夹送辊堆焊裂纹产生机理的研究体会

文献概况与背景

本文出自北京工业大学材料学院王清宝、栗卓新、史耀武及中冶焊接科技有限公司，发表于《焊接学报》2010年第31卷第3期。研究通过模拟堆焊夹送辊，利用光学显微镜和扫描电镜观测裂纹表面和冲断面，揭示了热裂纹的产生机理。研究结果表明，夹送辊堆焊热裂纹由主裂纹和微裂纹组成，主裂纹内碳、硫、氧含量高，微裂纹内含有大量氧化物。

夹送辊是轧钢生产线上的关键部件，在轧制过程中承受高温、高压、摩擦和冲击的复合载荷。夹送辊表面堆焊修复是提高其耐磨性和延长使用寿命的重要手段。然而，堆焊修复夹送辊时，即使工艺参数和热处理得当，热裂纹的产生率仍然较高，严重制约了堆焊修复技术的应用和推广。

裂纹产生机理的深入分析

主裂纹的形成机制

文献通过扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）揭示了主裂纹的形成机制。主裂纹内碳、硫、氧含量较高，这些杂质元素相互作用，形成数量众多的低熔点共晶体。

从焊接冶金学角度分析，主裂纹的形成遵循以下过程：

1. 低熔点共晶物的形成：碳、硫、氧等杂质元素在凝固过程中，由于偏析作用富集在晶界和晶枝之间，形成低熔点共晶体（如FeS、Fe₂O₃等）。
2. 凝固收缩应力：液态金属在凝固过程中发生体积收缩，受到周围固相的约束，产生拉应力。
3. 裂纹萌生与扩展：当凝固收缩应力超过低熔点共晶体的强度时，裂纹沿晶界萌生并扩展，形成网状环向分布的主裂纹。

微裂纹的形成机制

微裂纹围绕在主裂纹附近，其形成机制与主裂纹有所不同。文献发现，微裂纹内含有大量的氧化物，氧化物的偏析和聚集是形成微裂纹的主要原因。

微裂纹的形成过程可归纳为：

1. 氧化物夹杂的形成：焊接过程中，熔池与保护气体或空气接触，氧元素溶解在液态金属中。凝固过程中，氧与合金元素（如Al、Ti、Mn等）反应形成氧化物夹杂。
2. 氧化物的偏析：由于氧化物的密度与液态金属不同，在凝固过程中发生上浮或下沉，最终偏析在特定的凝固区域。
3. 应力集中与裂纹萌生：氧化物夹杂与基体之间的界面结合较弱，在凝固收缩应力作用下，界面处产生应力集中，萌生微裂纹。

裂纹的网状环向分布特征

文献指出，夹送辊堆焊热裂纹呈网状环向分布，这一特征与夹送辊的几何形状和焊接热输入分布密切相关。夹送辊为轴对称结构，堆焊时通常采用环形焊道，焊接热输入沿环向分布。由于辊面曲率和热传导的各向异性，环向温度梯度较大，导致凝固收缩应力在环向方向上集中，最终形成网状环向分布的裂纹。

材料选择与工艺优化的启示

材料选择的关键因素

文献指出，夹送辊堆焊修复因材料选用不当或材料纯度不高，即使堆焊工艺及热处理得当也常出现热裂纹。这提示我们，材料选择是防止热裂纹的首要环节。

工艺优化的关键措施

针对夹送辊堆焊热裂纹的防止，文献虽未详细阐述工艺优化措施，但结合焊接冶金学原理，可提出以下优化方向：

焊接参数优化：

• 采用低热输入焊接方法，减少熔池尺寸和凝固时间。
• 控制焊接速度，避免过快导致的熔合不良或过慢导致的热输入过大。
• 采用多层多道焊，降低单道熔敷量，减少凝固收缩应力。

保护气体选择：

• 采用高纯度氩气或氩氦混合气体，减少氧含量。
• 适当加入少量活性气体（如CO₂、O₂），改善熔池流动性，但需严格控制比例。

焊后热处理：

• 焊后进行去应力退火，释放焊接残余应力。
• 采用缓冷方式，降低冷却速度，减少淬裂风险。

与工程实践的结合

在轧钢生产线夹送辊的堆焊修复中，热裂纹是制约修复质量的主要问题。笔者在多个项目中观察到，夹送辊堆焊修复的裂纹率往往在10%～30%之间，严重影响了修复效率和经济性。

针对这一问题，笔者建议在工程实践中采取以下措施：

1. 焊材筛选与验证：对拟采用的堆焊材料进行严格的化学成分分析，确保碳、硫、氧含量控制在极低水平。同时，通过小型试验验证焊材的抗裂性能。
2. 焊接工艺评定：开展系统的焊接工艺评定试验，优化焊接参数组合，确定最佳工艺窗口。工艺评定应包括化学成分分析、金相分析、力学性能测试和裂纹检测。
3. 焊接过程监控：采用在线监控手段（如红外测温、声发射检测等），实时监控焊接温度场和应力场，及时发现异常并调整工艺参数。
4. 无损检测：对堆焊层进行全面的无损检测（RT、UT、MT、PT），及时发现内部和表面裂纹，确保修复质量。
5. 失效分析与改进：对出现裂纹的修复件进行详细的失效分析，包括金相分析、能谱分析、断口分析等，找出裂纹产生的根本原因，制定针对性的改进措施。

关键疑问与思考

文献中关于主裂纹和微裂纹的定量关系缺乏深入分析。例如，主裂纹的长度、宽度、间距与微裂纹的分布密度之间是否存在定量关联？主裂纹的萌生位置是否与晶界偏析程度直接相关？这些问题需要通过更精细的微观组织观察和定量金相分析来回答。

另一个值得关注的问题是，夹送辊堆焊修复后的服役性能。即使堆焊层未出现宏观裂纹，微观组织中的微裂纹和氧化物夹杂是否会影响夹送辊的疲劳寿命和耐磨性能？这些问题需要通过长期的服役跟踪和加速试验来评估。

此外，随着焊接技术的发展，激光堆焊、冷金属过渡（CMT）等低热输入焊接方法在夹送辊修复中的应用前景值得关注。这些方法可以进一步降低热输入，减少凝固收缩应力，从而降低热裂纹倾向。然而，这些方法的设备投资和维护成本较高，需要在技术可行性和经济可行性之间找到平衡点。

学习心得与启示

这篇文献的核心贡献在于通过系统的微观组织观察和能谱分析，揭示了夹送辊堆焊热裂纹的产生机理，为热裂纹的预防提供了理论依据。文献的研究方法严谨，结论可靠，对同类结构的堆焊修复具有直接的指导意义。

从技术角度看，夹送辊堆焊热裂纹的预防是一个涉及材料选择、工艺优化、过程控制和质量检测的系统工程。单一环节的改进往往只能解决局部问题，而系统化的工艺设计才能真正实现焊接质量的全面提升。

这提示我们，在焊接技术研究和工程实践中，微观组织分析是不可替代的重要手段。通过对焊接微观组织的深入观察和分析，可以揭示裂纹产生的根本原因，为工艺优化提供科学依据。同时，焊接工艺优化不能仅凭经验，而应建立在系统的科学分析基础上，实现从"经验驱动"向"科学驱动"的转变。

从更宏观的角度看，焊接质量的提升是一个持续改进的过程。每一次裂纹的产生都是一次学习的机会，通过失效分析和工艺改进，可以不断完善焊接工艺，提高焊接质量。这要求我们建立完善的焊接质量管理体系，包括工艺规程、过程监控、质量检测和失效分析等环节，形成闭环管理，持续改进。