芯棒堆焊修复方法及芯棒堆焊层组织结构

摘要

本发明公开芯棒堆焊修复方法及芯棒堆焊层组织结构，通过药芯焊丝堆焊修复失效的芯棒，提高基体与堆焊层之间的结合力，保证耐磨层表面具有较高的硬度和优异的耐磨性，从而获得一种满足芯棒性能要求的“基体+打底层+耐磨层”模式的堆焊层组织结构，打底层金相组织设计为由大量铁素体+下贝氏体+碳化物组成，塑韧性好，有助于防止热裂纹的产生，适用于承受强冲击载荷作用的工件表面堆焊或硬面堆焊前的过渡层堆焊。耐磨层组织由马氏体+残余奥氏体+碳化物组成，有利于表面硬度和耐磨性的提高，充分满足芯棒从基体到表面的综合服役性能要求。

说明书

技术领域

本发明属于焊机技术领域，更加具体地说，涉及一种对芯棒堆焊层组织结构的设计，具体是通过药芯焊丝，采用埋弧焊技术修复失效的芯棒，设计芯棒堆焊层的组织结构。

背景技术

芯棒是生产无缝钢管的重要工具，在生产过程中起支撑钢管变形作用。芯棒质量的好坏直接决定了企业的生产效率，钢管表面质量和生产成本。连轧管机组设备的生产维护费用中约50％以上是用于芯棒的消耗和报废更换。芯棒上机使用寿命低，是我国钢铁制管企业目前普遍存在而且亟待解决的重大技术难题。芯棒在无缝钢管生产中的工况条件非常恶劣，不仅要承受较大的径向轧制力的作用，而且芯棒与钢管之间还存在很大摩擦力。疲劳裂纹和磨损是芯棒主要的失效形式。当在线芯棒的裂纹和磨损较严重时，为了确保钢管的表面质量和轧机安全，必须立即更换该芯棒，大大增加了企业的生产成本，造成企业停工一段时间。因此，对失效的芯棒进行修复不仅能够节省企业生产成本，而且对保护资源也具有重大意义。修复失效的芯棒不仅指形状和尺寸的修复，而且要求修复后的芯棒要达到甚至超过原有芯棒的性能和使用寿命。芯棒在无缝钢管生产中的作用，要求芯棒必须具有较高的冲击韧性和较高的硬度，以提高其抗裂纹和耐磨损的性能。然而，若芯棒材料碳含量较高，焊接性较差，焊接时易出现焊接裂纹缺陷，基体与堆焊层之间的结合力较差，将导致轧制过程中耐磨工作层剥落。因此，为了提高基体与堆焊层之间的结合力，保证耐磨层表面具有较高的硬度和优异的耐磨性，设计了一种新型的芯棒堆焊层组织结构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，通过药芯焊丝堆焊修复失效的芯棒，提高基体与堆焊层之间的结合力，保证耐磨层表面具有较高的硬度和优异的耐磨性，从而获得一种满足芯棒性能要求的“基体+打底层+耐磨层”模式的堆焊层组织结构。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

芯棒堆焊修复方法，按照下述步骤进行：

步骤1，对芯棒进行超声波探伤，除去芯棒表面的疲劳层及缺陷

在步骤1中，特别是裂纹必须彻底清除。

步骤2，使用药芯焊丝对芯棒进行打底层制备，药芯焊丝的元素质量百分数为C0.05～0.10％、Si 0.45～0.70％、Mn 0.90～1.30％、Cr 13.00～18.00％、Mo 0.09～0.38％、V 0.03～0.07％、Ni 0.75～1.30％，其余为铁；预热温度确定为250～300℃，焊道层间温度控制在200～250℃，焊丝直径为1—1.5mm，焊接电流为100～150A，电弧电压为15～30V，焊接速度为5—10mm/s，电源极性为直流反接；

