水泥設備耐磨部件堆焊質量的控制

貴州水泥機械設備制造維修水泥設備耐磨部件堆焊質量的控制

我國水泥工業的快速發展，離不開高性能耐磨材料和先進抗磨技術的有效支撐，這是水泥生產的特點所決定的。除了傳統的耐磨材料質量提升和技術創新給予的支撐外，近20年來，耐磨堆焊企業的迅速發展，也為水泥工業粉磨技術的突飛猛進，立磨、輥壓機的大量使用創造了條件，典型的代表有鄭州機械研究所、北京嘉克等。然而，對于水泥生產設備耐磨堆焊部件的優劣，多數使用者以最終使用壽命和使用情況來考核，在耐磨部件的堆焊作業中一般不懂得如何實施堆焊質量控制，這必然嚴重影響水泥的生產和設備的使用安全。本文對水泥工業設備耐磨部件堆焊的質量控制進行介紹，以供大家探討。

1 耐磨堆焊部件的適用范圍和使用特點 

堆焊新品和再生修復是綠色環保的制造和修復的方法，可以節約大量的鋼材，減少再次冶煉、加工的能源消耗，對于水泥工業通?？梢杂靡灾圃旌托迯土⒛ツポ佉r板/輥胎、磨盤襯板、輥壓機輥面及設備其他的耐磨部件，如噴口環、止推板等。立磨是水泥生產中最為關鍵的設備之一，主要用于粉磨制備煤粉、水泥生料、水泥、礦渣和預碎熟料。

立磨輥面的磨損，不僅使研磨效率降低，也會使電耗大幅度增加，貴州水泥機械設備制造維修加之磨輥的頻繁修復或更換導致的維修成本大幅增加，因此，立磨耐磨部件的使用壽命對生產成本控制顯得尤為重要。

立磨的部件損壞，主要是因物料硬質相的犁削和擦傷磨損、物料的擠壓造成的疲勞剝落和裂紋以及基體與碳化物的結合強度不夠而造成的崩裂等，這些因素往往與物料的大小和硬度、物料的流量、設備的震動大小等有關，可根據其判斷立磨所受的磨料磨損、應力磨損、沖擊磨損的大小，進而根據使用條件選擇新輥堆焊或舊輥修復的材料及工藝。 

輥壓機是由兩個速度相同、相對運動的輥子組成。物料由輥子上部喂料口卸下進入輥間的逢隙中，在高壓研磨力（輥間壓力在50～300 MPa之間）的作用下，物料受到擠壓，受壓物料變成了密實且充滿裂紋的扁平料餅，使物料的易磨性得到明顯改善。輥壓機運行時，物料顆粒在壓力作用下，使輥面產生塑性變形，在亞表面不同深處會形成剪切和壓應力，當此應力超過材料的疲勞強度時，在亞表面形成裂紋，然而裂紋的擴展和連接會最終導致疲勞脫落。疲勞裂紋往往產生在輥面5～20 mm深度處較常見，這就要求擠壓輥硬面層在具備一定硬度的同時要有較強的塑性，貴州水泥機械設備制造維修來抵抗物料反復擠壓應力而導致的疲勞脫落。 

2 堆焊作業的技術方法和特點

一般普通材料是難以形成較硬的表面，更無法獲得較厚的硬化層，正是耐磨硬面堆焊方法解決了獲得較厚較硬耐磨層的問題，所以，才能夠得以廣泛的應用。本文以硬面層獲得的方法逐步加以說明。

2.1 設備部件獲得硬面耐磨層的方法和特點 

（1）部件表面采用淬火或者滲碳等，一般可以獲得深度為2～2.5 mm的硬化層，硬度一般在HRC40～45和HRC55～60兩個梯次的硬度等級，但是由于熱處理的深度很有限，硬面層較淺，難以達到較好的物料耐磨使用壽命，所以對于物料研磨位置一般不予采用。

