耐磨件堆焊制造及再制造探討

　　耐磨件的制造不僅可通過鑄造工藝來制造，也可通過堆焊工藝來制造，而對磨損過的耐磨件采用堆焊工藝來再制造，可獲得比原鑄件更耐磨的性能，同時通過廢舊利用，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，是一個再制造過程，本文將就耐磨件堆焊制造及再制造中的幾個問題進(jìn)行探討。

　　1、堆焊和鑄造一樣都是耐磨件的制造方法

　　1.1、堆焊是微觀化的鑄造

　　耐磨件的制造是以鑄造為主（從噸位來說），堆焊件占的比重比較小。鑄造比堆焊發(fā)展得早，所以從堆焊誕生開始，就有了鑄造和焊接（堆焊）誰代替誰的問題，其實(shí)從原理上講，二者應(yīng)該是一家，是不能相互替代的。我們認(rèn)為，堆焊過程實(shí)際就是一個微觀的鑄造過程，如果鑄造可以看作是焊件尺寸以米為單位的大尺寸熔池，那么堆焊就是以毫米為單位的很小的熔池。為什么在工件制造過程中會有微觀鑄造的概念呢？這是因?yàn)閷τ阼T造而言，隨著鑄件尺寸的不斷增大，其制造難度和熱處理難度也越來越高，如果再要求耐磨件能夠由里到外具有均勻的耐磨性能，實(shí)現(xiàn)起來將非常困難。但是堆焊過程可以解決這一難題，它將鑄造過程微觀化、微細(xì)化，把一個大的鑄造分解成無數(shù)小的鑄造，這樣，每個微觀熔池都可以很容易達(dá)到最終工件要求的強(qiáng)度、硬度、韌性等微觀指標(biāo)。

　　所以，在耐磨件的堆焊過程中，鑄造和堆焊是相輔相成的，就比如鑄造是皮，耐磨層堆焊是毛，對耐磨件整體質(zhì)量而言，二者是"皮之不存，毛將焉附"的關(guān)系。如果要求一個工件整體具有很好的質(zhì)量，就要求其鑄造和堆焊的質(zhì)量都很高。

　　1.2 、耐磨件制造過程中鑄造和堆焊的選擇

　　對于一個耐磨件，如果其鑄件從成本、性能等方面能夠完全滿足使用要求，人們就不必考慮堆焊了。那么為什么要考慮堆焊呢？這是因?yàn)?，僅靠鑄造，耐磨件的壽命、質(zhì)量上無法達(dá)到所要求的指標(biāo)，這時就引進(jìn)了微觀鑄造，也就是用堆焊的方式來加強(qiáng)所要求部位的耐磨質(zhì)量或其他方面的質(zhì)量。

　　2 、耐磨堆焊再制造方法的選擇

　　堆焊方法有很多，如氣焊、手工電弧焊、氣體保護(hù)焊、埋弧焊、明弧焊等。耐磨堆焊再制造就是用堆焊工藝將品質(zhì)合適的耐磨材料堆焊到基體表面，堆焊后細(xì)化的復(fù)合碳化物均勻分布在強(qiáng)化的基體內(nèi)，形成的奧氏體基體具有較好的抗拉強(qiáng)度，焊材與基材熔合性好，具有高應(yīng)力的磨耗性，外觀焊縫成型美觀，具備較好的抗沖擊性能，從而提升了耐磨件的使用壽命（比新品可提高1.5倍以上）。

　　近年來采用的堆焊再制造方法主要有兩種，一是使用直徑Φ3.2-5mm的藥芯焊絲在焊劑層下進(jìn)行自動埋弧堆焊，另一種是使用Φ1.2-3.2mm自保護(hù)藥芯焊絲進(jìn)行明弧堆焊。

　　埋弧焊是傳統(tǒng)的高效率的堆焊方式，現(xiàn)在很多地方還在沿用，而自保護(hù)明弧焊最近兩年已經(jīng)發(fā)展起來了，實(shí)際上這兩種焊接方法各有利弊。在早期的磨輥、磨盤瓦等大物件的堆焊過程中，也都曾經(jīng)采用過埋弧焊。后來為什么都采用明弧自保護(hù)焊呢？這是因?yàn)榕c埋弧堆焊比較，明弧自保護(hù)焊有以下優(yōu)勢：

