提高哈氏合金导电辊焊缝耐腐蚀性能的方法

摘要

一种钢材生产技术领域的提高哈氏合金导电辊焊缝耐腐蚀性能的方法，首先分别制造导电辊的哈氏合金耐蚀层筒体和辊芯，然后采用热套工艺进行组装，实现耐腐蚀性能的提高。本发明可显著提高导电辊焊缝耐腐蚀性能。使用本发明加工的导电辊，在生产线上使用8个月未发现焊缝腐蚀，仅仅因母材表面损伤，导致腐蚀下线进行返修。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种钢材生产技术领域的方法，具体是一种提高哈氏合金导电辊焊缝耐腐蚀性能的方法。

背景技术

导电辊用在镀锌钢板生产线上，为钢带连续传输提供动力。同时，作为动力辊与电极、电镀液、钢带等形成导电回路。导电辊承受交变的应力载荷，与电解液接触工作环境，致使导电辊容易发生应力腐蚀。一旦导电辊表面出现严重腐蚀导致表面不平整，则需拆卸下线，进行表面加工研磨，其一会造成生产线停工；其二反复加工会导致导电辊表面哈氏合金层减薄，使用寿命降低。据使用单位统计，若导电辊制造质量不良，最短的仅仅使用三个月即需拆卸下线，进行表面加工研磨；最长使用6个月必需下线进行加工研磨。导电辊腐蚀主要表现为焊缝区域严重应力腐蚀。

经过对现有技术的检索发现，“Hastelloy C-22 alloy”(“哈斯特洛伊C-22合金”)HaynesInternational.INC中介绍了耐蚀哈氏合金C-22工程应用，其中包括镀锌导电辊，具有较好的抗腐蚀和腐蚀开裂性能。“哈氏合金导电辊失效机理研究”造船技术2008，No.6解剖分析了一种包覆结构的导电辊失效原因，以及失效机理。该导电辊包覆层选用C-22哈氏合金，开V型坡口，通过单面多层多道填丝TIG方法焊接。金相分析发现：哈氏合金母材和焊缝的微观形貌不同，焊缝为柱状晶组织，说明哈氏合金筒体焊后未经过固溶处理，焊缝金属耐蚀性差；焊缝解剖分析发现：哈氏合金筒体焊缝根部存在线状未焊透和局部焊漏缺陷；断口表面存在腐蚀反应产物Fe_x(SO₄)_Y和Cr₂(SO₄)₃，说明哈氏合金导电辊发生腐蚀开裂与镀锌溶液的介质密切相关。对腐蚀裂纹断口进行了SEM观察，断口为典型的应力腐蚀开裂扇形花样+山形花样断口形貌。

哈氏合金是单相奥氏体材料，线膨胀系数大，焊接时哈氏合金包覆层会产生横向收缩、纵向收缩以及角变形，但由于内部辊芯支撑，限制了哈氏合金包覆层的收缩变形，在焊缝里会形成很大的拉伸应力，焊后没有进行消应力处理，构成焊接残余应力；解剖分析还发现失效的哈氏合金包覆层焊缝根部存在未焊透缺陷，缺口的存在会造成局部应力集中；在电镀过程中，导电辊摩擦传动，钢板对导电辊表面会产生附加的拉伸应力；焊接残余应力、交变载荷应力的叠加构成了应力腐蚀开裂所需的拉应力条件。

导电辊周围的电镀锌溶液中，主要含有H⁺、SO₄^2-、Cl^-、Zn²⁺，以及少量的其它金属离子。哈氏合金导电辊长期处于H⁺、SO₄^2-、Cl^-的腐蚀介质中，构成发生应力腐蚀开裂、点蚀所需要的环境介质条件。

焊接态的哈氏合金焊缝金属是一个多相组织，存在化学成分的不均匀性。哈氏合金TIG焊缝微探针分析，发现在晶界处，存在着Mo的偏析，富Mo相析出而导致晶界析出相附近贫Mo，贫Mo区域作为原电池反应的阳极，为腐蚀的发生，提供了热力学上的可能性，构成了引发腐蚀裂纹的组织条件。

