挤压辊硬质面堆焊焊条研制与应用技术学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于《焊接》1997年第5期，作者来自郑州机械研究所。研究针对挤压辊（extrusion roll）的硬质面堆焊修复需求，研制出工艺性能优良的ZD3耐磨堆焊焊条，并对其堆焊层的组织、硬度、耐磨性、化学成分、抗裂性及现场应用情况进行了系统研究。

挤压辊是金属挤压成型工艺中的核心部件，在挤压过程中承受巨大的接触应力、摩擦磨损和热冲击。挤压辊工作面的硬度要求通常在HRC 50～60以上，同时需要具备一定的韧性以抵抗挤压过程中的冲击载荷。传统挤压辊修复方法包括整体更换、表面淬火、堆焊修复等，其中堆焊修复因成本低、周期短、可重复性好而成为首选方案。然而，堆焊层与辊体之间的结合强度、堆焊层的抗裂性、以及堆焊层的耐磨寿命，是制约堆焊修复效果的关键因素。

关键技术要点解读

ZD3耐磨堆焊焊条的配方设计与工艺性能

ZD3耐磨堆焊焊条的研制涉及焊芯材料选择和药皮配方设计两个核心环节。焊芯材料通常选用高碳高铬铸铁或高铬白口铸铁，以提供堆焊层的高硬度和耐磨性基础。药皮中则加入铁铬合金、铬铁、碳化铬等合金粉末，以调控堆焊层的化学成分和微观组织。

工艺性能方面，ZD3焊条需要满足以下要求：电弧稳定、飞溅小、脱渣性好、焊缝成形美观。堆焊焊条的工艺性能直接决定了堆焊操作的可控性和堆焊层的成形质量。对于挤压辊这类大型回转体部件，堆焊通常采用多层多道焊的方式，焊条的工艺性能对每层之间的熔合质量有重要影响。

堆焊层组织与耐磨机理

ZD3焊条堆焊层的组织通常为高碳奥氏体+碳化物（如Cr₇C₃、Cr₂₃C₆等）或白口铸铁组织（铁素体+渗碳体+合金碳化物）。耐磨机理主要通过以下途径实现：

1. 高硬度相（如合金碳化物）的弥散强化作用，提高堆焊层的抗磨粒磨损能力；
2. 基体组织的高硬度，提供基础耐磨支撑；
3. 碳化物形态和分布的均匀性，避免应力集中导致的早期剥落。

对于挤压辊而言，磨损形式以磨粒磨损和接触疲劳为主。堆焊层中硬质相的尺寸、形状和分布密度是决定耐磨寿命的关键因素。过粗的碳化物颗粒虽然硬度高，但容易成为裂纹源；过细的碳化物虽然分布均匀，但硬度可能不足。因此，ZD3焊条的配方设计需要在碳化物尺寸和分布之间寻求最佳平衡。

抗裂性与结合强度

挤压辊堆焊修复中，堆焊层与辊体之间的结合强度和堆焊层的抗裂性是两大核心质量指标。辊体通常为合金钢或铸铁材质，与堆焊层之间存在显著的热膨胀系数差异和化学成分差异，在多层堆焊过程中容易在熔合区和堆焊层内产生裂纹。

ZD3焊条在抗裂性方面的表现，主要取决于以下因素：焊芯中碳当量（CE）的控制、药皮中脱氧剂和脱硫剂的选择、以及焊接热输入量的控制。高碳高铬焊条的碳当量通常较高，冷裂敏感性大，需要通过控制焊接热输入（降低电流、提高焊接速度）和采用适当的预热温度来降低裂纹倾向。

工程实践中的思考

在钢管和管件制造领域，挤压辊堆焊修复的技术经验可类比应用于以下场景：轧辊（如钢管轧机的工作辊和导向辊）的耐磨修复、无缝钢管穿孔机的顶头和导盘修复、以及螺旋焊管成型辊的耐磨处理。这些部件同样承受高接触应力和摩擦磨损，堆焊修复是经济有效的维护手段。

在实际操作中，挤压辊堆焊修复的质量控制应重点关注以下环节：辊体表面的清洁度和粗糙度处理（直接影响堆焊层结合强度）、多层堆焊的层间温度控制（防止层间裂纹）、堆焊后热处理（消除残余应力、改善组织）、以及堆焊层的硬度均匀性检测（确保各区域耐磨性能一致）。

从PDCA循环的角度看，ZD3焊条的研制和应用体现了典型的"计划—执行—检查—改进"过程：首先根据挤压辊工况确定堆焊层性能要求（Plan），然后设计焊条配方并进行堆焊试验（Do），接着对堆焊层进行金相、硬度、耐磨性、抗裂性等系统检测（Check），最后根据检测结果优化焊条配方和焊接工艺参数（Act）。这一方法论对工程技术人员开展新材料、新工艺的推广应用具有重要参考价值。

学习心得

本文虽然发表于1997年，但其研究内容和方法对当前钢管管件制造中的轧辊、成型辊等关键部件的堆焊修复仍具有指导意义。ZD3耐磨堆焊焊条的成功研制，证明了通过焊条配方优化和工艺参数控制，可以在手工电弧堆焊条件下获得满足工程要求的耐磨堆焊层。在实际应用中，技术人员应充分理解焊条配方、焊接参数与堆焊层性能之间的关联，结合具体工况需求选择合适的焊条和工艺方案，方能实现堆焊修复的最佳效果。