冷轧支承辊堆焊技术研究进展与工艺解析
一、技术定义与原理
冷轧支承辊（Cold Rolling Support Roll）是冷轧机轧辊系统中承受最大载荷的核心部件，其工作层直接承受轧辊间的接触应力（可达3.5～4.5 GPa）、摩擦磨损及热循环载荷。冷轧支承辊堆焊技术（Surfacing/Overlay Welding for Cold Rolling Support Roll）是在支承辊基体表面通过熔化堆焊方式覆焊耐磨合金层，以恢复或提升辊面硬度、耐磨性、抗热疲劳性能及尺寸精度的再制造与强化工艺。
其基本原理是利用电弧热（TIG或MIG）将合金焊丝/焊条熔化并熔敷于经机加工至规定粗糙度的辊体表面，通过多层多道堆焊形成过渡层与耐磨工作层，利用合金元素的固溶强化、析出强化及碳化物强化机制，使堆焊层硬度达到50～62 HRC，同时保证与基体冶金结合强度≥250 MPa。
二、所属大类与业务定位
冷轧支承辊堆焊技术属于轧辊再制造与表面强化工程范畴，在科雷丁技术（山西）有限公司的技术体系中，归属于TIG/MIG堆焊技术路线的核心应用领域。该技术是公司在冶金行业轧辊修复与性能提升方向的关键能力支撑，直接服务于钢铁企业冷轧产线（冷轧板带、硅钢、镀锌线、彩涂线等）的支承辊寿命管理与降本增效需求。
在业务定位上，该技术承担以下角色：
- 高端轧辊修复服务：为宝钢、鞍钢、首钢、河钢等大型企业冷轧产线提供支承辊在线修复与离线再制造服务
- 工艺包输出：向轧辊制造企业提供堆焊工艺包、焊接材料选型方案及工艺评定报告
- 技术验证平台：通过支承辊堆焊的极端工况（高接触应力+热循环+摩擦磨损），验证新型堆焊材料与工艺的性能边界
三、技术目的与价值
技术目的：
- 恢复因磨损、划伤、凹坑等损伤导致尺寸超差的支承辊，使其恢复至原始设计尺寸公差（通常IT6～IT7级）
- 通过堆焊耐磨合金层提升辊面硬度与耐磨寿命，延长支承辊服役周期30%～100%
- 改善辊面抗热疲劳性能，减少因热裂纹导致的非计划停机
- 降低冷轧产线整体维护成本，减少新辊采购频次
客户价值：
- 单根支承辊修复成本仅为新辊采购成本的15%～30%
- 修复周期（7～15天）远短于新辊制造周期（60～120天），大幅减少产线停机损失
- 通过材料升级实现"修复即升级"，使修复后的辊面性能优于原始状态
四、关键工艺与实施要点
4.1 典型堆焊材料体系
| 层级 | 材料类型 | 典型牌号 | 硬度(HRC) | 主要功能 |
|---|---|---|---|---|
| 基体 | 高强度合金钢 | 42CrMo4 / 40CrNiMo | 28～35 | 承载与韧性 |
| 过渡层（第1层） | Ni-Cr合金 | ERNiCrMo-3 / 自研Ni-Cr过渡合金 | 35～42 | 降低稀释率、匹配热膨胀系数 |
| 工作层（第2～N层） | Cr基硬质合金 | Cr20Mo / Cr25 / 自研Cr-W-C复合合金 | 50～62 | 耐磨、抗热疲劳 |
| 工作层（高要求） | Fe-Cr-Ni-C高速钢系 | M2系 / 自研HSS改性合金 | 55～65 | 极端耐磨工况 |
4.2 TIG堆焊关键工艺参数
| 工艺参数 | 过渡层 | 工作层 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 焊接方法 | 非熔化极氩弧焊(GTAW/TIG) | 非熔化极氩弧焊(GTAW/TIG) | 高精密、低稀释率要求 |
| 焊接电流 | 120～160 A | 100～140 A | 根据辊径与层厚调整 |
| 电弧电压 | 12～14 V | 11～13 V | — |
| 焊接速度 | 150～250 mm/min | 180～300 mm/min | 自动化堆焊设备 |
