本发明涉及一种复合(再)制造连铸辊用自保护药芯焊丝及工艺，属于焊接技术领域。
背景技术
连铸设备在我国的各大钢厂中已普遍被采用，连铸辊是连铸设备中的主要消耗部件，连铸辊包括结晶段、扇形段和水平段三部分，连铸辊处于高温钢坯和冷却水的双重作用，工况条件十分苛刻，在机械和热载荷作用下，连铸辊在使用过程中由于辊面会出现程度不同的网状裂纹、氧化腐蚀、磨损损伤等破坏，影响连铸机作业率、产品产量和质量、单位轧辊消耗及轧材成本。
堆焊既可用于修复连铸辊因服役而导致的失效部位，亦可用于强化连铸辊的表面，其目的都在于延长连铸辊的使用寿命，节约贵重材料，降低制造成本。目前，根据奥钢联、达涅利、德马克等标准，连铸辊堆焊工作层厚度为单边2～6mm，因此，一般采用的堆焊标准为“1+2”或“1+3”，即一层打底丝外加两至三层盖面丝。
目前连铸辊常用的焊接工艺多为埋弧焊、明弧焊，但是均生产效率不高，目前，采用单丝电弧焊时仅为5～6.5kg/h，堆焊一层单边厚度一般为2.0mm～2.5mm，因此需要的堆焊的时间较长，现场实践表明，堆焊时间越长，堆焊层数越多，越容易出现堆焊缺陷。特别是多层焊接时，上一层对下一层均产生一定厚度的热影响区，会对焊缝金属组织造成不利影响，严重损害连铸辊上机使用寿命。
堆焊轧辊，特别是连铸辊，采用提高单层焊缝金属的高度，使单边堆焊厚度一层能够达到目前2～5层(一层打底+两层盖面或者一层打底+三层盖面或其它组合)的焊层高度，且合金成分及硬度等性能能够满足(奥钢联、达涅利、德马克)技术要求的工艺设想一方面受限于焊接工艺的难以操作，焊接过程中易出现淌渣、过热、夹杂等缺陷，焊接工艺不易实施；另一方面对堆焊材料成分要求比较严格，因为堆焊合金材料合金含量过高时，堆焊厚度过高时易产生大量铁素体，使硬度下降；而堆焊合金材料合金含量过低时，由于稀释率的原因导致合金稀释过大，成分(特别是具母材1.5mm处)不足；两方面均导致力学性能变差。因此，采用提高单层焊缝金属的高度，使单边堆焊厚度一层能够达到目前堆焊2～5层(一层打底+两层盖面或者一层打底+三层盖面或者两层盖面及其它组合)的焊层高度，且合金成分及硬度等性能能够满足(奥钢联、达涅利、德马克)技术要求的工艺目前未见报道。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适合单层堆焊成型复合(再)制造轧辊的自保护药芯焊丝。
本发明的另一目的在于提供一种采用所述自保护药芯焊丝单层堆焊成型复合(再)制造连铸辊的工艺。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种复合(再)制造连铸辊用自保护药芯焊丝，该药芯焊丝按重量百分比计组成成分为：20～60％微碳铬铁；8～14％镍；1～6％钼；2～5％75硅铁；4～6％锰；0.5～2％的稀土氧化物；1～3％的钛铁；1～5％的铝镁合金；5～16％的金红石；0.5～2％的钾长石；0.5～2％的氧化铝+氧化镁；1～5％的萤石；0.2～3％的氟化钠；0～10％高氮铬铁；0～30％铬；0～2％硅钙合金；0～8％高碳铬铁；0～1.2％的石墨；0～25％铬粉；0～3％的钒铁+铌铁；0～2％的氟化钡；0～3％氟硅酸钠；0～3％氟化锂；0～1％碳酸锂；余量为铁粉。
本发明中的“复合(再)制造连铸辊”指的是复合制造与再制造连铸辊。本发明的药芯焊丝中的所述稀土氧化物为氧化铈。
其中，微碳铬铁中cr的含量为63％以上，c的含量为0.035％以下；硅铁中si的含量为74％以上；钛铁中ti的含量为20％以上；铝镁合金中a1的含量为48％以上，活性金属的总含量为97％以上；高氮铬铁中n的含量为8～9％，cr的含量为60～70％；高碳铬铁中cr的含量为63％以上，c的含量为8％以上；钒铁中v的含量为50～70％，铌铁中nb的含量为60～70％。