步骤3，使用药芯焊丝对芯棒进行耐磨层制备，药芯焊丝的元素质量百分数为C0.03～0.07％、Si 0.40～0.60％、Mn 1.00～1.35％、Cr 9.50～13.50％、Mo 0.30～0.65％、V 0.06～0.15％、Ni 1.15～1.80％，其余为铁；预热温度确定为250～300℃，焊道层间温度控制在200～250℃，焊丝直径为1—1.5mm，焊接电流为100～150A，电弧电压为15～30V，焊接速度为5—10mm/s，电源极性为直流反接。

在步骤2中，药芯焊丝的元素质量百分数为C 0.06～0.08％、Si 0.50～0.70％、Mn0.90～1.20％、Cr 15.00～18.00％、Mo 0.10～0.20％、V 0.04～0.07％、Ni 0.8～1.0％，其余为铁。

在步骤2中，预热温度确定为260～280℃，焊道层间温度控制在220～250℃，焊丝直径为1.2—1.5mm，焊接电流为120～150A，电弧电压为20～25V，焊接速度为5—10mm/s，电源极性为直流反接。

在步骤3中，药芯焊丝的元素质量百分数为C0.03～0.05％、Si0.40～0.60％、Mn1.0～1.2％、Cr 10～13％、Mo 0.40～0.60％、V 0.08～0.10％、Ni 1.2～1.60％，其余为铁。

在步骤3中，预热温度确定为260～280℃，焊道层间温度控制在200～240℃，焊丝直径为1.2—1.5mm，焊接电流为100～140A，电弧电压为15～25V，焊接速度为5—10mm/s，电源极性为直流反接。

堆焊后试样截面结构由基体，打底层和耐磨层组成。其结合方式为冶金结合。

本发明通过药芯焊丝堆焊修复失效的芯棒，提高基体与堆焊层之间的结合力，保证耐磨层表面具有较高的硬度和优异的耐磨性，从而获得一种满足芯棒性能要求的“基体+打底层+耐磨层”模式的堆焊层组织结构。堆焊后的成品的组织(即芯棒堆焊层组织结构)为7区组织。第一层为基体部分，由铁素体+珠光体+均匀分布碳化物组成，为组织区1(zone1)；第二层为基体侧熔合区，组织特点为铁素体+珠光体+局部聚集分布碳化物，为组织区2(zone2)；第三层为打底层侧熔合区，由粗大的铁素体+珠光体+下贝氏体+碳化物组成，为组织区3(zone3)；第四层为打底层，金相组织为粗大铁素体+下贝氏体+碳化物，为组织区4(zone4)；第五层为打底层与耐磨层熔合区1，由铁素体+回火索氏体+少量的碳化物组成，为组织区5(zone5)；第六层为打底层与耐磨层熔合区2，组织为粗大的马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物，为组织区6(zone6)；第七层为耐磨层，组织为细小针状马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物，为组织区7(zone7)。

与现有技术相比，本发明堆焊采用“基体+打底层+耐磨层”模式制造，堆焊后的成品的组织分为7区，其熔合情况较好。其中，打底层金相组织设计为由大量铁素体+下贝氏体+碳化物组成，塑韧性好，有助于防止热裂纹的产生，适用于承受强冲击载荷作用的工件表面堆焊或硬面堆焊前的过渡层堆焊。耐磨层组织由马氏体+残余奥氏体+碳化物组成，有利于表面硬度和耐磨性的提高，充分满足芯棒从基体到表面的综合服役性能要求。

附图说明

图1为焊后试样截面金相组织图(1)，其中a为试样截面组织的光镜照片，Zone1为基体部分，Zone2和Zone3为打底层与基体的熔合区，Zone4为打底层，Zone5和Zone6为打底层与耐磨层的熔合区，Zone7为耐磨层；b为Zone1的高倍组织金相图；c为Zone2的高倍组织金相图；d为Zone3的高倍组织金相图。