　　第一，從成本上說，埋弧焊比較費(fèi)工、費(fèi)時，一般要3-4人，有添加焊劑的、除焊劑的、有焊接操作的。并且焊前要對焊劑進(jìn)行烘干，焊接過程中要不斷添加焊劑，并需專人去除焊渣，使堆焊過程人力、物力投入很大，且環(huán)境惡劣。相反，明弧自保護(hù)焊只要一個人就夠了，不僅實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化，減小了焊工手工操作時因長期焊接引起的疲勞及堆焊質(zhì)量下降，具有人工操作不可及的高效率，因此能夠適應(yīng)高質(zhì)量、高效率的堆焊再制造要求。

　　第二，從耐磨性能上說，埋弧焊因?yàn)橛泻竸⒑冈挠绊?，一些?qiáng)迫冷卻措施、溫控措施都很難加上去，因此無法對工件進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻以保持正常焊層間溫度，致使工件可焊性受到限制。而明弧自保護(hù)焊就比較容易實(shí)現(xiàn)溫控，從而使工件能獲得更好的耐磨性能。

　　第三，從整體對部件的影響來說，埋弧焊因溫控受限，鑄件的尺寸變形會比較大，而明弧自保護(hù)焊可以將變形控制到很小范圍內(nèi)，因此不易引起母材的變形開裂。原來有一個概念，一個鑄件或輥體的堆焊最多不超過三次，這是建立在埋弧堆焊的基礎(chǔ)上的，作為明弧自保護(hù)焊來說，應(yīng)該說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止三次。

　　那么這些方法該怎么選擇呢？我們認(rèn)為，應(yīng)從工件的最終性能要求來考慮，例如，煤磨、立磨的磨輥/盤這類工件，它們要求高耐磨、低抗沖擊性，工藝選擇要從碳化物的數(shù)量和形態(tài)上來考慮；而輥壓機(jī)擠壓輥這類產(chǎn)品則要求高抗沖擊、中低耐磨，工藝選擇要考慮碳當(dāng)量的概念，碳當(dāng)量決定耐磨件本身的強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性。簡單的說，輥壓機(jī)擠壓輥的堆焊要考慮預(yù)熱和保溫，要圍繞碳當(dāng)量做工藝，原則上要采用熱焊，需要在一定的條件下進(jìn)行焊接，焊接、保溫溫度都比較高。而立磨、煤磨的輥/盤要求有足夠的耐磨性能，要考慮碳化物的形態(tài)，只考慮控制小的變形和快的冷卻速度，采用冷焊就可以了。因此，埋弧焊更適合輥壓機(jī)的堆焊，明弧自保護(hù)焊更適合立磨、煤磨的輥/盤的堆焊。所以只有針對不同的工件和場合綜合考慮堆焊方式，才能兼顧不同的堆焊方法，得到所需要的性能。

　　3 、耐磨堆焊再制造方式

　　目前的耐磨堆焊再制造方式包括離線堆焊和在線堆焊，離線堆焊發(fā)展較早，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在線堆焊是我公司在國內(nèi)首先做起來的，并且獲得了國家專利和國家創(chuàng)新基金支持。

　　3.1、在線堆焊再制造

　　立磨磨輥和盤瓦在線再制造是將堆焊機(jī)運(yùn)到現(xiàn)場，在立磨磨輥/盤不拆除的情況下，使用藥芯焊絲進(jìn)行明弧堆焊再制造。因?yàn)椴挥貌鹦赌ポ伜鸵r板，用戶可在設(shè)備檢修和設(shè)備停機(jī)的較短時間內(nèi)進(jìn)行堆焊再制造，滿足即時檢修的需要，最大程度縮短停工時間。