在应力腐蚀裂纹的表面，发现了点蚀产生的腐蚀坑。分析认为：在导电辊工作环境中，导电辊、钢带、电镀液相接触时，构成了一个相对闭塞的区域。由闭塞区域与电镀液中氯离子Cl^-的存在而造成的导电辊表面的点蚀。点蚀作为应力腐蚀开裂的裂纹源，诱导应力腐蚀裂纹萌生。裂纹萌生以后，裂纹尖端加剧了应力集中，使得在腐蚀介质中导电辊筒体裂纹尖端受到更大的拉伸应力，促使应力腐蚀裂纹沿板厚深度方向扩展和沿焊缝纵向扩展。

导电辊使用一段时间以后，应力腐蚀裂纹蚀坑影响了钢板镀锌层表面质量，必需对导电辊进行磨削加工，去除有裂纹和蚀坑的表面。哈氏合金导电辊的厚度不断减薄，有效的承载面积也不断减小，焊缝根部的缺口效应更加显著，焊缝承受的焊接残余应力和载荷应力合力增加，使得焊缝应力腐蚀裂纹萌生和扩展的速度加快。经过数次磨削后，导电辊哈氏合金包覆层越来越薄，残留厚度最薄处(根部未焊透最深处)，在载荷应力、焊接残余应力与根部未焊透区的应力集中共同作用下，当应力水平超过了材料本身的抗拉强度，则形成贯穿性裂纹。应力腐蚀裂纹进一步沿板厚深度方向和焊缝纵向扩展，达到一定的深度和长度后则致使焊缝大范围的开裂，导电辊完全失效。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种提高哈氏合金导电辊焊缝耐腐蚀性能的方法，可显著提高导电辊焊缝耐腐蚀性能。使用本发明加工的导电辊，在生产线上使用8个月未发现焊缝腐蚀，仅仅因母材表面损伤，导致腐蚀下线进行返修。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明首先分别制造导电辊的哈氏合金耐蚀层筒体和辊芯，然后采用热套工艺进行组装得以实现耐腐蚀性能的提高。

所述的哈氏合金耐蚀层筒体采用激光穿透焊接制造，可获得一种均匀、连续无缺陷、细晶粒、低残余应力、高抗应力腐蚀能力的焊缝，从而提高导电辊的使用寿命。

所述的哈氏合金耐蚀层筒体通过以下方式制造得到：首先根据哈氏合金辊筒的长度、直径、耐蚀合金层厚度和展开尺寸，确定所需的哈氏合金板材的厚度、长度和宽度；然后采用等离子弧或激光进行切割下料、刨边、滚圆处理、筒体纵缝装配、点固焊后，再用变参数激光穿透焊方法焊接成筒体；随后对哈氏合金筒体进行整体固溶处理并消除焊接接头残余应力，以消除焊缝的树枝晶形貌，形成与母材相似的等轴晶γ相组织，提高焊接接头的组织均匀性；最后根据辊芯直径的尺寸精度，对筒体进行精密矫圆、镗床内圆精加工。

所述的导电辊通过以下方式制造得到：

第一步、确定所需的哈氏合金板材的厚度和尺寸规格，采用激光拼焊法将哈氏合金板材拼接成筒体所需的坯料；

所述的激光拼焊法是指：在平板对接的工装上采用激光穿透焊将二块尺寸规格小的板材拼接成所需尺寸的坯料，激光拼接采用I型坡口，采用刨边或铣削方法加工板材的对接侧面，采用琴键式压板压紧方式对焊接接头进行刚性固定以防止焊接变形，本案例激光功率11-13KW，焊接速度1-1.2m/min。