（2）陶瓷一般采用鑲嵌、貼附的做法。對于需要耐沖擊時，一般采用由金屬間隔陶瓷耐磨塊，起到防止較大沖擊的作用，同時對于物料來說，陶瓷又起到研磨物料的作用。陶瓷塊的突出部分能防止金屬部分的磨損，從而延長整體磨損面的使用壽命，達到提高耐磨性的目的。這種方法由于工藝相對復雜，成本相對較高，國內目前極少使用，國外部分廠商有此項技術。 

（3）堆焊工件采用堆焊是在部件磨損位置上加以堆焊耐磨焊材，補償或者預設磨損量，恢復或者建立到設計的幾何尺寸、形狀。耐磨堆焊是抗磨處理的主流做法，經過近十多年的使用推廣，使用效果較好，在生料、煤磨系統應用效果較為穩定，貴州水泥機械設備制造維修耐磨堆焊的發展已經接近成熟，所以目前在磨損更重的礦渣立磨上也廣泛推廣使用。

2.2 耐磨堆焊方法和工藝

在設備訂貨沒有特殊要求的工廠，使用立磨的工廠最初的立磨磨輥、磨盤等部件多數由鎳、鉻合金鑄造而成。對合金鑄鐵表面實施堆焊，須選用專業設備且有專業技術資質的企業才行。堆焊工廠采用焊接裝備為全自動焊接系統，焊機為大容量控制焊機，電流電壓相對穩定，焊絲采用專用焊絲，如KSW-266等。KSW-266系屬于自保護明弧焊，焊點溫度相對較低，保證工作物不變形。堆焊施工時，須預先設計出磨輥及磨盤機臺裝配方案，完全按照部件裝配圖進行，保證部件各尺寸施工的圓度，然后架設焊槍（每支焊槍8 kg/h）進行施工操作。堆焊時應注意以下幾點：

（1）對于新制造耐磨部件，鑄造毛坯通常為ZG35，鑄造完成后要經過退火、正火處理，經過粗加工后，采用超聲波探傷檢查內部是否存在缺陷，然后用磁粉或者著色探傷方法檢查表面裂紋，防止內部、表面缺陷導致焊接后和使用過程中的斷裂現象。

（2）表面堆焊的焊接過程一般是“冷”過程，在焊接過程中基體金屬溫度必須≤150 ℃，焊接后剩余應力的大小很大程度上取決于堆焊中產生的裂紋狀況和對傳入基體金屬內的熱量控制。堆焊過程中產生的分布均勻的裂紋，可以消除不同材質之間的收縮應力，但如果輥子內存在鑄造剩余應力，那么堆焊時產生的裂紋就有可能延伸至基體的內部，這種輥子就不能采用表面堆焊處理。 

另外要認識到，基體和焊接材料之間的結合不是完整意義的熔焊結合，硬化層更像是一種覆蓋層，結合層的強度僅夠保持硬化層能覆蓋在基體表面上。

2.3 耐磨堆焊硬面層的制造質量檢查的測試方法 

2.3.1 硬度范圍的測定 

對于硬度，一般堆焊層表面控制在HRC58～62，在磨損初期、中期、后期的厚度范圍的硬度應與表面硬度一致，這樣才是良好的堆焊硬表面，才能真正起到堆焊層應有的耐磨作用。 

2.3.2 工作表面硬度檢查測試點的確定 

一般利用堆焊工件的大小、形狀、使用區域來評估確定測試點和質量控制項目。

（1）對于輥胎，相對來說體積、重量都較大，可以采用四點法、三點法。圓周上取三處或者四處，每一處截取一個截面，在堆焊層表面可以畫出一個測試線，這個可以選取三點（上、中、下或者左、中、右）來測試硬度值。 