　　最初的在線堆焊施工是2000年從電力系統(tǒng)的煤磨開始的。因?yàn)殡姀S一臺機(jī)組至少有五到六臺煤磨機(jī)，而停機(jī)檢修時間只有10-15天，典型磨型如ZGM113系列磨煤機(jī)，一個機(jī)組六臺煤磨共有18只磨輥、6套盤，若要在檢修期間堆焊完，即使堆焊場地離工廠不是很遠(yuǎn)，加上拆裝和運(yùn)輸時間，以一臺設(shè)備堆焊一只輥?zhàn)佑?jì)算，共需要24臺設(shè)備、10-14天完成施工，而在線堆焊施工卻可以在10天內(nèi)順利達(dá)到同樣的效果。

　　從2000年至今，嘉克公司一直在進(jìn)行在線堆焊施工，到工程量最多的時候一共有9只隊(duì)伍在外進(jìn)行在線堆焊施工，每個施工隊(duì)伍堆焊量都在5-10噸，能一次性堆焊完成電廠一個機(jī)組的全部磨機(jī)。水泥廠因?yàn)榱⒛サ某叽绫容^大，像ATOX50、MLS3626等大的輥套和磨盤堆焊量也都很大。

　　大量的實(shí)踐證明了在線堆焊再制造是比較實(shí)用的，不僅能保證堆焊再制造后的質(zhì)量和使用壽命，保證磨輥和磨盤的原有工作尺寸，而且大大提高了生產(chǎn)效率和出粉產(chǎn)量，降低了更換磨盤和磨輥所帶來的人工成本增加、備件周期及不安全因素的影響。
有人認(rèn)為在線焊質(zhì)量可能有問題，我們經(jīng)過上百個堆焊再制造的案例比較后認(rèn)為，在線焊如果在裝備上、工藝上真正達(dá)到要求，表面質(zhì)量和耐磨性能能和離線堆焊一樣經(jīng)得起足夠的耐磨時間。

　　3.2 離線堆焊再制造

　　在線堆焊的成功實(shí)施并不能完全取代離線堆焊，這兩種焊接方法同樣重要。企業(yè)如擁有備件，可把磨輥/盤瓦拆卸下來運(yùn)到嘉克公司堆焊生產(chǎn)基地進(jìn)行再制造。被堆焊再制造的磨輥/盤瓦不受尺寸限制，且各種形狀的磨輥/盤瓦均可堆焊再制造。
嘉克公司離線堆焊再制造的磨輥/盤瓦熔覆金屬與基體結(jié)合牢固，外觀焊縫成型美觀，耐磨性能好，使用壽命長，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備和技術(shù)工藝的完美組合。

　　4 耐磨堆焊再制造設(shè)備

　　4.1在線堆焊再制造設(shè)備

　　嘉克公司研制生產(chǎn)的ARC-NMP7-1磨輥/盤瓦在線明弧自動堆焊機(jī)是磨盤瓦、磨輥機(jī)內(nèi)堆焊再制造的專用設(shè)備，它含五項(xiàng)專利，主要用于立磨磨輥/盤瓦的現(xiàn)場堆焊再制造，在磨盤瓦不拆除的情況下，使用Φ1.2-3.2mm自保護(hù)藥芯焊絲明弧堆焊，完成磨輥/盤瓦的堆焊再制造工作。整個過程安裝方便，操作簡單，短時間即可完成施工。

　　本設(shè)備采用逆變電源及其對電弧的控制技術(shù)，使堆焊過程飛濺小，焊道成型好，焊接效率高，適合各種形狀的磨輥/盤瓦再制造，能適應(yīng)高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)要求。同時設(shè)備占地面積小，檢修方便，耗電省，幾年來在國內(nèi)200多家火電廠、水泥廠得到廣泛應(yīng)用，為企業(yè)創(chuàng)下了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

　　4.2、離線堆焊再制造設(shè)備
嘉克的離線再制造設(shè)備為含有三項(xiàng)專利技術(shù)的ARC-NMG7-1/2磨輥/盤瓦自動明弧堆焊機(jī)，它采用逆變電源及其對電弧的控制技術(shù)，配備焊槍擺動器和焊槍高度跟蹤系統(tǒng)，用PLC實(shí)現(xiàn)堆焊程序控制及對擺動器和高度跟蹤的控制，使堆焊過程飛濺小，焊道成型好，且具備遮弧及煙塵凈化裝置，可有效地改善工作環(huán)境。