第二步、对坯料依次进行切割、刨边和滚圆处理制成柱形筒，再对柱形筒纵缝装配和点固焊处理，用变参数激光穿透焊方法将柱形筒焊接制成筒体；

所述的切割、刨边和滚圆处理是指：在筒体滚圆之前，采用刨边机或铣床的机械切削方法将坯料加工至筒体展开的尺寸精度，并将板材对接缝的端面预加工成坡口，在滚圆后的对接缝正好形成I型接头，最后采用三芯轧辊进行滚圆，滚圆过程中采用导引装置控制板材进入轧机的方向，即控制板材边线与轧辊轴线的垂直度和平行度，通过数字控制器精密控制板材进料速度和轧辊压力，轧制过程中使用模板不断地检测板材形状的变化，控制哈氏合金筒体成形过程和成形精度。

所述的点固焊处理是指：在焊接工装上采用6-8KW的激光功率以1m/min的速度对接缝进行装配焊接，焊点长度5-6mm。

所述的变参数激光透穿焊方法是指：本案例变参数激光透穿焊参数范围：激光功率11-13KW，焊接速度1-1.2m/min。

第三步、对筒体进行整体固溶处理以消除焊缝的树枝晶形貌，形成与母材相似的等轴晶γ相组织，提高焊接接头的组织均匀性，消除焊接接头残余应力，从而提高焊缝的耐腐蚀性能。

所述的固溶处理是指：将筒体在气氛炉中加热至1100℃-1130℃并保温50min-80min，然后急冷处理。

第四步、对筒体进行精密矫圆、镗床内圆精加工，再采用热套工艺将哈氏合金筒体与辊芯组装成导电辊。

本发明的技术优点在于：

1.传统导电辊采用在辊芯上包覆一层10mmm耐腐蚀合金，采用手工电弧焊或TIG电弧焊，必须开坡口，采用多层多道焊，加填充金属，焊接接头金属与耐腐蚀合金不完全相同(异化)，降低焊缝金属的耐腐蚀性；而本发明导电辊的耐蚀合金筒体和辊芯分别制造，哈氏合金筒体使用激光穿透焊接，不开坡口，不留间隙，也不加填充金属，单面焊双面成形。

2.传统导电辊制造采用在辊芯上包覆一层10mmm耐腐蚀合金，使用手工电弧焊或TIG电弧焊方法，采用多层多道焊，焊接接头和热影响区宽，HAZ晶粒粗大，使接头性能恶化；而本发明导电辊的耐蚀合金筒体和辊芯分别制造，哈氏合金筒体采用激光穿透焊接，焊缝宽度仅仅是手工电弧焊或TIG电弧焊焊缝的1/4-1/5；而热影响区宽度仅仅0.4-0.5mm。

3.传统导电辊制造采用在辊芯上包覆一层耐腐蚀合金，使用手工电弧焊或TIG电弧焊，焊缝背面成型不规则，焊接电流过小，造成根部未熔合，导致应力集中；而焊接电流过大，则可能导致包覆层与辊芯焊在一起，焊缝金属被稀释，耐蚀性下降；甚至形成马氏体组织，造成根部焊缝开裂，耐蚀性下降。而本发明导电辊的耐蚀合金筒体和辊芯分别制造，哈氏合金筒体采用激光穿透焊接，单面焊双面成形，筒体焊后经100％X光探伤，消除焊缝缺陷。

4.传统导电辊制造采用在辊芯上包覆一层耐腐蚀合金，使用手工电弧焊或TIG电弧焊，由于构件尺寸限制，未作固溶处理，焊缝金属保留柱状晶形貌，耐蚀性差。而本发明导电辊的耐蚀合金筒体和辊芯分别制造，哈氏合金筒体采用激光穿透焊接，筒体焊后采用固溶处理，形成与母材相似的等轴晶组织，焊缝的电极电位高于母材，提高了焊缝的耐蚀性性。

5.传统导电辊制造采用在辊芯上包覆一层耐腐蚀合金，采用手工电弧焊或TIG电弧焊方法，焊接接头和热影响区宽，由于辊芯刚性拘束，焊缝收缩变形时致使焊接接头形成很高的拉伸应力；诱导应力腐蚀开裂。而本发明导电辊的耐蚀合金筒体和辊芯分别制造，哈氏合金筒体采用激光穿透焊接，筒体焊后采用固溶处理，完全消除焊接残余应力。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例包括以下步骤：

