创新成果

甘肃省职工优秀技术创新成果

成果名称：等离子堆焊在高合金模具轧辊

修复的应用研究

完成单位：甘肃有色冶金职业技术学院

推荐单位：金昌市总工会

申报日期：二○一五年五月六日

一、成果背景

随着国民经济的持续、稳定发展，特别是电力、建筑、机械设备、交通等行业的迅猛发展，铜加工材的消费量以4%的发展速度逐年递增，占铜材消费总量的60%的铜线在未来的10年也将以6%的速度快速发展。金川集团公司做大做强战略逐步实施后，到2006年阴极铜产量将达到25万吨，为引进世界先进水平的连铸连轧设备生产高品质的光亮杆提供了原料保障。

通过市场调查我国铜杆连铸连轧企业有华南铜业有限责任公司、德阳博创电工设备有限公司、江西铜业集团铜材有限公司、安徽全威、天津大无缝、富阳金鼎、南京华新、山东金升、华北电缆、甘肃镍都、江苏江润、江苏金源这10多家。尤其西北地区最大的金川公司10万吨铜杆连铸连轧生产线，轧辊修复需求量大，市场前景好，客观的经济效益。

铜杆连铸连轧生产线，高合金轧辊磨损后采用等离子喷涂堆焊技术，在铜杆连铸连轧生产中，轧辊与所轧金属直接接触，使金属产生塑性变形，是轧机的主要变形工具。在整个生产过程中轧辊因磨损而消耗的部分约占轧辊总重量的10％~20％，而大量的轧辊消耗是由于修复过程中局部缺陷而导致报废的。如何提高轧辊的使用寿命，对轧辊进行修旧利废，成为降低产品成本的一个重要途径。

二、项目研究内容：

等离子堆焊是将高合金粉末材料堆焊在有磨损缺陷的轧辊上，以提高材料耐磨轧辊堆焊作为“复活”轧辊的一项先进技术。该技术具有堆焊后的轧辊使用寿命普遍提高一倍以上，堆焊后的轧辊具有良好

的抗裂性、耐磨性、耐冷热疲劳性的优点，值得推广应用。轧辊堆焊是指去除轧辊表面的疲劳层或缺陷后，用合适的堆焊材料、采用科学的工艺方法将其修复至原始辊径的过程，它的主要优点是轧辊使用前后的辊径不变。因此轧辊堆焊技术为轧辊生产中降低轧辊消耗、提高轧辊使用寿命提供了可能。

高能等离子弧粉末熔覆堆是利用等离子弧作为热源，由送粉器向堆焊枪供粉，吹入电弧中，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、随堆焊枪和工件的相对移动，等离子弧离开后液态合金逐渐凝固，形成一层高性能的合金堆焊层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺，由于等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好，熔深可控性强，通过调节相关的堆焊参数，可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整。等离子粉末熔覆堆焊后基体材料和堆焊材料之间形成融合界面，结合强度高；堆焊层组织致密，耐蚀及耐磨性好；基体材料与堆焊材料的稀释减少，材料特性变化小；焊道平滑整齐，不加工或稍加工即可使用。利用粉末作为堆焊材料可提高合金设计的选择性，特别是能够顺利堆焊难熔材料，提高工件的耐磨、耐高温、耐腐蚀性或耐冲击性。

三、成果创新点：

1.堆焊熔覆合金层与工件基体呈冶金结合，结合强度高；

2.堆焊熔覆速度快，低稀释率；等离子弧堆焊的稀释率可控制在5%一10%，或更低；

3.堆焊层组织致密，成型美观；堆焊过程易实现机械化、自动化；

4.可在锈蚀及油污的金属零件表面不经复杂的前处理工艺，直接进行等离子堆焊；

5.与其他等离子喷焊相比设备构造简单，节能易操作，维修维护容易；

6.等离子弧温度高、能量集中、稳定性好，在工件上引起的残余应力和变形小；

7.可控性好。可以通过改变功率、改变气体的种类、流量及喷嘴的结构尺寸来调节等离子弧的气氛、温度等电弧参数，从而实现高效自动化生产，提高劳动生产率。

8.使用材料范围广。堆焊合金粉末作为熔敷材料，不受铸造、轧制、拔丝等加工工艺的限制，可依据不同性能要求配置不同成分的合金粉末，特别适用于那些难于制丝但是易于制粉的硬质耐磨合金，以获得所需性能的堆焊层。