　　本設(shè)備自動化程度高，可通過編程方式排列焊道，可實(shí)現(xiàn)焊距高度跟蹤。此外，通過加配焊槍擺動裝置，可根據(jù)需要選用規(guī)格適合的焊絲，人為設(shè)定寬度，使表面平整美觀，因此適合各種形狀的磨輥/盤瓦堆焊再制造，尤其是形狀復(fù)雜的磨輥。焊槍擺動器和高度跟蹤系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)對局部缺陷的再制造。

　　5、堆焊再制造材料的選擇和工藝控制

　　5.1、耐磨材料的選擇原則

　　針對不同母材的材質(zhì)及其工況條件，需要選用不同成分的耐磨材料即焊絲。母材的材質(zhì)是指金屬元素的化學(xué)成份，可對原磨輥材料進(jìn)行取樣化驗(yàn)留存，以確定焊絲的成分。堆焊層一般分為過渡（打底）層和硬化層，過渡層焊絲既要保證和基體良好熔合，又要無脆性相產(chǎn)生，同時應(yīng)防止裂紋向基體擴(kuò)展；硬化層既要保證不脫層，又要有一定耐磨性能。

　　5.2 工藝控制

　　合理的堆焊再制造工藝是達(dá)到立磨磨輥/盤瓦堆焊再制造效果的關(guān)鍵。嘉克根據(jù)磨輥/盤瓦的不同磨損情況和實(shí)際工況要求，合理設(shè)計(jì)和選擇耐磨堆焊工藝，以達(dá)到最佳的堆焊再制造效果。

　　1）使用ARCFCW1001焊絲作為打底層，采用單向堆焊方式自動堆焊一層，打底層的作用是防止堆焊裂紋向基體擴(kuò)展；
　　2）使用ARCFCW1011焊絲做局部堆焊，采用單向堆焊方式將磨輥凹坑填補(bǔ)平整，補(bǔ)層應(yīng)有適當(dāng)?shù)臋M向裂紋，以釋放焊接應(yīng)力；
　　3）使用ARCFCW9011焊絲，以自動焊方法堆焊至規(guī)定尺寸；
　　4）在整個堆焊過程中，焊縫層間溫度應(yīng)嚴(yán)格控制；
　　5）堆焊再制造注意事項(xiàng)：

　　避免過度稀釋
　　硬面層必須建立橫向裂紋，以釋放焊接內(nèi)應(yīng)力
　　焊層不宜進(jìn)行火焰切割及機(jī)械加工
　　對于產(chǎn)生的焊瘤應(yīng)及時用電弧氣刨清理平整

　　6 耐磨堆焊再制造效果

　　嘉克擁有多年來成功堆焊再制造國內(nèi)外各種立磨的經(jīng)驗(yàn)與記錄，采用嘉克獨(dú)有的專利技術(shù)和設(shè)備堆焊后的立磨表面可獲得最佳的耐磨效果，如：
　　1、有效降低磨輥的更換頻率，從而降低更換費(fèi)用；
　　2、含高科技專利技術(shù)的焊接設(shè)備確保了提供穩(wěn)定的堆焊再制造質(zhì)量；
　　3、性能優(yōu)異的焊接材料使產(chǎn)品在同等工況條件下磨損程度更輕、更均勻，生產(chǎn)效率得到一定程度的提高，同時更加節(jié)約電能；
　　4、 堆焊件與鑄件相比耐磨性能有很大的提高。