第一步、确定所需的哈氏合金板材的厚度和尺寸规格，如果市售哈氏合金板材规格小于所需的尺寸，可采用激光拼焊法将市售的小规格的板材拼接成筒体所需的坯料；激光拼焊接头加工精度、接头装配间隙控制、激光焊接过程中焊缝分段参数控制与第二步中哈氏合金筒体纵接缝变参数激光焊接完全相同。所不同的是平板激光拼接在平板对接焊的夹具上进行接头装配焊接。平板拼接采用I型坡口，板材边缘加工平直度需满足下列加工精度±0.1mm，夹具水平推力应使对接接头紧密接触，接头装配间隙小于等于≤0.4mm，接缝总长度上间隙的波动小于0.2mm；接头装配错边量≤0.2mm；平板对接焊时采用螺栓(或气动)压紧装置(琴键式压板机构)，将对接缝可靠地紧固在一个气冷-铜衬垫上，以防止焊接过程中接头间隙变化和焊接变形。

第二步、依次对筒体坯料进行切割、刨边、开坡口和滚圆处理制成柱形筒，接着对柱形筒的纵缝进行装配和点固焊处理，再用变参数激光穿透焊方法焊接成筒体。为了获得一种均匀、连续无缺陷、细晶粒、低残余应力的焊缝，激光焊接关键工艺和控制参数有：

2.1)筒体纵缝的接头装配和接头间隙控制。激光束斑直径仅仅0.5mm，对接头间隙的变化非常敏感。哈氏合金筒体纵缝激光焊在一个的焊接工装夹具上进行，焊接时，筒体对接纵缝搁置在气冷铜衬垫上，Z向(径向)采用螺栓(或气动)压紧机构对焊接接头进行刚性固定，以防止筒体接头装配间隙变化、接缝偏移、轴向窜动和焊接变形。值得指出的是在筒体滚圆之前应将平板对接缝的边缘预加工成坡口，在滚圆后的对接缝正好形成I型坡口。筒体对接纵缝装配时水平推力难以施加，滚圆后采用扎箍对筒体接缝进行固定，防止筒体变形导致装配间隙变化，在采用激光点固焊道固定筒体接缝后才能拆除扎箍。接头装配控制精度：最大装配间隙要求小于0.4mm，间隙不均匀性小于0.2mm和径向错边量≤0.2mm，轴向错边不超过2mm。

2.2)焊接接头的清理。哈氏合金激光焊接的气孔敏感性大，易于形成氢气孔。在进行筒体纵缝焊接之前，严格清理接缝对接面和接缝二侧的工件(包括工装、铜衬垫、琴键式压板机构)，去除工件表面氧化物；采用酒精或丙酮清洗工件表面黏附的油脂、有机物；清洗后采用使用红外光或热风烘烤焊接接头，去除湿气。值得注意的是筒体滚圆后采用扎箍对筒体纵缝进行固定，此时难以对接头间隙中的对接端面进行清理，必须在安装扎箍固定之前进行接头清理，且防止在安装扎箍、点固焊、搬运、吊装、激光-焊缝对中过程中有灰尘、水和有机物进入接头间隙中，避免可能的油脂、汗水、手印二次污染。

2.3)激光-焊缝对中。激光焊接前采用红外光导引进行焊缝对中，至少在焊缝起点、中间点、终点三点进行对中调节，使整个纵缝上红外光束在接缝二侧上的光斑面积相等，保证激光光束与焊缝中心对中。值得指出的是，激光焊接不仅需要进行激光束-焊缝左右对中，对激光焊炬到工件的表面的距离变化也相当敏感，激光焊炬到工件的表面的距离的变化，即焦点在工件上的位置变化，从而导致焊缝熔深和形状的变化。

