一种结晶器足辊表面堆焊工艺及工件装夹工装的制作方法

本发明涉及一种金属表面堆焊工艺及工装夹具，尤其是一种连铸机结晶器足辊表面堆焊工艺及工件装夹工装，属于焊接工艺技术领域。

背景技术：

结晶器是连续铸钢过程中铸坯成型设备的重要部件，被称之为连铸机设备的“心脏”，它的功能是将连续不断地注入内腔的高温钢水通过水冷铜壁强制冷却，导出其热量，使之逐渐凝固为具有所要求的断面形状和坯壳厚度的铸坯，并使这种芯部仍为液态的铸坯连续不断地从结晶器下口拉出，为其在以后的二冷区内完全凝固创造条件。足辊是结晶器中的重要组成部分，位于连铸机结晶器的下方，由于工作状态时铸坯温度在800℃以上，足辊的辊面会受到高温、挤压、磨损、气蚀等作用，因此对足辊辊面的硬度和强度提出了较高的要求。

堆焊是用电焊或气焊方法把金属熔化后堆在工件上的焊接工艺，堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于机械设备零件的制造和修复中。但是采用现有的堆焊工艺及工件装夹工装进行上述结晶器足辊生产时，因足辊的直径较小，轴向尺寸较长，以连续作业方式从头至尾实施堆焊操作，存在工件弯曲变形大、表面硬度不均匀、抗疲劳强度低等缺陷。

技术实现要素：

本发明提供一种结晶器足辊表面堆焊工艺及工件装夹工装，旨在通过对现有堆焊工艺及工件装夹工装的改进，达到减少工件弯曲变形、改善工件表面硬度均匀性、提高工件抗疲劳强度的目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种结晶器足辊表面堆焊工艺，以埋弧自动焊方法在工件表面实施堆焊作业，按下列步骤操作：

a、焊前加工：选用直径为d1的圆钢原料，进行车削加工，得到外径为d2，内径为d的套管工件，并在工件两端留出长度尺寸为l的导槽；

b、工件装夹：将工件两端装夹在堆焊设备的卡盘上；

c、过渡层分段堆焊：将工件分成a、b、c、d四段，采用过渡层专用焊丝从工件中间部位向两端堆焊，首先进行工件b、c段的堆焊操作，并用红外线测温仪进行温度测量，超出设定的层间温度范围时，停止此段堆焊，在工件b、c段堆焊完成后，按同样方法进行工件a、d段堆焊操作，由此完成过渡层的堆焊；

d、工件冷却：将完成过渡层堆焊的工件放入保温箱缓慢冷却至室温；

e、第一遍耐磨层堆焊：采用耐磨层专用焊丝，按照步骤c的顺序，完成第一遍耐磨层的堆焊；

f、第二遍耐磨层堆焊：重复步骤e，完成第二遍耐磨层的堆焊；

g、焊后热处理：将工件缓慢冷却至50℃以下，再进行焊后热处理，热处理温度为550±10℃，保温时间为10小时，此后按照图纸要求进入焊后加工过程。

上述结晶器足辊表面堆焊工艺，在步骤a中，圆钢原料的材质为42crmo，d1＝100mm，车削加工后，工件外径d2＝92mm，内径为d＝45mm，工件两端导槽长度l＝6mm。

上述结晶器足辊表面堆焊工艺，所述过渡层专用焊丝为0cr17焊丝；所述耐磨层专用焊丝为ni4焊丝，所述0cr17焊丝和ni4焊丝直径均为φ3.2mm。

上述结晶器足辊表面堆焊工艺，在步骤c中，设定的层间温度范围在150-250℃之间。

上述结晶器足辊表面堆焊工艺，焊接电流为250-350a，焊接电压为25-32v。

上述结晶器足辊表面堆焊工艺，焊接方式为单道螺旋焊，焊道搭接量为二分之一。

上述结晶器足辊表面堆焊工艺，在步骤g中，工件堆焊完成后以30-50℃/小时的速度冷却至50℃以下，然后以30-50℃/小时的速度升温至550±10℃，保温10小时后，缓慢冷却，其中由550±10℃降温至300℃过程中，降温速度为25-30℃/小时，由300℃降温至100℃过程中，降温速度为30-40℃/小时，最后自然冷却至室温。

一种结晶器足辊表面堆焊工件装夹工装，包括安装在堆焊设备上的卡盘和待焊足辊工件两端的顶尖；所述顶尖由夹持部、通风部和顶紧部组成，所述夹持部被卡盘的卡爪夹紧，所述顶紧部为圆锥体结构，所述通风部位于夹持部和顶紧部之间，在通风部设有一组沿圆周方向均匀布置的径向通孔和贯通顶紧部的轴向通孔，由轴向通孔、径向通孔组成顶尖通风结构。