　　7 、堆焊再制造風(fēng)險分析及防范措施

　　7.1、堆焊風(fēng)險產(chǎn)生的原因

　　堆焊風(fēng)險是大家比較關(guān)注的問題，比如堆焊開裂、脫落等。堆焊風(fēng)險的存在有兩方面原因，其中鑄件本身的質(zhì)量是一個重要因素。真正合格的鑄件其可焊性還是不錯的，堆焊后容易出問題的鑄件一般是鑄件本身就存在很多缺陷，如沙眼、縮孔、裂紋等，在堆焊施工前通過探傷可能就能發(fā)現(xiàn)鑄件本身已經(jīng)存在裂紋，這跟堆焊過程沒有關(guān)系。另一方面，在鑄件制造時只考慮了本身的耐磨性，而忽略了可焊性的問題，這給以后的堆焊帶來一定困難。當(dāng)然，如果通過嚴(yán)格的檢測，這些缺陷都是可以克服和處理的，但如果焊前沒有經(jīng)過嚴(yán)格檢測，未能發(fā)現(xiàn)鑄造的缺陷，或者堆焊工藝不當(dāng)，就有可能造成堆焊的風(fēng)險。
耐磨件失效形式包括疲勞、磨損、剝落和斷裂，失效原因分析如下
　　1）磨輥運(yùn)行周期過長引起輥身表面的冷作硬化，并形成微裂紋后擴(kuò)展；
　　2）物料的可磨系數(shù)不同造成磨輥耐磨層磨損；
　　3）選擇的堆焊材料及堆焊工藝不當(dāng)引起堆焊過程中工件斷裂；
　　4）斷裂失效與鑄件在鑄造過程中和熱處理過程中產(chǎn)生的缺陷有直接關(guān)系；
　　5）從磨輥結(jié)構(gòu)形狀看，磨輥與輪轂的配合面有2個，一個是柱面配合，另一個是錐面配合。由于磨輥和輪轂的兩對配合表面存在加工誤差，磨輥與輪轂裝配時就很難保證柱體和錐體面同時接觸，這種局部的不良接觸會使磨輥在有配合間隙部位或有鑄造缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中；
　　6）立磨生產(chǎn)過程中不但存在著粉碎大顆粒物料時的振動，而且在入磨熱氣體作用下，磨輥在開停磨時還受到溫度變化的作用，特別是冬季，磨輥表面會在零下幾度的狀態(tài)中幾分鐘時間內(nèi)迅速上升到100～200℃，這會使磨輥在熱應(yīng)力、熱處理殘余應(yīng)力和粉磨力作用下，易在有鑄造缺陷且磨輥與輪轂有配合間隙的部位發(fā)生斷裂。斷裂是從磨輥內(nèi)側(cè)向外側(cè)擴(kuò)展的；
　　7）磨輥安裝預(yù)緊力過大也是磨輥失效的原因之一。

　　7.2、 堆焊再制造可行性和經(jīng)濟(jì)性分析

　　根據(jù)磨輥/盤瓦磨損的不同情況，對立磨磨輥/盤瓦堆焊的可行性、經(jīng)濟(jì)性有如下看法：
　　1）可行性：在立磨磨輥、磨輥及磨盤瓦磨損情況還未達(dá)到不可再制造地步的情況下，選擇合適的材料及合理的堆焊再制造工藝完全可以進(jìn)行堆焊再制造；
　　2）經(jīng)濟(jì)性：由于購買新品備件的成本較高，使用壽命較短，而堆焊再制造后的成本低，使用壽命長，從而可為企業(yè)降低成本，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率。

　　7.3、避免和減少堆焊再制造風(fēng)險的必要措施
　　1） 焊前做母材的成份分析和超聲波檢測；
　　2）根據(jù)母材成份選擇合適的堆焊材料；
　　3）制定科學(xué)合理的堆焊工藝和嚴(yán)格規(guī)范的操作規(guī)程；
　　4）控制焊補(bǔ)高低不平時的引弧和滅弧：通過設(shè)備自有的高度跟蹤來自動實(shí)現(xiàn)局部磨損嚴(yán)重部位的堆焊再制造；
　　5）堆焊質(zhì)量檢驗(yàn)：完備的耐磨性能檢測手段和設(shè)備可對磨輥/盤瓦堆焊再制造前后的狀況進(jìn)行全面檢測，有力保證產(chǎn)品和服務(wù)的質(zhì)量，如超聲波探傷、磁粉探傷、磨料磨損實(shí)驗(yàn)、硬度檢測、金相組織分析、失效分析等。

