碳化钨电弧堆焊应用于强力磨料磨损件——文献学习体会

一、文献概况与工程背景

本文出自《焊接》2009年第4期，作者徐冰强来自江苏龙潭重型机械有限公司，是一篇典型的工程实践型论文。研究针对水泥工业中辊压机辊面等强力磨料磨损工况，提出了以珠光体为底层、高铬锰奥氏体为过渡层、碳化钨（WC）为堆焊层的三层电弧堆焊方案，并在水泥辊压机辊面进行了实际验证。该研究对于矿山、水泥、冶金等行业中承受强烈冲击磨料磨损的大型结构件的修复与强化具有重要的工程指导意义。

二、三层堆焊结构的工艺设计原理

2.1 各层功能定位

碳化钨（WC）硬度极高，室温硬度可达2000HV以上，但WC本身脆性大、导热性差、热膨胀系数与钢基体差异显著，直接堆焊极易产生裂纹和剥离。因此，采用三层结构是解决WC与钢基体相容性问题的经典思路。

2.2 相容性问题解决机制

珠光体底层的作用在于：其一，珠光体组织中铁素体与碳化物的混合结构具有良好的塑性和韧性，能够有效吸收焊接残余应力，防止裂纹萌生；其二，珠光体钢的化学成分与大多数碳钢、低合金钢基体相近，稀释率对组织的影响较小，有利于保证底层与基体的冶金结合质量。

高铬锰奥氏体过渡层的作用在于：奥氏体组织具有面心立方（FCC）结构，其热膨胀系数（约18×10⁻⁶/K）介于碳钢（约12×10⁻⁶/K）与WC（约4.5×10⁻⁶/K）之间，能够有效缓冲两者之间的热膨胀差异。同时，奥氏体钢具有良好的抗热疲劳性能和抗冲击性能，在辊压机辊面这种承受周期性冲击载荷的工况下，过渡层的高韧性至关重要。

三、碳化钨堆焊的工艺特点与质量控制

3.1 焊接工艺参数控制

WC堆焊的工艺难点在于：WC颗粒在电弧高温下极易发生化学分解，生成W和WC的碳化物分解产物，导致堆焊层硬度下降和脆性增加。因此，工艺参数控制是保证WC堆焊质量的关键。

• 焊接方法：推荐采用手工电弧焊（SMAW）或埋弧焊（SAW），对于大面积辊面堆焊，埋弧焊效率更高。
• 电流选择：应适当降低焊接电流密度，减少熔池过热，降低WC分解程度。
• 焊接速度：适当提高焊接速度，缩短熔池存在时间，减少WC与熔池的化学反应。
• 层间温度：严格控制层间温度，一般不超过150°C，防止WC过度分解和过渡层奥氏体组织转变。
• 焊道布置：采用短焊道、分段退焊的方式，减少焊接热输入和残余应力。

3.2 常见缺陷与预防措施

四、水泥辊压机辊面应用实践分析

水泥辊压机是水泥粉磨工艺中的核心设备，辊面在高压研磨过程中承受强烈的冲击磨料磨损，辊面磨损直接影响粉磨效率和产品质量。传统辊面修复方式多为整体更换或简单焊接补焊，成本高且停机时间长。

采用WC三层堆焊方案后，辊面的抗磨损寿命可显著提升。从FMEA（失效模式与影响分析）的角度来看，辊面磨损的主要失效模式包括：磨粒磨损、冲击疲劳剥落、热疲劳裂纹扩展。WC堆焊层的高硬度可有效抵抗磨粒磨损，奥氏体过渡层的高韧性可有效抵抗冲击疲劳，三层结构的协同作用使得辊面综合服役性能得到明显改善。

在实际施工中，建议按照以下步骤实施：首先对辊面进行彻底清理，去除氧化皮、油污和旧堆焊层残余；然后施焊珠光体底层，焊后进行适当的热处理消除残余应力；接着施焊高铬锰奥氏体过渡层，确保过渡层与底层的结合质量；最后施焊WC堆焊层，严格控制焊接参数。每层焊后均应进行外观检查和必要的无损检测（MT或PT），确保无裂纹和未熔合缺陷。

五、学习心得与工程启示

本文虽然篇幅不长，但体现了工程技术人员在解决实际问题时的务实精神。三层堆焊结构的设计思路——以底层保证冶金结合、以过渡层缓解性能差异、以堆焊层提供功能性能——是堆焊工程中的经典范式，广泛适用于硬质合金、陶瓷、金属陶瓷等难焊材料的堆焊应用。

从标准体系的角度来看，WC堆焊的工艺评定和性能验收可参考JB/T 5928（堆焊用焊条）、GB/T 12469（堆焊件技术条件）等标准，同时应结合具体设备制造商的技术要求进行工艺评定。对于水泥辊压机辊面这种大型结构件，建议在堆焊前进行详细的焊接工艺评定试验（WPS/PQR），确定最优焊接参数窗口，并在实际施工中严格执行工艺纪律。

总体而言，碳化钨电弧堆焊技术在水泥、矿山、冶金等行业的强力磨料磨损件修复中具有重要的应用价值。三层堆焊结构的设计思路具有普遍指导意义，值得在类似工况的其他设备修复中推广应用。在实际应用中，应注重工艺参数的精细化控制和质量检验的严格执行，以确保堆焊层的长期服役可靠性。