在数控机床上采用砂带对芯棒进行表面抛磨处理，表面粗糙度达到Ra0.8；
(11)成品检测：对修复后的成品芯棒进行检测，主要包含尺寸检测、跳动检测、硬度检测、探伤检测等。
2.根据权利要求1所述的修复方法，其特征是：步骤(1)修复前清洗检测：检测内容主要包括尺寸检测、变形检测、探伤检测、外观检测。
3.根据权利要求1所述的修复方法，其特征是：步骤(3)堆焊前检测：探伤检测主要包含UT探伤和PT探伤。
4.根据权利要求1所述的修复方法，其特征是：步骤(4)堆焊预热：卧式预热炉内放置热电偶，热电偶个数根据芯棒的长度确定，优选为3-5个。
5.根据权利要求1所述的修复方法，其特征是：步骤(5)堆焊恢复尺寸：焊丝为含碳量低的焊丝；堆焊材料为低碳合金类材料，碳含量＜0.1；该焊机配备5-8个焊接机头。
6.根据权利要求1所述的修复方法，其特征是：步骤(9)高速激光熔覆：当芯棒轧制普碳钢管时，所采用的粉末为镍基粉末，其成分百分比为：C0.2-0.8、Cr10-18 Si2.5-4.5、Ni余量。
7.根据权利要求1所述的修复方法，其特征是：步骤(9)高速激光熔覆：当芯棒轧制合金钢管时，所采用的粉末为在镍基粉末里加入35-60％CrC，其成分百分比为C 0.2-0.8、Cr10-18、Si2.5-4.5、混合相35-60％CrC、Ni余量。
8.根据权利要求1所述的修复方法，其特征是：步骤(9)高速激光熔覆：当芯棒轧制高强钢管时，所采用的粉末为在镍基粉末里加入35-60％WC，其成分百分比为C 0.2-0.8、Cr 10-18、Si 2.5-4.5、混合相35-60％WC、Ni余量。
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