上述结晶器足辊表面堆焊工件装夹工装，还包括焊剂刮板，所述焊剂刮板安装在堆焊设备的框架上。

本发明的有益效果是：

本发明所述的结晶器足辊表面堆焊工艺，采用埋弧自动焊方法进行一遍过渡层和两遍耐磨层堆焊，在每一层堆焊过程中均采用分段焊接方式，即由中间逐渐向两端实施堆焊过程，并用红外线测温仪进行温度测量，保证层间温度符合设定值要求，因此有效地解决了从头至尾堆焊过程中因工件连续处于高温状态导致的变形量过大问题。

本发明本发明所述的结晶器足辊表面堆焊工艺，将焊后热处理温度设定为550±10℃，保温时间设定为10小时，使焊后工件获得回火索氏体组织，由于回火索氏体在常温下是平衡组织，具有良好的综合性能，其硬度为hrc35-38，从而提高了工件表面硬度和抗疲劳强度。

本发明所述结晶器足辊表面堆焊工件装夹工装，在两端顶尖中设置了通风结构，即可通过顶尖通风结构将部分焊接热量散发出去，又可利用顶尖的弹性形变吸收工件受热膨胀能量，从而避免了工件的弯曲变形。

综上所述，本发明通过对现有堆焊工艺及工件装夹工装的改进，达到了减少工件弯曲变形、改善工件表面硬度均匀性、提高工件修复后抗疲劳强度的目的。

附图说明

图1是结晶器足辊工件焊前加工结构及尺寸参数示意图；

图2是本发明所述结晶器足辊表面堆焊工件装夹工装结构示意图；

图3是图2中m-m剖面结构示意图；

图4是工件装夹工装中顶尖剖面结构示意图；

图5是图4中n-n剖面结构示意图。

图6是焊后热处理工艺曲线图。

图中各标号清单为：1、工件，1-1、导槽，2、卡盘，3、顶尖，3-1、夹持部，3-2、通风部，3-3、顶紧部，3-4、径向通孔，3-5、轴向通孔，4、送丝机构，5、埋弧焊焊剂供给机构，6、埋弧焊焊剂，7、焊剂刮板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

参看图1、图2、图3，本发明所述的结晶器足辊表面堆焊工艺，采用埋弧自动焊方法在工件1表面实施堆焊作业，优选焊接电流为250-350a，焊接电压为25-32v，焊接方式为单道螺旋焊，焊道搭接量为二分之一，按下列步骤具体操作：

a、焊前加工：选用材质为42crmo、直径d1＝100mm的圆钢原料，进行车削加工，得到外径d2＝92mm，内径为d＝45mm的套管工件，并在工件1两端留出长度尺寸l＝6mm的导槽1-1；

b、工件装夹：将工件1两端装夹在堆焊设备的卡盘2上；

c、过渡层分段堆焊：将工件1分成a、b、c、d四段，采用直径为φ3.2mm的0cr17焊丝从工件1中间部位向两端堆焊，以堆焊设备的送丝机构4水平移动、卡盘2带动工件1旋转的方式首先进行工件b、c段的堆焊操作，在此过程中由埋弧焊焊剂供给机构5将埋弧焊焊剂6倾撒在焊道上，并用红外线测温仪进行温度测量，超出设定的150-250℃范围的层间温度时，停止此段堆焊，在工件b、c段堆焊完成后，按同样方法进行工件a、d段堆焊操作，由此完成过渡层的堆焊；

d、工件冷却：将完成过渡层堆焊的工件放入保温箱缓慢冷却至室温；

e、第一遍耐磨层堆焊：采用直径为φ3.2mm的ni4焊丝，按照步骤c的顺序，完成第一遍耐磨层的堆焊；

f、第二遍耐磨层堆焊：重复步骤e，完成第二遍耐磨层的堆焊；

g、焊后热处理：工件堆焊完成后以30-50℃/小时的速度冷却至50℃以下，然后以30-50℃/小时的速度升温至550±10℃，保温10小时后，缓慢冷却，其中由550±10℃降温至300℃过程中，降温速度为25-30℃/小时，由300℃降温至100℃过程中，降温速度为30-40℃/小时，最后自然冷却至室温，焊后热处理工艺曲线图6所示。

参看图2、图3、图4、图5，本发明所述的结晶器足辊表面堆焊工件装夹工装包括安装在堆焊设备上的卡盘2、待焊足辊工件两端的顶尖3和焊剂刮板7；所述顶尖3由夹持部3-1、通风部3-2和顶紧部3-3组成，所述夹持部3-1被卡盘2的卡爪夹紧，所述顶紧部3-3为圆锥体结构，所述通风部3-2位于夹持部3-1和顶紧部3-2之间，在通风部3-2设有一组沿圆周方向均匀布置的径向通孔3-4和贯通顶紧部3-3的轴向通孔3-5，由轴向通孔3-5、径向通孔3-4组成顶尖通风结构，工件堆焊过程中，通过该顶尖通风结构既可将部分焊接热量散发出去，又可利用顶尖的弹性形变吸收工件受热膨胀能量；所述焊剂刮板7安装在堆焊设备的框架上，用于去除粘附在焊道上的埋弧焊焊剂6。