（2）對于輥皮襯板，體積、重量相對較小，形狀簡單，可以選取五點法。即在近似方形的邊緣處分別選取四個點，再取中心區域來測試。 

（3）對于磨盤襯板，體積、重量也相對較小，同樣可以采用五點法來測試硬度。 

（4）在硬度測試時，應該打磨檢測表面，并且使用晶相砂紙打磨后，進行測試。

（5）硬度測試前后，都應與標準樣塊校對測試儀的精度，以保證測量的準確性。 

2.3.3 整體工作表面硬度的評估 

首先，要求測試所有的測試點硬度值的平均值都必須大于HRC58，對于硬度分布問題，如在采用四點法或者五點法測試時，每點（組）硬度平均值最大偏差通常不要超過HRC4（參考值），這樣表示硬度相對均勻。當然，這個差值偏差越小越好，表示焊接效果較好，各個位置材料組織均勻，質量較為穩定可靠。

2.4 堆焊表面的裂紋分布 

堆焊工件耐磨表面裂紋的長度，一般要求在30～60 mm之間為適合，當然某些材料可能更小或者更大，可以根據該種焊材的特性來判定，但是實際操作中應該重視這個問題。 

堆焊工件耐磨表面裂紋分布，對于裂紋本身在工件上一般是不可接受的，但是對于堆焊作業是必要的，因為硬度高、韌度低是相輔相成的，通常說硬度高材料會更脆。我們都知道陶瓷硬度性能很好，但是它卻容易破碎，也就是這個原因。理論上堆焊層也是可以做到沒有裂紋的，但是由于生產環境溫度、濕度、材料的穩定性變化較大，所以，不可能不產生沒有裂紋的堆焊層。進一步說，裂紋產生的長度偏大，說明材料和環境影響較大，堆焊層的硬度分布、材料均勻性越差，反映到與母材的結合力上，接觸是不均勻的，有些位置結合力大，有些位置結合力小，這樣的話，兩部分堆焊層金屬產生了相互的內在擠壓，導致該區域結合力極度降低的情況，在實際應用中會產生所謂的堆焊層局部脫落。裂紋情況如圖1。

對于堆焊工件裂紋產生的情況，主要取決于堆焊工件采用焊材的本身性能，由于內部的材料均勻性和熱應力消除的速度影響，導致裂紋的產生深度和長度都有所不同，材料的不均勻性，會在制造完成后和使用工程中導致裂紋的進一步擴展。所以，對于裂紋的評定，我們可以通過觀察法進行，裂紋長度、深度越細小，裂紋越均勻，焊接性能表示越穩定，堆焊面的結合情況越好，硬度分布也越好，在實際使用時候，表現出來的磨損量是均勻的。這就說明裂紋情況對于堆焊作業質量穩定檢驗是一項重要堆焊安全技術指標。

以上的測試工作，在堆焊部件的工廠應自行測試、控制、評估，是保證質量穩定的關鍵，對于堆焊技術的積累有至關重要的作用。

3 堆焊作業中常見問題的解決措施及預防 

3.1 常見問題及原因分析 

（1）耐磨堆焊工件堆焊層內部產生氣泡。氣泡的產生一般為焊接熔融時油、水、氣三種原因產生，與工件及焊材的清潔程度、干燥度和堆焊時環境溫度變化有關。 

（2）耐磨堆焊工件堆焊層內部產生夾渣。多數的夾渣來自于焊接作業時候，可能為焊渣自身的摻入，也可能是異物的熔入，很多焊接作業都沒有及時地排除焊渣，而是當作焊材再次熔入堆焊層，這樣做其實影響焊接的質量穩定，難以獲得較好的質量效果。 

（3）耐磨堆焊件表面的焊接裂紋過長。在堆焊過程中一般認為各種影響都是均勻的，但是對于某些情況，由于外界溫度、電流、電壓等微小的變化，也可以導致堆焊件表面的裂紋產生不規則的變化，這種“突然”變化是產生超長裂紋的原因之一，當然焊材均勻性影響也是導致裂紋不均勻的原因。 

（4）耐磨堆焊件表面的裂紋分布不均勻。一般焊材本身不均勻直接會導致裂紋分布的不均勻，當然堆焊工件焊前尺寸上的差別也會導致某些區域的裂紋產生不均勻的分布，若加上外界環境溫度變化較大，也會使這種情況更為明顯。 