本发明自保护药芯焊丝，其所属药芯焊丝质量百分比如下：
钢带：钢带厚度(mm)×宽度(mm)为：0.6×14，0.5×14及相关带，配重比在30～40％之间；焊丝直径：φ2.4～φ3.2mm。
药芯焊丝的制作属于工业成熟技术，其原理是：购买药芯焊丝专用低碳钢薄钢带，用专用设备将薄钢带轧成半圆形状如u型等，将合金粉末加入形成焊芯，轧制封口，形成了很长很细的包有焊芯的金属管，然后经过轧制或冷拉拔，形成直径为φ2.4mm～φ3.2mm的药芯焊丝成品。
采用所述自保护药芯焊丝单层堆焊成型复合(再)制造轧辊的工艺，包括以下步骤：
(1)按图纸要求，将轧辊车削到堆焊前尺寸；
(2)焊前进行轧辊的检测，包括尺寸、母材成分、性能及内外缺陷的无损检测；
(3)根据母材、堆焊材料及堆焊方式、方法进行堆焊工艺评定后确定堆焊工艺，并按照堆焊工艺确定的工艺参数；
(4)进行单层堆焊一次成型，即单层堆焊后轧辊的单边堆焊厚度能够达到图纸规定堆焊厚度+1～2.5mm；
(5)根据图纸要求对焊后不同位置的成分、硬度及组织进行检测，同时对堆焊层进行探伤检测。
其中，堆焊方法可采用：丝极埋弧堆焊，适合单丝，双丝及多丝焊接等方法。
药芯焊丝的堆焊规范参数
一层堆焊，单边堆焊厚度为图纸要求尺寸+1～2.5mm，
电弧电压：25.0～31.0v；
焊接电流：270～450a；
送丝速度：2～4.5mm/min；
转速：100～220mm/min；
横移速度：0.20～0.35ipm；
焊丝伸长：22～28mm；
摆动宽度(设计)约为20～50mm，搭接量8～30mm；
摆动速度：2.0～4.0m/min；
焊道层间温度：100～200℃。
本发明的优点在于：
采用本发明的自保护药芯焊丝及其堆焊工艺，单层焊接焊缝高度高且其成分、组织及硬度能够满足奥钢联含氮丝的技术要求，同时采用自保护堆焊方式，工艺性能良好，高效且性价比高。具体优点如下：
1、本发明的自保护药芯焊丝根据各合金元素在焊接时的特性及氧化程度，经数次科学实验，最终优化出成分范围，一方面有效避免了合金成分过高，导致一层焊道工作层硬度不足，组织中铁素体过多(≥10％)的趋势；另一方面有效避免了合金成分过低，导致具母材1.5mm处合金材料成分不足的缺陷。
2、本发明的自保护药芯焊丝根据合金成分的含量，通过正交试验优化出矿物质、化合物等组分的含量，从而保证了在自保护焊接过程中成型优良，脱渣性能好，飞溅小，电弧稳定等良好的工艺性能，且焊道内部组织、硬度均匀，无夹渣，气孔等缺陷。
3、药芯焊丝单层焊接能够实现焊缝高度高且成分、组织及硬度满足奥钢联含氮丝(tsc4-tsno.03/94)工作层成分。
4、增大焊高单层堆焊成型，减少堆焊时间，提高生产效率。
5、自保护堆焊方式，工艺性能良好，且堆焊一层成型，减少了多层焊接上层对下层的产生的热影响区及焊接过程中清渣的困难。
6、增大焊高单层堆焊成型，减少了堆焊过程中的各类缺陷产生的概率，特别是夹渣、气孔等缺陷。
7、增大焊高单层堆焊成型，单边厚度在0～1mm之内由于材料稀释率较大，合金成分波动较大；但当堆焊单边厚度超过1.5mm后，堆焊材料合金成分及组织变化不大，因此堆焊单边厚度超过1.5mm后利于焊缝组织和性能均匀性的提高，利于提高轧辊的使用寿命。
8、采用本发明的焊丝堆焊时电弧稳定，飞溅小，焊道成型美观，脱渣容易，无气孔，浸润性好。
9、采用本发明的焊丝在工艺性能和机械性能良好的情况下，堆焊单边厚度能达到12mm。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明，但所列举的实施例并不用于限制本发明。