| 预热温度 | 250～350 °C | 250～350 °C | 根据基体材料Ceq调整 |
| 层间温度 | ≤250 °C | ≤250 °C | 严格控制，防止裂纹 |
| 焊丝直径 | Φ1.6～Φ2.4 mm | Φ1.6～Φ2.4 mm | — |
| 保护气体 | Ar(99.99%) | Ar(99.99%) | 流量15～25 L/min |
| 单道熔敷厚度 | 1.5～2.5 mm | 1.5～2.5 mm | — |
| 堆焊总层数 | 1～2层 | 2～4层 | 总堆焊厚度3～8 mm |
4.3 MIG堆焊工艺参数（大面积修复场景）
| 工艺参数 | 过渡层 | 工作层 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 焊接方法 | 熔化极气体保护焊(GMAW/MIG) | 熔化极气体保护焊(GMAW/MIG) | 大面积、高效率场景 |
| 焊接电流 | 200～280 A | 220～320 A | — |
| 电弧电压 | 22～28 V | 24～30 V | — |
| 焊丝送进速度 | 4～6 m/min | 5～8 m/min | — |
| 保护气体 | Ar+5%CO₂ 或纯Ar | Ar+5%CO₂ 或纯Ar | 流量18～25 L/min |
| 预热/层间温度 | 250～350 °C | 250～350 °C | — |
4.4 关键实施要点
- 基体预处理：辊面需经精磨至Ra≤1.6μm，去除氧化皮、油污及残余应力层（必要时进行喷丸或火焰清理），确保堆焊层与基体的冶金结合质量。
- 热输入控制：冷轧支承辊基体多为高淬透性合金钢（Ceq≈0.40～0.55），堆焊过程中必须严格控制热输入（q≤15 kJ/cm），防止基体热影响区产生马氏体脆化或冷裂纹。采用脉冲TIG可有效降低热输入。
- 稀释率管理：过渡层稀释率应控制在15%～25%，工作层稀释率≤10%。通过控制首道熔敷厚度、焊丝直径及焊接参数实现。稀释率过高将导致堆焊层硬度下降、耐磨性能恶化。
- 多层堆焊策略：采用"过渡层→中间层→工作层"的梯度堆焊策略，逐层过渡化学成分与力学性能，避免应力集中与裂纹萌生。
- 焊后热处理：堆焊完成后进行去应力退火（550～650°C，保温2～4h，炉冷），消除堆焊残余应力，防止服役过程中产生延迟裂纹。
- 尺寸精度保证：堆焊完成后经精磨加工至设计尺寸，圆度≤0.02mm，直线度≤0.05mm/m，表面粗糙度Ra≤0.4μm（冷轧支承辊辊面要求）。
五、执行标准与验收依据
5.1 主要执行标准
| 标准编号 | 标准名称 | 适用范围 |
|---|---|---|
| GB/T 12469-2008 | 轧辊 术语 | 轧辊通用术语与定义 |
| GB/T 14914-2018 | 轧辊 支承辊用钢技术条件 | 支承辊基体材料要求 |
| GB/T 14915-2018 | 轧辊 工作辊用钢技术条件 | 参考标准 |
| ASTM A477/A477M | Standard Specification for Steel Mill Rolls | 轧辊材料与性能 |
| ASME BPVC Section IX | Boiler and Pressure Vessel Code, Section IX | 焊接工艺评定与焊接人员资格 |
| ISO 13919-1:2018 | Welding — Metalworking gases — Part 1: Specification of welding gases | 保护气体规格 |
| ISO 14555:2015 | Welding — Welding procedure specification (WPS) and welding procedure qualification record (WPQR) | 焊接工艺规程与评定记录 |