（5）耐磨堆焊件表面的硬度不足。耐磨堆焊件表面的硬度不足一般屬于焊接量過大、焊層冷卻過慢，導致硬度值偏低，這個就是需要所謂的“冷焊-低溫焊接”的原則。當然這一點如果能夠控制好的話，在堆焊作業中也可以加以利用，堆焊層可以得到較好的韌性強度，使得堆焊表面更加耐受物料的沖擊。所以說一般在硬度檢測時候，很多相差很大的情況下，都沒有嚴格的控制，要考慮堆焊層硬度均勻性、內部的韌性、硬度分布的均勻性來綜合評估未來的使用性能。 

（6）耐磨堆焊件表面的硬度分布不均勻。在材料確定的情況下，硬度不均勻性主要受外界環境和作業者的操作習慣影響，不同時段堆焊作業的表面硬度可能會有差別，不同作業者由于習慣不同，也會帶來差別的產生。 

（7）耐磨堆焊層深度方向上材料的硬度分布稀釋現象。也就是說隨著堆焊層深度的變化，硬度可能越來越低，內部和外表硬度差別較大，產生原因是多樣的，有焊材材料、工藝方法等等。

（8）耐磨堆焊工件由于熱應力產生變形超過許可的范圍，導致影響裝配使用安全。這個一般為熱應力產生，還有就是工件的較單薄或者磨損量很大所致。

3.2 解決方法 

（1）做好耐磨堆焊前的準備工作。要做好堆焊部件的探傷檢查工作，保證焊接后工件本體沒有可能擴大的裂紋產生；清潔工作要做好，保證無油、無水、無污物，保持清潔的金屬光面；采取必要的措施防止堆焊工件變形。 

（2）在堆焊焊接時，及時清理焊渣和飛濺物，避免雜物混入焊層中，保證焊層的材質和性能一致，若產生不良積瘤，要及時處理，避免影響焊接堆焊件外觀的成型和內在質量的穩定。 

（3）焊接設備的準備工作要做好，開始作業后，應保持連續進行，爭取一次成型，這樣整個工件堆焊層保持整體性。所以，焊接、伺服機構、焊絲準備、設備維護都要良好到位。 

（4）堆焊焊材的準備必須做好，焊材根據保存條件和要求，進行焊前的準備程序。 

（5）對于堆焊層內部氣泡、夾渣、裂紋的分布，一般焊接作業完成后就已確定下來，幾乎無法改變，只做打磨處理。但是對于某些超標部位，根據工藝也可以采取局部的修補措施，原則是越少越好。 

（6）耐磨部件堆焊作業的場所溫度也應加以控制，杜絕溫差變化過大，影響焊接工件的冷卻速度，也就影響堆焊層的硬度分布、均勻性和穩定性。 

（7）對于部件堆焊作業一般變形量是很微小的，多數不會影響安裝使用，但是對于部分超標情況，一般也可以采用增加機加工的方法，重新加工部件的安裝尺寸，達到使用要求。

3.3 預防措施 

（1）加強焊接設備的保養和維護，確保設備的完好，使得焊接性能穩定。 

（2）創造適合穩定的堆焊作業環境，保持焊接溫度的恒定，確保堆焊層的成型、硬化均勻。 

（3）加強焊材的儲藏、防水、防潮、防污染等，控制好焊材的干燥程序，保持焊材成分均勻穩定。

（4）注意焊接過程中焊渣的打磨、除油等清潔工作落實到位，保證熔合材料的穩定一致。

（5）特別要注意打底層的堆焊建立工作，及時消除結合層的應力消除，防止堆焊層發生與基體的脫落、剝離現象。 

對于輥壓機的表面磨損鐵件極易造成堆焊面的啃傷現象，這是因為輥壓機對物料內的鐵件更加敏感，一旦物料中存在鐵件，即刻發生表面的損傷，有時甚至在循環發生著，加重輥壓機堆焊面的傷害。所以在輥壓機系統設計的時候，已經考慮增加除鐵器的數量，使得輥壓機可以安全運行。