图2为焊后试样截面金相组织图(2)，其中e为Zone4的高倍组织金相图，f为Zone5的高倍组织金相图，g为Zone6的高倍组织金相图，h为Zone7的高倍组织金相图。

图3为焊后试样截面金相组织图(3)，其中i为基体与打底层的熔合区的高倍组织金相图，j为打底层与耐磨层的熔合区的高倍组织金相图。

图4为本发明中堆焊试样(经堆焊后的芯棒材料)的XRD图谱，其中a、b、c分别对应基体、打底层和耐磨层的相结构。

图5为本发明中堆焊试样(经堆焊后的芯棒材料)的微观形貌图，其中a、b、c分别为基体、打底层和耐磨层的微观形貌。

图6为本发明中堆焊试样中焊态试样各区域显微硬度曲线。

图7为本发明中芯棒材料和堆焊后材料的磨损质量损失对比示意图。

图8为本发明中芯棒材料和堆焊后材料的磨损结果扫描电镜照片，其中a、b分别为基体和耐磨层的表面形貌。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

生产无缝钢管的重要工具芯棒一般采用是H13材料，即H13芯棒，在堆焊前对进行超声波探伤，除去芯棒表面的疲劳层及缺陷，特别是裂纹必须彻底清除；H13芯棒材料碳含量为0.32～0.45％，属中碳钢，焊接性较差，采用“基体+打底层+耐磨层”模式进行堆焊修复。

H13钢基体(即zone1)的元素的质量百分数：C 0.32～0.45％、Si 0.80～1.20％、Mn 0.20～0.50％、Cr 4.75～5.50％、Mo 1.10～1.75％、V 0.80～1.20％、其余为Fe。

选择堆焊打底层材料，打底层堆焊金属除Fe外，还有C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Ni。其中，铬含量大于13％；选择堆焊耐磨层材料，耐磨层的堆焊金属种类与打底层相同，只是合金元素的含量有所不同，在保证铬含量的情况下，添加少量Mn、Ni等奥氏体形成元素，扩大γ相区，使γ相区能够固溶的铬含量增加，使耐磨层中铬含量略微超过13％，冷却后能够得到较多的马氏体。

实施例1

(1)打底层制备

打底层使用的药芯焊丝组成(元素质量百分比，wt％)：C 0.05％、Si 0.70％、Mn0.90％、Cr18.00％、Mo0.38％、V 0.03％、Ni 0.75％、其余为Fe。预热温度确定为250℃，焊道层间温度控制在250℃，焊丝直径为1.2mm，焊接电流为140A，电弧电压为25V，焊接速度为5mm/s，电源极性为直流反接。

(2)耐磨层制备

耐磨层使用的药芯焊丝组成(元素质量百分比，wt％)：C0.07％、Si 0.40％、Mn1.00％、Cr 13.50％、Mo 0.30％、V 0.06％、Ni 1.15％、其余为Fe。预热温度确定为250℃，焊道层间温度控制在250℃，焊丝直径为1.2mm，焊接电流为140A，电弧电压为25V，焊接速度为5mm/s，电源极性为直流反接。

实施例2

(1)打底层制备

打底层使用的药芯焊丝组成(元素质量百分比，wt％)：C 0.10％、Si 0.45％、Mn1.30％、Cr13.00％、Mo0.09％、V 0.07％、Ni 1.30％、其余为Fe。预热温度确定为300℃，焊道层间温度控制在200℃，焊丝直径为1.0mm，焊接电流为100A，电弧电压为15V，焊接速度为10mm/s，电源极性为直流反接。

(2)耐磨层制备

耐磨层使用的药芯焊丝组成(元素质量百分比，wt％)：C0.03％、Si 0.60％、Mn1.35％、Cr 9.50％、Mo 0.65％、V 0.15％、Ni 1.80％、其余为Fe。预热温度确定为300℃，焊道层间温度控制在250℃，焊丝直径为1.5mm，焊接电流为120A，电弧电压为20V，焊接速度为5mm/s，电源极性为直流反接。