　　8、復(fù)合磨輥制造--堆焊/鑄造復(fù)合制造

　　8.1、復(fù)合磨輥/盤（堆焊）制造方法介紹

　　復(fù)合輥/盤（堆焊）制造方法是一種新興、科學(xué)的方法。它通過在基材表面堆焊一定厚度的高硬度、抗磨損的耐磨層，由基體提供抵抗外力所需的強(qiáng)度、韌性和塑性等綜合性能，由表面堆焊耐磨層提供滿足指定工況需要的耐磨性能。

　　與傳統(tǒng)的高鉻鑄鐵鑄件不同，其制造方法分為兩個步驟：首先采用ZG25/35材質(zhì)鑄造磨輥/盤胎，根據(jù)成品設(shè)計(jì)規(guī)格預(yù)留30%-50%的尺寸作為耐磨堆焊層；然后采用堆焊熔覆方式將復(fù)合碳化物耐磨層熔覆于磨輥/盤胎之上，直至成品設(shè)計(jì)規(guī)格。 

　　8.2 復(fù)合磨輥/盤的性能特點(diǎn)

　　在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)合輥/盤不僅表現(xiàn)出基材韌、塑性較好的優(yōu)點(diǎn)，又具有高硬度、高耐磨性的耐磨層，因此在使用過程中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，還可多次堆焊再制造，重復(fù)使用。

　　同時，堆焊后的成品還可重復(fù)進(jìn)行堆焊再制造。因此制造成本低、使用性能優(yōu)異的復(fù)合輥能很好地滿足水泥企業(yè)對磨機(jī)磨輥/盤瓦耐磨性能、造價低成本的要求，減少了企業(yè)停機(jī)維修的時間，降低了維護(hù)成本、增加了出粉分產(chǎn)量，為企業(yè)帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　8.3、復(fù)合磨輥/盤瓦制造經(jīng)驗(yàn)

　　到目前為止，嘉克公司已成功為天津水泥研究院、合肥水泥設(shè)計(jì)院、新疆青松水泥有限公司、駐馬店豫龍同力水泥有限公司、邢臺中聯(lián)水泥有限公司、陜西堯柏特種水泥有限公司、福建三安鋼鐵有限公司、中信重工機(jī)械有限責(zé)任公司等多家企業(yè)制作了多種不同型號的耐磨復(fù)合磨輥/盤瓦。

　　8.4、堆焊磨輥/盤優(yōu)于鑄造磨輥/盤的幾個方面
　　1）表面硬度：鑄造磨輥硬度為HRC52-56，堆焊磨輥硬度HRC58-64；
　　2）工藝：鑄造磨輥的控制環(huán)節(jié)多，設(shè)備較大；堆焊磨輥工藝簡單，質(zhì)量易控制；
　　3）內(nèi)在質(zhì)量：高鉻合金鑄鐵磨輥在鑄造過程中，由于其鑄造特點(diǎn)，其耐磨相在組織中呈無序分布，而相同材質(zhì)的堆焊組織具有各向異性（耐磨相有序分布），對提高耐磨性更加有利；
　　4） 經(jīng)濟(jì)性：制造一個堆焊磨輥和鑄造磨輥的費(fèi)用相當(dāng)，但鑄造磨輥磨損后只能回爐報廢，而堆焊磨輥只需花費(fèi)原制造費(fèi)用的50%-60%進(jìn)行堆焊即可作為新品使用；
　　5） 使用壽命：由于碳化物在基體中分布形態(tài)的差異，造成鑄造磨輥遠(yuǎn)低于堆焊磨輥的運(yùn)行壽命，堆焊磨輥的壽命是鑄造磨輥的1.5倍以上。

　　作者簡介：

　　劉振英，男，1963年出生，1989年獲清華大學(xué)焊接專業(yè)博士學(xué)位，教授級高級工程師，清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心研究員，北京嘉克新興科技有限公司董事長、總經(jīng)理。從事硬面堆焊材料、焊接技術(shù)、電力電子技術(shù)、電力半導(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)研究近20年，獲15項(xiàng)國家專利。