四、主要技术指标

严格执行正确的轧辊堆焊工艺，是保证轧辊堆焊质量的好坏及成功与否的决定性因素。轧辊堆焊过程包括以下步骤：

1.等离子粉末喷涂材料的选择

（1）基体材料碳钢：Q235、20、45、16Mn；合金钢：40Cr、Cr12MoV、H13、304、316L、1Cr18Ni9Ti、 2Cr13 ；铸铁：HT200、QT600、合金铸铁；有色金属合金：Al合金、Ti 合金

（2）熔覆材料铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末

需要时加入：WC、TiC、SiC、Al2O3等陶瓷相提高硬度。

铁基合金粉末：熔覆层具有优良的耐磨性，但脆性较大。铁铬硅硼合金粉末：50HRC以上，适用于铁路钢轨的修补,以及石油钻探、农机部件、建筑和矿山机械等抗磨损零件的强化和修复。镍基合金粉末：熔覆层耐磨、耐蚀、抗氧化；镍铬硼硅合金粉末：25~65HRC，综合性能优良，用途广泛，可用于强化和修复承受金属摩擦磨损的工件，各种低应力磨料磨损的零件，耐蚀件和工作温度不超过700 ℃的零件，以及铸铁、钢件缺陷的修补。钴基合金粉末：熔覆层具有优良的高温性能，较好的热强性、热蚀性、韧性以及冷热疲劳性能。

一般用于较重要的耐高温磨蚀零件的强化和修复。如高温高压阀门板和阀座，各种发动机的排气阀密封面以及用于热腐蚀条件下的飞机发动机部件等。

2.工艺参数

(1)是裂纹必须彻底清除，对多次堆焊的轧辊，应经超声波探伤，检查内部情况，在确认无裂纹的情况下方可进行焊接。

(2)预热由于轧辊及堆焊材料均为含炭量和合金元素较高的材料，加之轧辊辊径大、刚性大、冷却速度快，很容易在焊接时造成脆性区，并且由于温度不均形成很大的热应力造成裂纹。为了防止裂纹的发生，堆焊前必须对轧辊进行预热，预热温度由辊身及堆焊材料成分而定。为了使轧辊表面得到均匀的硬度，预热温度应在材料的Ms 点以上。为了减少热应力，加热速度也应当控制，特别是大轧辊，升温速度开始100℃采用约20℃/h，之后可为40℃/h。要求均匀加热。

(3)喷焊焊接是堆焊成败的关键环节，要获得理想的堆焊层必

须综合考虑某些可变因素，如：焊接电压、焊接速度、轧辊转速、轧辊的保温、焊接电流、焊接材料等，对一些含碳及合金元素高的辊芯，为防止脆性区的裂纹，除一定的预热措施外，多采用低碳低合金过渡层进行预先堆焊过渡层。

(4)焊后处理这是轧辊堆焊的最后一道工序，为了减少由于表面和内部冷速不一造成体积应力而引起裂纹，要控制冷速。一般控制冷速和加热速度大致相同，冷至100℃时要保温一定时间，冷至50℃以下可不再控制冷速。为了消除焊接残余应力，必须进行回火处理，回火温度视轧辊使用条件，一般控制在450~600℃之间。回火温度高，内应力消除彻底，但硬度降低。因而回火温度的选择，既要保证轧辊表面一定的硬度，又要尽量消除内应力。回火的保温时间通常取每一寸直径保温一小时，多在4~10小时内选取，冷却大部分是随炉缓冷，降温至150℃后可空冷。

