过渡层对夹送辊堆焊热裂纹影响的学习体会

文献概况

王丽华发表于2006年《热加工工艺》第35卷第15期的这篇文献，针对夹送辊堆焊过程中因母材硫磷含量高、堆焊材料含碳量高硬度大而频繁产生热裂纹的问题，通过实验研究了采用过渡层对减少热裂纹的影响。作者来自西安航空职业技术学院，研究结合了理论分析与实验验证。文献从液态薄膜理论和复合马氏体理论出发，探讨了过渡层的减裂机理。

夹送辊的服役条件与堆焊需求

夹送辊（Roll-up Roll）是轧机中的重要部件，用于将带钢或板材送入轧辊间隙。其服役条件包括：

为满足夹送辊的耐磨性要求，通常在辊面堆焊高碳高铬铸铁或高碳合金钢等硬质合金材料。然而，这类堆焊材料的高碳含量和高硬度使其对热裂纹极为敏感。

热裂纹的产生机理

液态薄膜理论

液态薄膜理论是解释凝固裂纹的经典理论。在焊缝凝固过程中，晶界处会偏聚低熔点共晶物（如FeS、Fe₃P等），在凝固末期形成液态薄膜。当凝固收缩应力超过液态薄膜的强度时，液态薄膜被拉断，形成热裂纹。

对于夹送辊堆焊而言，热裂纹的敏感性受以下因素影响：

• 母材S、P含量高：FeS和Fe₃P的低熔点共晶在晶界偏聚，形成液态薄膜。
• 堆焊材料含碳量高：高碳合金在凝固过程中形成大量共晶组织，增加低熔点相的数量。
• 冷却速度快：夹送辊辊面面积大，堆焊时冷却速度快，加剧了凝固应力。

复合马氏体理论

复合马氏体理论从微观组织角度解释了热裂纹的形成。在焊缝凝固过程中，先共晶相与残余液相共同构成复合组织。当残余液相的流动性不足时，无法有效填充凝固收缩形成的空隙，导致裂纹萌生。

对于高碳高铬堆焊材料，先共晶相多为马氏体或贝氏体，残余液相为高碳共晶。由于残余液相的粘度大、流动性差，难以在凝固收缩时及时补充，导致裂纹形成。

过渡层的作用机理

过渡层的组成与设计

过渡层是介于母材与堆焊层之间的中间层，其设计目的是在物理化学性质上实现从母材到堆焊层的渐变过渡。对于夹送辊堆焊，过渡层的典型设计包括：

过渡层的减裂机理

过渡层减少热裂纹的机理可从以下几个方面理解：

1. 稀释母材有害元素：过渡层与母材的熔合稀释了母材中的S、P含量，降低了FeS和Fe₃P共晶的数量，减少了液态薄膜的形成。
2. 降低碳含量突变：过渡层的碳含量介于母材与堆焊层之间，避免了从低碳母材到高碳堆焊层的急剧变化，减少了凝固过程中共晶组织的数量。
3. 改善组织连续性：过渡层的微观组织在母材与堆焊层之间起到桥梁作用，使凝固前沿的晶粒取向和生长方向更加连续，减少了晶界处的应力集中。
4. 提高残余液相流动性：过渡层的成分设计可优化残余液相的粘度和流动性，使其在凝固收缩时能更有效地填充空隙。

实验验证与工艺优化

实验方案

文献中的实验通过对比有无过渡层的堆焊试件，评估过渡层对热裂纹的影响。实验设计的关键变量包括：

• 过渡层的层数（1层、2层、3层）
• 过渡层的成分（不同碳含量和合金含量）
• 堆焊参数（电流、电压、焊速、层间温度）

实验结果

实验结果表明，采用过渡层后，堆焊层的热裂纹数量显著减少。具体效果如下：

工艺参数优化

在过渡层的基础上，还需优化堆焊工艺参数以进一步减少热裂纹：

• 焊接电流：采用中等偏大电流，保证足够的熔深和熔合比。
• 焊接速度：中等焊速，避免过快导致熔池流动性不足。
• 层间温度：控制在200～300℃，既保证熔合又控制热输入。
• 焊道排列：采用窄焊道多道焊，减少单道焊的凝固应力。
• 后热处理：堆焊完成后进行去应力退火，消除残余应力。

工程实践启示

夹送辊堆焊热裂纹的控制是一个典型的异种材料焊接质量问题。过渡层的引入体现了"渐变过渡"的工程哲学，即在两种性质差异较大的材料之间设置一个中间层，使物理化学性质逐步过渡，从而减少界面处的应力集中和冶金不匹配。

这种思路在其他异种材料焊接中同样适用，例如：

• 碳钢与不锈钢的异种焊接
• 普通钢与耐热钢的异种焊接
• 铸铁与钢的异种焊接

对于从事轧机辊系维护的技术人员而言，过渡层工艺的应用需要综合考虑辊面几何形状、堆焊面积、服役条件和经济性等因素。过渡层虽然增加了焊接工序和成本，但显著提高了堆焊层的可靠性，减少了因热裂纹导致的辊面失效和停机损失，从全生命周期成本角度分析是经济合理的。

此外，过渡层工艺的成功应用还依赖于对母材和堆焊材料成分的精确控制。如果母材的S、P含量波动较大，或堆焊材料的碳含量不稳定，过渡层的减裂效果将受到影响。因此，建立原材料的严格检验制度和工艺参数的动态调整机制，是确保过渡层工艺稳定性的关键。