成世奇，杨 华，余 波
（广西柳钢工程技术有限公司，广西 柳州 545002）
在冶金和水泥工业设备中，立磨辊是最主要的设备，主要组成机构如图1。磨辊是生产过程中极易磨损的部件，为降低生产成本，立磨辊磨损至达不到使用要求后进行修复再利用，因此立磨辊的修复有着极大的市场和意义。立磨辊是一种由辊套、辊体、轴承和承重轴组成的旋转体，主要磨损修复的是辊套，通过在辊套外圆面堆焊一定厚度的高硬度、高耐磨合金，来降低辊套与磨盘磨损，延长设备整体使用寿命。
图1 立磨辊构造
原工艺制作的立磨辊为整体高铬铸铁成分，不需要焊接，成本较高，且新辊磨损后修复难度极大，重复利用的比例极低。目前市场上已经逐步转变为采用铸钢材质的辊套毛坯焊接耐磨合金来达到使用效果，但由于辊套的材质与耐磨合金的成分差别太大，在焊接质量控制上存在较大难度，在使用过程中易可能出现合金层掉落和磨损过快的问题，所以焊接过程中，焊接参数控制、焊缝尺寸、厚度就显得极为重要。此外，焊接所用的合金焊丝的化学和物理性能也是影响焊接质量的重要因素。因此，保证焊接质量是立磨辊焊接过程中的一个重点难点。
立磨辊套采用母材材质为ZG35SiMn，其主要成分见表1，由于其含碳量较高，焊接性能较差，且焊接耐磨层为高硬度高耐磨的高铬铸铁材质，母材与耐磨层焊丝材质差别太大，机械性能差异大，需增加打底过渡层提高焊层与母材的熔合性[1]。
表1 ZG35SiMn 的化学成分（%）
为达到耐磨性能要求，在焊材选型时需考虑焊材成分和硬度等指标，并对焊材化学、物理及焊接性能进行前期试验，确保焊材符合要求方可进行批量焊接。为确保焊接后焊层质量良好，且具有良好的机械物理性能，根据所选辊套基材情况，需选用3 种焊丝分别作为打底过渡层、中间耐磨层和盖面超耐磨层，且所选择各焊层焊丝需具有对应的物理和化学性能：
（1）打底过渡层焊丝：具有良好的塑性、低硬度及与基材良好结合性，使辊套基材与焊层实现良好过渡，并确保与中间层熔合良好。
（2）中间耐磨层焊丝：作为磨辊最主要的磨损层，选择高铬铸铁材质焊丝，具有高硬度、高耐磨性及良好的焊接性。
（3）表面超耐磨层焊丝：需增加铌或钼元素来提高耐磨性能，具有超强的耐磨性并具有高硬度，并有良好焊接成型性。
立磨辊焊接采用明弧焊工艺，该工艺方案包括以下步骤[2-3]：
（1）铸件毛坯加工：对辊套毛铸件坯进行车削加工，根据图纸耐磨层厚度要求，预留足够余量进行焊接，加工后进行尺寸确认。
（2）焊前清理：对辊套焊接区域进行清理，去除影响焊接质量的污物、油污、油漆、铁锈、氧化皮、潮气。
（3）辊套安装：将被辊套安装到焊接工装上，确保工装能平稳匀速驱动焊件运转，对驱动工装底座进行固定。
（4）探伤检测：采用超声波探伤和着色渗透探伤的方法对辊套表面和内部缺陷进行确认，确保焊件内外部无缺陷。
（5）焊接：采用明弧焊接，需焊接打底层、耐磨层、盖面层，先从焊接厚度最大区域开始焊接打底层，需确保所有焊接位置均进行打底，按工艺方案要求焊接打底完成后焊接耐磨层，最后焊接盖面层至工艺尺寸要求。
（6）过程控制：由于耐磨焊丝为高铬铸铁材质，硬度高、应力大，焊接过程中需严格控制层间温度，确保层间温度不高于80 益，若层间温度高于该温度极限，需采取水雾冷却的方法来降低层间温度。
3.1 焊材选型与检测试验
根据辊套基材材质和焊丝成熟稳定性，焊丝选型：打底层：KCH-615S，中间层：KCH-626V，表面层：KCH-KZ1，所选焊丝均为明弧焊丝，焊丝规格为
打底层作为焊层与母材连接过渡层，需进行焊接可行性分析，确保其机械性与母材性能相似，才能保证焊接的熔合。辊套母材为ZG35SiMn 材质，属奧氏体高锰钢，其延伸率较低，延伸率若有5%，即可应付变形量，而打底层焊丝KCH-615S 延伸率则高达13%，实践证明在使用上不存在问题[4-5]。KCH-615S各项物理性能指标见表2。