(5) 测试轧辊硬度、高温、疲劳性能。

(6)数控车、铣刨磨保证轧辊的形状尺寸符合模具的加工精度使用要求。

(7)在10万吨连铸连轧生产线试车测试产品性能

五、主要经济、社会、环境效益

轧辊作为轧机的关键备品备件，在轧钢过程中消耗量大。轧辊质量直接影响轧机的工作效率、轧制产品的质量和产量、轧辊的消耗等。我国年产钢材已超过5亿吨，消耗轧辊的价值在150亿元以上。因此，采用堆焊方法修复旧轧辊以提高轧辊的使用寿命已成为

我国轧钢企业降低成本、提高效益的重要举措，也是符合我国节能降耗、清洁生产、循环经济发展的需求。

堆焊技术是机械制造行业重要的制造和维修手段，在轧辊修复中得到广泛应用。当轧辊使用到报废极限时，可以进行堆焊修复，经过堆焊修复的轧辊具有成本低、寿命长、使用效果好等特点，对于推进循环经济成效明显，受到轧钢企业普遍欢迎。

该项目在调查论证后，针对金川公司10万吨铜杆连铸连轧生产线，每个轧辊成本4000元仅仅可以使用4天，一个月使用14个左右轧辊，一年168个左右，成本672000万元，需要修复一次轧辊成本900元左右，每个轧辊降低了成本3100元,年节约成本522800万元。而且修复的轧辊性能达到产品使用要求.根据市场调查我国铜杆连铸连轧规模企业10多家，可为企业年节约700多万元资金。

六、项目实施中可能形成的示范基地、中试线、生产线及其规模

（1）焊接设备

主要包括：堆焊设备、预热及焊后热处理炉、机加工设备、产品的质量检测仪器。

（2）预热及焊后热处理

轧辊焊前预热及焊后热处理炉目前都尽可能选用电炉，这是由于焊后热处理对炉温的准确性及均匀性有一定的要求（±10℃）。预热温度320-410℃，热处理最高温度600℃即可。若因电力容量紧张，扩容受限，也可选用燃气炉，但必须保证温度准确可控。预热及焊后热处理炉可根据所堆焊轧辊的规格、重量以及批量等来配置。

（3）机加工设备机加工设备：通用车床2台、数车数铣2台、轧辊车床和磨床2台，分为粗加工和精加工。其规格能力一般按待加工堆焊轧辊规格和重量来匹配选购。

（4）产品的质量检测仪器针对轧辊堆焊，需配备以下检测器具：超声波探伤仪1台、磁粉探伤（着色探伤）仪1台、手持硬度计1台、手持接触式测温仪1台、游标卡尺4把、内卡外卡2把、轧辊尺寸测量器具等。

（5）实训基地条件焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊、CO2气保焊、埋弧自动焊、等离子切割、气焊、气割焊接设备的操作，；可进行焊接工艺编制、材料热处理设备、数控数铣设配齐全可满足等离子堆焊的需求。

（6）研究方面我院依托金川公司金川镍钴研究院特有的设施资源优势，依托兰州理工大学材料科学与工程学院的科学研究基地，为该科研项目的顺利开展打下了良好的条件。

(7)生产规模设备调试在正常后，每天等离子喷涂堆焊3—5个轧辊，一个星期喷涂堆焊15—25轧辊，一个月60—100轧辊,一年将喷涂堆焊修复720—1200个轧辊。

(8)人才队伍建设

学院师资甘肃有色冶金职业技术学院现有教职员工136名，其中兼职教师40名，博士2名、硕士40名，副高以上职称21名。

研究方面我院依托金川公司金川镍钴研究院特有的设施资源优势，依托兰州理工大学材料科学与工程学院的科学研究基地，为该科

研项目的顺利开展打下了良好的条件。

三、课题的研究思路、研究方法、技术路线和实施步骤。

（一）研究思路:

等离子焊接是通过高度集中的等离子束流获得必要的熔化母材能量的这种焊接过程，通常等离子电弧的能量取决于等离子气体的流量，焊枪喷嘴的压缩效果和使用的电流大小。普通电弧射流速度为80～150米/秒，等离子电弧的射流速度可以达到300～2000米/秒，等离子电弧由于受到压缩，能量密度可达105—106W/cm2，而自由状态下TIG电弧能量密度50-100W/mm2，弧柱中心温度在24000K 以上，而TIG电弧弧柱中心温度在5000～8000K左右。