以下实施例中采用普通碳钢带h08a，厚度为0.5mm，宽度为14mm，填充率为35％。
实施例1
药芯成分为：560克微碳铬铁；128克镍；14克钼；30克75硅铁；46克锰；12克氧化铈；17克钛铁；10克铝镁合金；50克金红石；18克钾长石；1克氧化铝；4克氧化镁；46克萤石；10克氟化钠；6克氟化钡；30克氟硅酸钠；18克硅钙合金；共1000克粉。
实施例2
药芯成分为：404克微碳铬铁；60克铬粉；120克镍；12克钼；46克75硅铁；50克锰；20克氧化铈；10克钛铁；14克铝镁合金；90克金红石；6克钾长石；8克氧化铝；10克氧化镁；12克萤石；20克氟化钠；100克高氮铬铁；10克氟硅酸钠；6克氟化锂；2克碳酸锂；共1000克粉。
实施例3
药芯成分为：200克微碳铬铁；240克铬粉；112克镍；56克钼；26克75硅铁；44克锰；5克氧化铈；18克钛铁；10克铝镁合金；85克金红石；10克钾长石；10克氧化铝；4克氧化镁；16克萤石；30克氟化钠；80克高碳铬铁；16克钒铁；10克铌铁；26克氟化锂；2克碳酸锂。共1000克粉。
实施例4
药芯成分为：251克微碳铬铁；200克铬粉；80克镍；34克钼；30克75硅铁；40克锰；10克氧化铈；26克钛铁；46克铝镁合金；160克金红石；5克钾长石；6克氧化铝；2克氧化镁；10克萤石；2克氟化钠；40克高碳铬铁；10克石墨；12克钒铁；8克铌铁；18克氟化钡；10克碳酸锂。共1000克粉。
将上述实施例均制成直径为φ2.4mm的焊丝，进行连铸辊堆焊，工艺为：
以堆焊复合制造φ150mm连铸，母材为42crmo为例，图纸规定单边厚度为4mm，合金成分满足奥钢联(tsc4-tsno.03/94)。
采用堆焊复合制造工艺为：
1.1新的辊坯加工到φ142mm，并做相应的检测；
1.2分别利用实施例1～4的自保药芯焊丝施焊。
1.3施焊前，辊坯进电炉预热，要求预热温度150℃，预热升温速度＜100℃/hr。
1.4堆焊规范参数要求(参考)：
一层堆焊，单边堆焊厚度为6mm，即堆焊到φ154mm；
电弧电压：28.0v；
焊接电流：320a；
送丝速度：4mm/min；
转速：120mm/min；
横移速度：0.25ipm；
焊丝伸长：22mm；
焊嘴倾斜角度：向后5度；
摆动宽度(设计)约为30mm，搭接量15mm；
延时：压道的地方多延时约0.6秒，不压道的地方少延时约为0.4秒；
摆动速度：3m/min；
焊道层间温度：150℃。
1.5焊后缓冷
连铸辊在堆焊完成后，在静止空气中自然冷却至室温。
1.6焊后检测
冷却后，分别检测单边厚度在5.5～6.5mm之间，分别测量距离母材4mm和2.5mm处的成分及硬度，进一步测量1.5mm处的成分和硬度，合金元素成分的测量位置为：检测位置～检测位置+0.5mm的范围内取样(如距母材4mm的合金成分，取样位置为4mm～4.5mm之间)，c采用碳硫分析仪进行取样分析；n、si、mn、cr、ni、mo、v、nb等合金采用化学法测量其含量。采用hr-150a型里氏硬度计测量不同位置的硬度。
不同测量位置处的成分如表1所示。
表1焊缝不同位置合金成分质量百分比(wt％)
采用磁粉和超声波探伤表面和内部均无缺陷，均满足图纸要求。从表1可见：实施例1、2满足奥钢联(tsc4-tsno.03/94)标准；实施例3、4满足奥钢联(tsc4-tsno.02/93)标准。可见，本发明研制的连铸辊用自保护药芯焊丝能够一层堆焊成型，且成分和硬度均满足奥钢联的要求。