| NACE MR0175/ISO 15156 | Materials for Use in H₂S Environments in Oil and Gas Production | 特殊工况下材料抗硫化物应力开裂要求 |
| GB/T 3375-2017 | 焊接术语 | 焊接术语规范 |
| JB/T 8938-2016 | 轧辊堆焊技术条件 | 轧辊堆焊行业技术要求 |
5.2 验收依据与检测项目
| 检测项目 | 检测方法/标准 | 合格判据 |
|---|---|---|
| 堆焊层硬度 | 洛氏硬度计(GB/T 230.1) | 工作层50～62 HRC，均匀性偏差≤3 HRC |
| 结合强度 | 剥离试验/剪切试验(GB/T 12469) | ≥250 MPa |
| 表面缺陷 | 磁粉检测MT(GB/T 26055)/渗透检测PT(GB/T 18851) | 无裂纹、未熔合、夹渣等缺陷 |
| 内部缺陷 | 超声检测UT(GB/T 11345) | 无气孔、未焊透等体积型缺陷 |
| 尺寸精度 | 三坐标测量/辊形仪 | 圆度≤0.02mm，直线度≤0.05mm/m |
| 表面粗糙度 | 触针式粗糙度仪(GB/T 6060) | Ra≤0.4μm（冷轧支承辊） |
| 化学成分 | 光谱分析(GB/T 223系列) | 符合堆焊材料技术条件 |
| 金相组织 | 金相显微镜(GB/T 13298) | 无异常组织、无未熔合界面 |
六、常见风险与控制措施
| 风险类型 | 风险描述 | 控制措施 |
|---|---|---|
| 冷裂纹 | 高Ceq基体在堆焊热循环下产生延迟裂纹（氢致裂纹） | 严格控制预热温度≥250°C、层间温度≤250°C；选用低氢焊材；焊后及时去应力热处理；控制热输入 |
| 热裂纹 | 高Cr、高C堆焊层凝固时产生凝固裂纹或液化裂纹 | 优化合金成分（控制S、P含量）；采用多道薄层堆焊；控制焊接速度避免过热；添加微合金化元素细化晶粒 |
| 稀释率超标 | 首道堆焊层被基体过度稀释，硬度不达标 | 增加过渡层道数；减小首道熔敷厚度；优化焊接参数降低熔深；必要时进行预堆（打底堆焊） |
| 辊面变形 | 大面积堆焊导致辊体热变形，影响辊形精度 | 采用螺旋进给方式均匀分布热输入；分段堆焊、对称焊接；实时监测温度场；必要时采用夹具约束 |
| 气孔 | 保护气体流量不足或环境风速导致气体保护不良 | 确保保护气流量15～25 L/min；焊接区域设置挡风屏；定期检测气体纯度（≥99.99%） |
| 堆焊层剥落 | 服役过程中堆焊层整体剥落 | 保证过渡层冶金结合质量；控制残余应力；进行结合强度测试；优化堆焊层梯度设计 |
| 硬度不均 | 堆焊层硬度分布不均匀，局部偏软或偏硬 | 严格控制层间温度；均匀送丝；定期校准焊接设备参数；进行硬度全辊面多点检测 |
七、在公司三条技术路线中的应用场景
7.1 TIG/MIG堆焊技术路线（核心应用）
冷轧支承辊堆焊是科雷丁TIG/MIG堆焊技术路线的旗舰应用场景。该技术路线在支承辊修复中的应用涵盖：
- 精密TIG堆焊：适用于辊面局部损伤修复（凹坑、划伤、磨损带），要求高精度、低热输入、低稀释率，采用脉冲TIG或自动TIG堆焊设备
- 大面积MIG堆焊：适用于辊面大面积磨损或整体堆焊强化，采用自动MIG堆焊设备实现高效率大面积覆焊
- 混合工艺：过渡层采用TIG保证冶金结合质量，工作层采用MIG提高生产效率
- 工艺评定与WPS编制：依据ASME Section IX和ISO 14555编制焊接工艺规程，进行工艺评定试验，确保工艺可靠性
7.2 水压复合技术路线（关联应用）