轧辊堆焊是指去除轧辊表面的疲劳层或缺陷后，用合适的堆焊材料、采用科学的工艺方法将其修复至原始辊径的过程，它的主要优点是轧辊使用前后的辊径不变。

等离子粉末堆焊是以等离子弧作为热源，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固，等离子束离开后自激冷却，形成一层高性能的合金层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺，由于等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好，熔深可控性强，通过调节相关的堆焊参数，可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整。（二）研究方法:

轧辊是冶金设备的关键部件之一,在使用过程中,由于轧辊受到疲劳应力和热循环的作用,产生较为严重的疲劳磨损和热疲劳裂纹,

鉴于轧辊成本昂贵、报废率很高,因此轧辊修复和再利用是实际生产中亟待解决的问题。堆焊是轧辊修复技术中最常用的方法,堆焊修复可分为整体修复与局部修复。

等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。

（三）技术路线和实施步骤:

1.等离子焊接的工艺参数：

（1）等离子焊枪等离子焊接时产生等离子电弧并用以进行焊接的工具称为等离子焊枪。焊枪的冷却能力是衡量等离子焊枪的重要标准，由于等离子弧温度高，冷却效果直接影响到焊接过程中的能量稳定性，从而影响焊接效果。因此焊枪的喷嘴和钨极夹必须得到充分的冷却。等离子焊枪喷嘴的尺寸，孔径大小，结构形式是影响焊接效果的重要因数。

（2）焊接电流焊接电流是控制输入焊逢能量的重要因数，在其他焊接参数一定时，焊接电流增加。等离子弧穿透能力提高，同其他弧焊方法一样，焊接电流总是根据板厚或熔深要求首先选定的，电流过小，小孔直接减小或不能形成穿孔。电流过大又将因小孔直径过大而使熔池金属坠落，甚至是双弧。

（3）焊接速度焊接速度也是影响小孔效应的一个重要参数。在其他条件一定时，焊接速度增加，焊缝的热输入减小，小孔直径亦随

之减小，最后消失。反之，如果焊速太低，母材会过热，背面焊缝会出现下陷甚至熔池泄漏等缺陷。焊接速度和焊接电流以及等离子气流量之间是相互影响的.

（4）喷嘴距离距离过大，熔透能力降低；距离过小则造成喷嘴被飞溅物粘污，一般取4～8mm。

（5）正面保护气流量正面保护气流量应与等离子气流量有一个适当的比例，离子气流量过小而保护气流量太大会导致气流紊乱，将影响电弧的稳定性和保护效果。正面保护气一般取15～30L/min。（6）钨极种类及直径钨极一般选用铈钨极，该钨极具有发射能力强，电弧稳定，载流能力强等特点。等离子焊接时要根据电流大小选择钨极直径和端部形状。等离子焊接电流一般在140～300A之间，200A以下用￠3.2钨极，200A以上用￠4.0钨极。等离子焊接钨极比普通焊要求有更高的直线度和同心度，所以钨极需要用专用机加设备进行外圆磨。

（7）钨极的端部形状对电弧的稳定性有影响如端面凹凸不平时，产生的电弧既不集中也不稳定。因此钨极端部必须磨光且成锥形。焊接电流较小时，可用小直径钨极并将其末端磨成尖锥角，这样电弧容易引燃和稳定。大电流焊接时要求钨极末端磨成钝锥角或带有平顶的锥形，这样可使电弧斑点稳定，钨极不易烧损,最好使用专用的设备来磨削。