2.4)点固焊道。在工装夹具上进行筒体纵缝接头装配、使接缝间隙、接缝错边控制设定的范围内，随即进行接缝激光点固焊。点固焊的焊点的大小(长度3-5mm)和焊点分布(间距350-450mm，)，应保证点固焊道有足够的连接强度，在随后的激光穿透焊接过程中不致于发生开裂而失效，或由于热变形而造成焊接前方坡口间隙发生变化；同时应尽可能减小定位焊点对后续激光穿透焊焊道的成形带来不良影响。本案例点固焊激光功率6-8KW，焊接速度1m/min，Ar-He 20-30l/min，尺寸4-5mm。值得指出的是筒体纵缝激光穿透焊工艺与平板激光拼接焊工艺稍有不同。平板激光拼接焊时，在进行对接缝激光点固焊后立即进行连续激光穿透焊接；而筒体纵缝激光穿透焊在完成筒体纵缝激光点固焊后，先拆除紧固扎箍，再重新进行激光焊炬与接缝的对中、定位，才能进行连续的激光穿透焊接。

2.5)变参数激光穿透焊接。所谓变参数激光焊接是指在进行平板对接缝或筒体纵接缝连续激光焊接时，对焊接热输入进行分段控制。焊缝起始点，由于哈氏合金板温度低，导热快；激光器功率输出到稳定也需要一个过程，在激光焊接控制程序中焊缝起始段预置的激光功率比中间段焊缝激光功率略高一点，或者使起始段焊接速度比中间段的焊接速度略低一些；而在焊缝结束段由于材料的热积累、温度升高，在激光焊接控制程序中将预置的激光功率比中间段的激光功率略低一点，或者使结束段的焊接速度比中间段的焊接速度略高一些；以保证焊缝成形均匀一致。在进行连续激光焊接过程中，焊缝的起始段和结束段往往容易出现焊接缺陷，为了避免在筒体的焊缝中产生焊接缺陷，在对接缝的起始点和终点设置了引入板和引出板，引入板和引出板采用等厚度同质材料。本案例优化的工艺参数：束斑直径0.5mm，激光功率11-13KW，焊接速度1-1.2m/min，正面Ar-He气保护20-30l/min，焦点位置-1mm焊缝背面有气冷铜衬垫，背面氩气保护，流量控制在8-10L/min。

若平板对接缝或筒体纵接缝激光穿透焊接后，目测发现焊缝上表面下凹时，可采用LASER或填丝TIG焊进行表面修饰。若X光检验发现焊缝中有较大尺寸气孔，甚至出现不连续、未焊透等缺陷时，可采取填丝TIG焊局部返修，发现严重超标的缺陷，应切割掉焊缝，重新加工坡口、组装焊接。

所述的采用填丝TIG焊的焊缝是指采用C-22合金焊丝TIG焊接的焊缝。腐蚀电位测量表明：填丝TIG焊焊缝的腐蚀电位与母材相当或略低于母材腐蚀电位，而激光穿透焊焊缝的腐蚀电位要高于母材。两者腐蚀电位不同是由于激光焊由于冷却速度快，其组织主要为γ相，具有较高的腐蚀电位，填丝TIG焊在冷却过程中析出较多的富Mo相-σ相，使其腐蚀电位降低。硫酸铁-硫酸溶液中焊接接头整体腐蚀试验证明激光焊焊缝或经固溶处理的激光焊焊缝抗腐蚀能力优于母材金属。

第三步、对筒体进行整体固溶处理以消除焊缝的树枝晶形貌，形成与母材相似的等轴晶γ相组织，提高焊接接头的组织均匀性；消除焊接接头残余应力，从而提高焊缝的耐腐蚀性能。

所述的固溶处理具体包括以下步骤：

3.1)固溶处理工艺参数优化。对使用激光穿透焊接制备的几组试样采用不同工艺参数进行固溶处理，通过焊缝金相分析，电极电位测量分析和焊接接头抗腐蚀性能试验比较，确定最佳的激光焊缝固溶处理规范。本案例中哈氏合金激光焊缝固溶处理的工艺参数见表1中所示。冷却条件为大气环境和氮气保护，冷却方式为空冷和随炉冷却。