表2 KCH-615S 各项物理性能
根据工艺要求，为确保焊材各项质量指标达到工艺要求，需对焊丝进行焊前检测，检测方法是焊丝取样制作焊接试样，试样焊接4 层，然后取样进行检测，检测项目主要为化学成分、硬度及金相组织，焊材的检测结果见表3。
表3 焊材各项指标检测结果
据图2 金相图分析，进行焊接后，取样进行金相分析，在熔合区域附近未发现裂纹，因此使用KCH-615S 在ZG35SiMn 母材上进行焊接是可行的焊接工艺。据图3 金相图分析，500 倍放大图来看，融合区可明显看到两种材料的交界处有交错的过渡组织产生，证明KCH-615S 与ZG35SiMn 融合情况良好。
图2 50 倍放大的KCH-615S 与母材交界区域组织金相图
图3 500 倍放大的KCH-615S 与母材交界区域组织金相图
此外，取耐磨层焊丝KCH-626V 做焊接试样进行金相分析，其主要金相组织为渗碳体+马氏体和奥氏体。高铬铸铁的耐磨性主要依靠碳化物的种类、分布和面积比，碳化物的硬度高于基体硬度，在磨损过程中起耐磨骨架作用，保护基体，而基体又对碳化物起到支撑作用；
马氏体具有高硬度、高耐磨性的特点，能够提高高铬铸铁的硬度和耐磨性能。
3.2 焊接工艺方案实施
（1）根据制定工艺步骤，结合焊材选型及立磨辊焊接技术要求焊接实施采用NBC-630 逆变焊机，明弧焊接的方法，按照明弧焊接工艺参数，对打底层、中间层、表面层的步骤实施焊接。
（2）通过焊前探伤检测、清理及焊前预热后，采取自主设计焊接工装实施连续焊接作业。焊接工装替代常用的变位机，既可降低生产成本，又能减少作业空间，提高生产效率。焊接工装如图4 所示。
图4 立磨辊焊接工装
（3）过程控制：按照工艺技术要求控制不同焊材焊接厚度，并做好焊接过程缺陷的处置，同时需严格控制焊接过程层间温度，确保层间温度在80益以下，采用水雾冷却来降低温度
3.3 工艺应用结果
（1）根据既定焊接工艺，实施打底层、中间层和盖面层焊接，过程各项质量指标控制良好，未出现不可控质量问题出现，按要求完成各项焊接工作；
（2）焊接完成后，检测各项技术参数为，圆周跳动小于5 mm，辊面平面度小于3 mm，辊面硬度为HRC58-63，各尺寸均符合技术质量要求，质量合格。焊接成品如图5。
图5 焊接完成的磨辊
（3）根据立磨辊结构和装配要求，将焊接合格并经加工的辊套与其他装配构建进行组装，根据装配流程以及轴承装配的核心要求，采用“内热外冷法，先外后内，先轮毂再装轴后圆锥轴承及端盖，整体竖装”的组装方式，总结、制定出一套切实可行的磨辊组装工艺方法。具体的组装流程如图6。
图6 立磨辊组装流程简图
本次焊接新制的立磨辊在尺寸公差、辊面硬度及外观成型上均满足技术要求，经装配后上线生产使用各项性能指标均符合要求，辊子使用寿命达到3000 h，达到寿命要求，得到了用户的认可。
在此次立磨辊焊接制作开发过程中，通过理论试验和实际焊接实施，确定了选用的焊接材料、焊接工艺及焊接工装辅具是合理可行的，积累了高铬铸铁耐磨辊类焊接技术方法和经验。同时，立磨辊焊接工艺开发及应用成果形成《立磨辊的堆焊方法及变位焊接工装》获得发明专利授权。
在机械、冶金等行业中，高耐磨设备使用面广、需求量大，具有较大的修复需求和市场，磨辊焊接工艺的成功开发应用，特别是解决了大型设备的堆焊修复问题，为开发同类设备修复工艺方法提供经验，并进一步应用到其他同类型耐磨设备修复。
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