（8）焊丝选用焊丝选用的一般为等强匹配原则，即焊缝强度与母材相当或略高，成份与母材相近，以下表格列出我们常用的TIG、

MAG/MIG/CO2/SAW埋弧焊及焊丝。

四、焊接检验：

1.焊接检验方法分类

（1）破坏性检验：检验过程须破坏被检验对象，包括力学性能试验、化学分析与试验、金相与断口分析试验。

（2）非破坏性检验：检验过程中不破坏被检验对象的结构和材料，包括外观检验、强度试验、致密性试验、无损检测试验。

（3）工艺性检验：在产品制造过程中为了保证工艺的正确性而进行的检验，包括材料焊接性试验、焊接工艺评定试验、预热、后热及焊后热处理检验等。

五、等离子焊接缺陷分析及解决办法

1.焊接缺陷的补焊有严格的要求，一般规定同一处缺陷不允许补焊超过3次。

2.由于焊接应力和变形的存在，会导致焊接构件发生低应力脆断，降低材料的疲劳极限，会改变构件形状及尺寸稳定性，在有腐蚀介质时还会导致应力腐蚀开裂等，因此我们要加强预防措施和矫正。预防措施有设计和工艺两方面，如选择合适的坡口型式及尺寸、选择合理的焊接顺序，采取焊前预热，焊后均匀缓冷，采用热处理工艺等。

六、完成课题的保障条件（如研究资料、实验仪器设备、配套经费、研究时间及所在单位条件等）。

1.学院师资：甘肃有色冶金职业技术学院现有教职员工136名，

其中兼职教师40名，博士2名、硕士40名，副高以上职称21名。实训基地条件：焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊、CO2气保焊、埋弧自动焊、等离子切割、气焊、气割焊接设备的操作，；可进行焊接工艺编制、材料热处理设备、数控数铣设配齐全可满足等离子堆焊的需求。

2.校企合作：学院依托金昌具有国际国内领先水准的矿产开采、有色冶金、能源化工等行业优势，金川集团公司、八冶集团公司等11家大中型企业签订了院企合作协议，建立了学生实习实训基地。

3.研究方面:我院依托金川公司金川镍钴研究院特有的设施资

源优势，依托兰州理工大学材料科学与工程学院的科学研究基地，

为该科研项目的顺利开展打下了良好的条件。

4.项目简介等离子堆焊是将高合金粉末材料堆焊在有磨损缺陷

的轧辊上，耐磨轧辊堆焊作为“复活”轧辊的一项先进技术。堆焊

后的轧辊使用寿命普遍提高三倍以上，堆焊后的轧辊具有良好的抗

裂性、耐磨性、耐冷热疲劳性的优点。

铜杆连铸连轧生产线，高合金轧辊磨损后采用等离子堆焊概述：在铜杆连铸连轧生产中，轧辊与所轧金属直接接触，使金属产生塑性变形，是轧机的主要变形工具。轧辊是轧机大型消耗性不见，在整个生产过程中轧辊因磨损而消耗的部分约占轧辊总重量的10％~20％，而大量的轧辊消耗是由于修复过程中局部缺陷而导致报废的。因此，如何提高轧辊的使用寿命，对轧辊进行修旧利废，成为降低产品成本的一个重要途径。

轧辊堆焊是指去除轧辊表面的疲劳层或缺陷后，用合适的堆焊材料、采用科学的工艺方法将其修复至原始辊径的过程，它的主要优点是轧辊使用前后的辊径不变。因此轧辊堆焊技术为轧辊生产中降低轧辊消耗、提高轧辊使用寿命提供了可能。

目前在国内外冶金行业使用的堆焊技术有喷镀、气体保护焊、埋弧焊、电渣焊，其中高合金成形开槽轧辊只有采用微束等离子堆焊的工艺，才能满足产品使用要求、质量好、经济效益较好的优点。

项目目标：

通过调查金川公司10万吨铜杆连铸连轧生产线，每个轧辊成本4000元仅仅可以使用4天，一个月使用14个左右轧辊，一年168个左右，成本672000元，需要修复一次轧辊成本900元左右，每个轧辊降低了成本3100元,年节约成本522800元。而且修复的轧辊性能达到产品使用要求.根据市场调查我国铜杆连铸连轧规模企业10多家，可为企业年节约700多万元资金。