水压复合技术路线在冷轧支承辊领域的应用场景主要体现在：
- 复合辊制造：利用水压复合工艺制造"高韧性基体+高硬度工作层"的轧辊复合结构，为后续堆焊修复提供优质的复合基体
- 复合层修复：当水压复合辊的复合层出现局部损伤时，采用堆焊修复技术进行局部修补，恢复复合层完整性
- 工艺协同：水压复合工艺与堆焊工艺的结合，实现"复合+堆焊"双重强化，进一步提升轧辊服役性能
7.3 爆炸焊复合技术路线（关联应用）
爆炸焊复合技术路线在冷轧支承辊领域的应用场景：
- 爆炸复合辊制造：利用爆炸焊工艺制造"钢基体+硬质合金工作层"的轧辊，获得冶金结合的复合界面，为后续精加工和堆焊修复提供基础
- 复合界面修复：爆炸复合辊在服役过程中若出现复合界面局部脱粘，可通过局部堆焊修复恢复界面结合
- 材料选型验证：爆炸焊复合工艺可用于验证新型硬质合金与钢基体的复合可行性，为堆焊材料选型提供数据支撑
八、对公司资质建设、产品交付与客户价值的作用
8.1 资质建设支撑
- 焊接工艺评定（WPS/PQR）积累：通过冷轧支承辊堆焊项目的实施，积累大量符合ASME Section IX和ISO 14555标准的焊接工艺评定数据，支撑公司焊接资质升级与扩展
- 焊接人员资格认证：项目执行过程中培养具备TIG/MIG堆焊资质的专业焊工团队，满足客户对焊接人员资质的要求
- 质量管理体系完善：支承辊堆焊项目的高标准要求推动公司完善ISO 9001质量管理体系，特别是焊接过程控制、无损检测、材料追溯等环节
- 行业标准参与：通过技术积累参与JB/T 8938等轧辊堆焊行业标准的修订工作，提升行业影响力
8.2 产品交付能力
- 全尺寸辊修复能力：具备Φ200～Φ900mm全尺寸冷轧支承辊堆焊修复能力，覆盖主流冷轧产线需求
- 快速交付能力：标准化工艺流程与自动化堆焊设备确保单辊修复周期控制在7～15天内
- 质量一致性保障：自动化堆焊设备+在线过程监控+多道无损检测，确保批量修复辊的质量一致性
- 定制化服务能力：可根据客户产线工况（轧制材料、轧制力、轧制速度等）定制堆焊材料方案与工艺参数
8.3 客户价值创造
- 降本增效：单根支承辊修复成本仅为新辊的15%～30%，年节省采购成本可达数百万元
- 减少停机：快速修复交付减少产线非计划停机时间，提升轧线作业率
- 性能升级：通过材料升级实现"修复即升级"，修复后辊面耐磨寿命提升30%～100%
- 技术保障：提供堆焊工艺包、使用指导及寿命跟踪服务，形成全生命周期技术保障
- 绿色制造：轧辊再制造相比新辊制造减少60%以上的能源消耗与碳排放，助力客户绿色制造目标
九、学习心得与技术展望
通过对《冷轧支承辊堆焊技术研究进展》的深入学习，核心收获与展望如下：
- 材料-工艺-性能协同优化：支承辊堆焊技术的核心竞争力在于堆焊材料成分设计、焊接工艺参数优化与服役性能之间的协同匹配。未来应加强新型高熵合金、纳米复合合金在支承辊堆焊中的应用研究。
- 智能化堆焊：引入温度场在线监测、熔池视觉监控、自适应参数调整等智能焊接技术，实现堆焊过程的数字化闭环控制，进一步提升质量一致性与生产效率。
- 数字化寿命预测：结合堆焊层微观组织、硬度分布与服役工况数据，建立支承辊堆焊层磨损寿命预测模型，为客户提供预测性维护服务。
- 绿色焊接工艺：探索低热输入、低稀释率的新型堆焊工艺（如冷丝TIG、激光辅助堆焊），减少热影响区损伤，降低能耗与排放。
- 标准化体系建设：推动冷轧支承辊堆焊工艺的企业标准与行业标准建设，形成可复制、可推广的技术规范体系。
冷轧支承辊堆焊技术是科雷丁技术在冶金行业轧辊再制造领域的核心能力体现。通过持续的技术积累、工艺优化与标准建设，公司将进一步提升在高端轧辊修复市场的竞争力，为客户提供更高质量、更快速度、更具性价比的轧辊再制造服务，助力钢铁行业降本增效与绿色转型。