防止连铸辊堆焊热裂纹措施学习体会

文献概况与技术背景

本文由天津市第二冶金机械修复中心苗海良发表于1995年《焊接》第7期，针对连铸辊堆焊过程中出现的热裂纹问题提出防治措施。连铸辊是连铸机的关键备件，其工作表面长期承受高温钢水的热辐射和机械摩擦，必须通过堆焊修复恢复表面性能。连铸辊材质为15CrMo和30CrMo，属于中碳合金钢，淬硬倾向较大，堆焊过程中极易产生热裂纹。

热裂纹的成因分析

热裂纹是连铸辊堆焊中最常见的缺陷，其产生机理与堆焊材料的凝固特性、母材的冶金组成和焊接工艺参数密切相关。

凝固收缩应力

连铸辊堆焊层在凝固过程中，由于体积收缩受到母材和已凝固层的约束，产生拉应力。当拉应力超过凝固前沿的强度时，沿晶界产生热裂纹。中碳合金钢的凝固温度区间较宽，凝固收缩量大，热裂纹敏感性高。

低熔点共晶物

堆焊层中的硫、磷等杂质元素在凝固末期富集于晶界，形成低熔点共晶物。当温度降至共晶物熔点以下时，晶界强度急剧下降，在收缩应力作用下沿晶界开裂。

母材的影响

15CrMo和30CrMo母材中的碳含量和合金元素含量较高，在焊接热循环作用下，母材中的碳和合金元素向熔池扩散，改变了堆焊层的凝固特性，增加了热裂纹敏感性。

原堆焊工艺参数分析

文献中记录了从美国P·E公司引进的连铸辊修复工艺参数，这些参数反映了当时国际先进水平。

热裂纹防治措施

焊前预热与层间温度控制

预热是降低热裂纹敏感性的首要措施。对于15CrMo和30CrMo母材，建议预热温度控制在200至300摄氏度，以减缓冷却速度，降低凝固收缩应力。层间温度应控制在250至350摄氏度之间，避免温度过高导致晶粒粗化和过热。

焊材的优化选择

焊材选择对热裂纹防治至关重要。底层堆焊材料应选用低碳、低硫、低磷的过渡合金，减少低熔点共晶物的形成。表层堆焊材料虽需保证耐磨性，但也应控制硫磷含量。药芯焊丝的药芯成分可通过合金化调整凝固特性，如添加钛、铌等微合金元素细化晶粒，减少凝固裂纹敏感性。

焊接工艺参数的调整

降低焊接电流和电弧电压，减小热输入，可以缩小熔池尺寸，降低凝固收缩应力。同时，采用小焊道、多层多道施焊，使每道焊缝的凝固收缩受到已凝固层的约束，减少裂纹倾向。跳焊法也是有效手段，通过分散热输入降低局部热应力。

焊后热处理

焊后进行去应力退火处理，可以有效降低残余应力，减少延迟开裂的风险。对于15CrMo和30CrMo材质，去应力退火温度建议控制在550至650摄氏度，保温时间根据壁厚确定，一般为每25毫米壁厚保温1小时。

学习心得与工程启示

本文虽然年代较早，但其中关于连铸辊堆焊热裂纹的分析思路至今仍具有重要参考价值。在实际工程中，我处理过类似中碳合金钢堆焊开裂的问题，发现焊前预热不足和层间温度控制不当是最常见的原因。文献中记录的美国P·E公司工艺参数，体现了当时国际先进的埋弧堆焊技术水平，特别是双层堆焊的设计思路——底层用过渡合金，表层用高铬耐磨合金——这一分层堆焊策略在今天的耐磨堆焊中仍然被广泛采用。此外，本文强调了母材对堆焊层性能的影响，这提醒我们在制定堆焊工艺时，必须充分考虑母材的冶金特性，而非仅关注堆焊材料本身。连铸辊堆焊修复是一个涉及材料、工艺和质量控制的系统工程，任何环节的疏忽都可能导致修复失败。