任务需求分析：

随着国民经济的持续、稳定发展，特别是电力、建筑、机械设备、交通等行业的迅猛发展，铜加工材的消费量以4%的发展速度逐年递增，占铜材消费总量的60%的铜线在未来的10年也将以6%的速度快速发展。金川集团公司做大做强战略逐步实施后，到2016年阴极铜产量将达到25万吨，为引进世界先进水平的连铸连轧设备生产高品质的光亮杆提供了原料保障。

尤其西北地区最大的金川公司10万吨铜杆连铸连轧生产线，轧辊修复需求量大，市场前景好，客观的经济效益。

主要技术难点和问题分析：

1、堆焊时容易产生缺陷使得高合金轧辊的堆焊工艺非常复杂。

2、对堆焊的技术要求高。

3、企业应用实践与推广。

等离子束表面处理技术简介

磨损为满足表面耐磨性能和耐腐蚀性能

机械零部件失效

腐蚀表面改性处理

断裂等离子束表面处理技术简介

喷涂层激光束、电子束、离子束等为代表的高能束

表面改性新技术，具有广阔的工业应用前景

传统表面改性技术

渗层镀层

等离子束表面处理技术简介

在热喷涂、堆焊、激光熔覆等基础上发展起来的。

热喷涂：技术成熟，应用广泛，但涂层与基体

的结合力差，不能承受冲击载荷；

堆焊：设备简单，操作灵活，但电弧不稳定，

组织成分极不均匀，易出现夹杂、过烧、烧不透、

稀释率高等缺陷，生产效率低，合金元素浪费大

等；

激光熔覆：涂层与基体呈冶金结合，涂层外观

好、硬度高、耐磨性好、抗冲击等，但生产效率

低，能量利用率低，设备投资大、维护费用高、使

用成本高。

等离子束表面处理技术简介

1 等离子束表面处理的优点

2 等离子束表面强化原理

3 等离子束表面强化方式

4 等离子束表面强化机理

5 近年来开展的工作

等离子弧

压缩电弧：与一般的电弧相比温度高、能量集中。

等离子发生器工作时，在阴极和阳极之间加一高频高压电，使其间的气体介质Ar气电离形成电弧，此电弧柱在经过细孔道的喷嘴时被强迫缩小，这种作用称为“机械压缩”。同时通过的高压气体介质均匀地包围在电弧周围，使弧柱受到强烈的冷却，迫使带电粒子流向弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩，这种作用称为“热压缩”。此外带电

粒子在弧柱中的运动可看成是在一束平行的“导线”内移动，其自身的磁场所产生的电磁力，使这些“导线”互相吸引靠近，弧柱又进一步被压缩,这种压缩作用称为“磁压缩”。在上述三种压缩作用下，弧柱被缩小到很细的范围内，并且由柔性变为刚性，能量密度高度集中，心部温度可达104℃，称为等离子束。

等离子熔覆基本原理图等离子熔覆示意图

高能束熔覆示意图

等离子熔覆示意图

等离子熔覆示意图

1 等离子表面处理的优点

等离子束能量密度高、温度高、加热速度快、时间短,处理工件变形小或无变形,工作效率高

等离子束表面改性技术，一次性投资只有激光的1/3-/1/2，运行成

本只有激光处理的1/3，且硬化效果与激光相当，是非常有前途的表面工程技术。

2 等离子束表面强化原理

等离子表面强化的基本原理是利用用氩气或氮气等气体放电形成压缩电弧的高密度能量束（等离子束），其能量密度达数百kW/cm2，弧柱中心温度可达10000℃，加热速度非常快。当利用等离子束扫描材料表面时，其表面温度在瞬间可迅速升至相变温度以上或至熔点，由于加热时间短，加热层很浅，靠工件自身以很大冷却速度快速冷却，形成细密的白口组织、隐晶马氏体、高硬度化合物等高硬度组织，从而实现表面强化之目的。

3 等离子表面强化方式

（1）固态相变硬化

等离子束流快速扫描工件工件被加热到固

态相变温度以上

依靠工件自身快

速冷却发生淬火

淬硬层组织细小，硬度比常规淬火工艺高出20%以上，耐磨性可提高2～3倍，工件几乎无变形，处理后的材料表面形貌无改变，可直接使用。