实施例3

(1)打底层制备

打底层使用的药芯焊丝组成(元素质量百分比，wt％)：C 0.08％、Si 0.50％、Mn1.10％、Cr15.00％、Mo0.20％、V 0.05％、Ni 1.2％、其余为Fe。预热温度确定为280℃，焊道层间温度控制在200℃，焊丝直径为1.5mm，焊接电流为150A，电弧电压为30V，焊接速度为10mm/s，电源极性为直流反接。

(2)耐磨层制备

耐磨层使用的药芯焊丝组成(元素质量百分比，wt％)：C0.04％、Si 0.50％、Mn1.20％、Cr 10.50％、Mo 0.50％、V 0.10％、Ni 1.16％、其余为Fe。预热温度确定为300℃，焊道层间温度控制在220℃，焊丝直径为1.0mm，焊接电流为120A，电弧电压为15V，焊接速度为10mm/s，电源极性为直流反接。

实施例4

(1)打底层制备

打底层使用的药芯焊丝组成(元素质量百分比，wt％)：C 0.06％、Si 0.60％、Mn1.15％、Cr16.00％、Mo0.25％、V 0.04％、Ni 0.95％、其余为Fe。预热温度确定为260℃，焊道层间温度控制在240℃，焊丝直径为1.2mm，焊接电流为130A，电弧电压为20V，焊接速度为8mm/s，电源极性为直流反接。

(2)耐磨层制备

耐磨层使用的药芯焊丝组成(元素质量百分比，wt％)：C0.05％、Si 0.55％、Mn1.15％、Cr 10.50％、Mo 0.50％、V 0.08％、Ni 1.2％、其余为Fe。预热温度确定为280℃，焊道层间温度控制在250℃，焊丝直径为1.2mm，焊接电流为120A，电弧电压为17V，焊接速度为8mm/s，电源极性为直流反接。

实施例5

(1)打底层制备

打底层使用的药芯焊丝组成(元素质量百分比，wt％)：C 0.07％、Si 0.50％、Mn1.20％、Cr17.00％、Mo0.20％、V 0.06％、Ni 1.2％、其余为Fe。预热温度确定为300℃，焊道层间温度控制在240℃，焊丝直径为1.2mm，焊接电流为150A，电弧电压为25V，焊接速度为8mm/s，电源极性为直流反接。

(2)耐磨层制备

耐磨层使用的药芯焊丝组成(元素质量百分比，wt％)：C0.06％、Si 0.45％、Mn1.27％、Cr 11.50％、Mo 0.40％、V 0.12％、Ni 1.6％、其余为Fe。预热温度确定为300℃，焊道层间温度控制在220℃，焊丝直径为1.2mm，焊接电流为120A，电弧电压为20V，焊接速度为6mm/s，电源极性为直流反接。

依照上述实施例方案实现“基体+打底层+耐磨层”的模式对失效的H13芯棒进行堆焊修复再进行表征和测试——(1)采用VHX-2000型3D光学显微镜和日本日立S-4800型场发射扫描电镜观察焊后试样金相组织；(2)采用德国布鲁克D8型X射线衍射仪进行物相分析；(3)采用德国斯派克分析仪器有限公司SPECTROMAXx型直读光谱仪分析堆焊试样各区域化学成分；(4)采用MH-6L型显微硬度计进行焊后试样截面显微硬度测试，载荷为200g，加载时间为20s；(5)采用MM-200型磨损试验机进行摩擦磨损测试，外加载荷49N，摩擦环转速200r/min，摩擦时间20min。对上述测试的结果进行数学平均，通过分析可知以下结果：

1.焊后试样可分为7个区域，Zone1为基体部分，Zone2和Zone3为打底层与基体的熔合区，Zone4为打底层，Zone5和Zone6为打底层与耐磨层的熔合区，Zone7为耐磨层。