表1哈氏合金固溶处理规范

  试样编号  固溶处理温度  保温时间  保护/冷却方式  1  1000℃  60min  大气环境，空冷  2  1050℃  60min  大气环境，空冷  3  1100℃  60min  大气环境，空冷  4  1125℃  60min  大气环境，空冷  5  1125℃  70min  氮气保护，随炉冷却  6  1125℃  70min  大气环境，空冷

对使用不同规范参数的热处理的试样，进行了金相观察，发现经1000℃-1050℃×60min的固溶处理后，焊缝金属的仍然为柱状晶组织，可明显的观察到焊缝的熔合线；经过1100℃×60min固溶处理，焊缝中的局部区域柱状晶变成了等轴晶，仍可观察到焊缝的熔合线；而经过1125℃×60min固溶处理后，焊缝金属组织完全转变成等轴晶，熔合线已消失，但焊缝中局部区域还可发现柱状晶的痕迹。上述分析表明1125℃×60min的固溶处理规范刚好处于临界状态，焊缝局部区域残留柱状晶的痕迹。由此决定适当延长固溶处理时间。经1125℃×70min固溶处理后，焊缝柱状晶消失，形与母材组织相似的成细小的等轴晶。本案例最终确定的固溶处理规范参数是：1125℃×70min。

在空气中与氮气保护下冷却时固溶处理所得的焊缝金属组织，基本相同，但是随炉冷却的试样在晶间有更多的黑色析出相析出。其原因是由于随炉冷却速度较慢，试样处于黑色析出相形成的温度区间的时间要远大于空气中冷却的试样。

3.2)热处理规范控制。固溶处理的关键是炉温控制，升温速度宜慢，使筒体均匀加热；炉温升至1125℃，并在这一温度停留一段时间，以使筒体焊缝奥氏体化；保温时间与筒体的板厚、尺寸大小、筒体支撑架结构因数有关，保温时间不足，焊缝析出相不能完全溶解，奥氏体化不彻底；保温时间过长，奥氏体晶粒过分长大，则导致性能下降。

3.3)快速冷却。哈氏合金筒体在炉内加热至奥氏体化温度(1125℃)保温一段时间(70min)之后，将筒体吊出炉外在空气中迅速冷却，或者放在一个容器内充气冷却或喷水冷却。筒体温度从1125℃冷却至250℃以下，冷却速度控制2-3min。快速冷却目的：得到过饱和奥氏体固溶体稳定组织，防止相变和晶粒长大，提高焊缝抗腐蚀性能。固溶处理时冷却速度慢，合金在敏化温度区间停留时间过长，焊缝区域析出较多的富Mo/Cr相，导致焊缝的抗腐蚀能力下降。

3.4)变形控制。为了便于吊装筒体进出炉膛和防止筒体在加热过程中变形，哈氏合金筒体放置在一个支撑托架上，然后吊装到一个井式气氛炉中并垂直放置。

第四步、对哈氏合金筒体进行精密矫圆、镗床内圆精加工，再采用热套工艺将哈氏合金筒体与辊芯组装成导电辊。

所述的热套工艺是指在哈氏合金筒体固溶处理后，用三芯轧辊对筒体进行矫园，镗床对内孔进行精加工，在筒体的内径小于辊芯外直径条件下，通过将筒体整体加热至某一温度使其膨胀，在该温度下与辊芯进行组装，冷却以后筒体收缩，紧密裹腹在辊芯上。精确控制哈氏合金筒体冷却以后的残余应力大小也是控制筒体应力腐蚀速度的关键工艺因素之一。本案例中通过有限元数值模拟的方法对热套前的筒体内径与辊芯直径的差值(ΔΦ)进行了精确计算。哈氏合金筒体热套的工艺规范：加热温度300℃×2hr保温，在炉内进行垂直热套，筒体冷却后残余应力0.5σ_0.2。