2.H13钢金相组织主要由铁素体+珠光体+碳化物组成；基体侧熔合区的组织特点为铁素体+珠光体+局部聚集分布碳化物；打底层侧熔合区由粗大的铁素体+珠光体+下贝氏体+碳化物组成；打底层金相组织为粗大铁素体+下贝氏体+碳化物；打底层与耐磨层熔合区1(zone5)由铁素体+回火索氏体+少量的碳化物组成；打底层与耐磨层熔合区2(zone6)组织为粗大的马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物；耐磨层组织由细小针状马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物组成。熔合区一部分由基体金属组成，另一部分由堆焊金属组成。基体与打底层的熔合情况较好，打底层与耐磨层的熔合情况也较好。

3.七个区的合金元素含量。

H13钢基体(区域1，即zone1的元素质量百分数，wt％)：C 0.32～0.45％、Si 0.80～1.20％、Mn 0.20～0.50％、Cr 4.75～5.50％、Mo 1.10～1.75％、V 0.80～1.20％，其余为Fe。

基体侧熔合区(区域2，即zone2的元素质量百分数，wt％)：C 0.10～0.20％、Si0.70～0.75％、Mn 0.50～1.00％、Cr 5.50～13.00％、Mo 0.50～1.05％、V 0.15～0.60％、Ni 0.85～0.95％，其余为Fe。

打底层侧熔合区(区域3，即zone3的元素质量百分数，wt％)：C 0.08～0.15％、Si0.60～0.75％、Mn 1.10～1.20％、Cr 13.00～16.00％、Mo 0.10～0.50％、V 0.06～0.30％、Ni 0.85～1.00％，其余为Fe。

打底层(区域4，即zone4的元素质量百分数，wt％)：C 0.06～0.10％、Si 0.55～0.65％、Mn 1.00～1.15％、Cr 13.00～16.50％、Mo 0.14～0.30％、V 0.04～0.06％、Ni0.90～1.20％，其余为Fe。

打底层与耐磨层熔合区1(区域5，即zone5的元素质量百分数，wt％)：C 0.05～0.07％、Si 0.50～0.60％、Mn 1.10～1.30％、Cr 14.50～16.00％、Mo 0.10～0.35％、V0.05～0.08％、Ni 1.00～1.30％，其余为Fe。

打底层与耐磨层熔合区2(区域6，即zone6的元素质量百分数，wt％)：C 0.05～0.06％、Si 0.50～0.60％、Mn 1.10～1.30％、Cr 13.00～15.00％、Mo 0.30～0.50％、V0.07～0.09％、Ni 1.20～12.00％，其余为Fe。

耐磨层(区域7，即zone7的元素质量百分数，wt％)：C 0.05～0.06％、Si 0.50～0.55％、Mn 1.15～1.30％、Cr 10.50～13.50％、Mo 0.35～0.50％、V 0.07～0.09％、Ni1.25～1.60％，其余为Fe。

4.七个区的显微硬度经测试如下：

H13钢基体(zone1)：263.0～308.0HV_0.2

基体侧熔合区(zone2)：290.0～320.0HV_0.2

打底层侧熔合区(zone3)：254.0～280.0HV_0.2

打底层(zone4)：210.0～255.0HV_0.2

打底层与耐磨层熔合区1(zone5)：320.0～385.0HV_0.2

打底层与耐磨层熔合区2(zone6)：349.0～380.0HV_0.2

耐磨层(zone7)：340.0～370.0HV_0.2

5.H13钢基体磨损量为24～26.5mg，耐磨层的磨损量为14.3～15.9mg。H13钢基体的剥落坑数量和尺寸明显比耐磨层的大。

6.如附图所示，基体、打底层和耐磨层的微观形貌表现出各自金相组成的特性，且从相结构来看，均具有Fe相，即a—Fe和Fe₃C。

依照本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现针对芯棒H13的修复并有效提高硬度和耐磨性。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。