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[摘 要]耐磨堆焊板焊接过程中有水冷和空冷两种方式，水冷设备使母材温度降低，大规范焊接使母材稀释率增大，虽获得了较高的熔敷速度和较小的焊后变形，但堆焊板的熔合区合金元素多，含碳量较高，在焊接骤冷后机械性能降低，造成堆焊层受冲击时产生局部脱落，进而影响耐磨板使用寿命。空冷设备堆焊板焊后变形较大，焊接熔敷速度稍低，但母材稀释率较低，熔合区合金元素较少，耐磨板的机械性能优于水冷堆焊设备耐磨板。
[关键词]耐磨板；稀释率；熔敷速度；机械性能；变形
中图分类号：TE863.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）04-0025-03
前言
在目前的水泥立磨及煤磨等行业，由于物料对设备的磨损程度和冲击力度很大，耐磨板也就属立磨设备中的消耗品，需定期进行更换。它的需求量很大，且价格昂贵。所以，耐磨板的使用寿命将很大程度上影响了立磨的运行维护成本。但影响耐磨板的寿命因素除了常规的磨损，还有局部的耐磨层脱落，这种非常规的耐磨层脱落现象进而影响到整块耐磨板的使用寿命。国内耐磨板生产过程使用最广泛的两种方式，一种为基板水冷，一种为基板空冷，本文将对基板的水冷和空冷这两种方式对耐磨板的机械性能的影响进行分析和论证。
一、耐磨板概念[1]
为了使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属而进行的焊接称为堆焊。为减轻焊件表面磨粒磨损、冲击、腐蚀、气蚀而采用的堆焊层方式的板成为耐磨板。图1所示为6+6耐磨板，母材为8mmQ235钢板，堆焊焊丝编号VC-100B，堆焊层厚度6mm，熔深1.5-2mm（见图1）。
二、耐磨板工艺要求[2]
堆焊耐磨板的特点在于它不是把两个分离的部件连接在一起，而仅仅是在焊件表面施焊一层耐磨、耐冲击等特性的熔敷金属，因此其工艺要求是：
1、防止堆焊层的裂纹及剥离？ 堆焊后的焊缝金属硬度大、塑性低，尤其当堆焊金属成分与基本金属成分相差比较大时，金属的线膨胀系数较大，从而引起相当大的内应力，使堆焊层金属在堆焊后的冷却过程中容易产生堆焊层裂纹及剥离（堆焊层金属从基体上剥落下来）。防止的主要办法是设法减小堆焊时的焊接应力，具体措施是：对焊件进行整体预热或合理的局部预热，或者用隔离层堆焊的办法，即先用塑性好、强度不高的普通焊条进行打底焊，使堆焊层与母材隔离开来。
2、防止堆焊层的硬度不符合要求？ 堆焊层的硬度依靠堆焊层的合金成分来获得，而合金成分来自焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）而不是母材。所以堆焊时，希望熔深浅、熔合比小，因此不宜采用大电流。由于母材对焊缝金属的稀释，所以堆焊第一层时硬度往往偏低，其余各层硬度逐渐提高，一般在第三层后硬度基本不再变化。
3、防止堆焊板材变形？ 对焊后变形要进行矫正，基本使用液压机或三辊式矫平机进行矫正。
三、冷却方式
目前国内耐磨板焊接过程中的冷却方式大致分为水冷和空冷两种。
1、水冷
耐磨板焊接过程中，为了提高生产效率，使用“大规范”（即大电流、大电压、快速焊）的焊接方式，所以基板温度往往过高，极易产生焊穿缺陷。为了使基板温度控制在一定范围，堆焊厂家对设备进行了改造，利用喷水装置（示意图2）进行降温，使耐磨板在焊接过程中保持一定的温度，不仅减小耐磨板焊后变形量，而且提升焊接速度，提升了生产效率。
2、空冷
耐磨板在焊接过程中，不采用特别的冷却仅利用空气对其进行冷却（示意图3）。因焊接热量散失较慢，焊接变形较大，焊接过程中使用压板对基板进行刚性固定，以减小焊接变形。支撑台内部水是对堆焊平台冷却以保护工作台不受热辐射影响而变形或损坏。
四、工艺对比
在用同一种焊丝焊接同一型号的耐磨板，水冷方式和空冷方式耐磨板焊机工艺参数差别较大。水冷堆焊设备因基板温度控制在一定范围，焊接参数设定在较高的范围，焊接速度较大，熔敷速度较高，焊后变形较小，产生横向裂纹细小；空冷堆焊设备因基板降温慢，焊接参数要比水冷稍低，焊接速度稍慢，熔敷速度稍低，焊后变形较大，产生横向裂纹较深。
两种方式所焊接同种规格耐磨板的焊接参数有明显差别：水冷设备焊接参数较大，俗称“大规范”焊接，空冷焊接参数相对要小，因此在生产效率上有差别；因使用同种焊丝，焊丝合金元素、含碳量较高，在焊接过程中层间温度的差异亦能很大程度影响焊后焊缝金属的显微组织，进而影响到耐磨板的机械性能。
五、焊后表面对比
经采用上述焊接工艺进行焊接6+6耐磨板，焊后校正平整后切割100*50mm试样进行外观对照，（如图4）（水冷堆焊设备，编号NM2012-001）、（见图5）（空冷堆焊设备，编号NM2012-002）：
对比两图片可以看出，水冷堆焊设备所焊接的试样表面有规则横向细裂纹两条；空冷堆焊设备所焊接的试样表面有不规则横向裂纹一条，深度较深。经分析，裂纹为矫正时卷压所致，空冷因焊后变形较大，矫正时对堆焊层拉伸度亦高，堆焊层硬度较高，塑性很差，所以空气冷却方式的堆焊板裂纹比水冷方式堆焊板裂纹较明显。根据堆焊耐磨板工艺要求，堆焊层的特点在于它不是把两个分离的部件连接在一起，而仅仅是在焊件表面施焊一层熔敷金属，所以焊缝的塑性与熔敷强度无关，裂纹的明显与否对熔敷强度影响不大[3]。
六、硬度对比
分别在两种耐磨板中取样80×80mm，进行硬度试验。表面打磨平整，分别取5点利用台式硬度仪进行硬度测量，通过在台式硬度仪上分别对试块进行硬度测量，得出（每块试样测量5个点，取平均值），图4耐磨板平均硬度为60.6HRC；图5耐磨板平均硬度为59.5HRC，具体数据见硬度检测报告表3。
根据硬度试验表对比可以看出，水冷堆焊设备耐磨板表面硬度要比空冷耐磨板硬度稍高，約1.1HRC，但都能满足产品硬度不低于58HRC的质量要求。 七、母材稀释率对比
在以基体为低碳钢的堆焊板中，堆焊层金属与母材金属之间的相变温度和膨胀系数会有差异，为了保证堆焊层的耐磨特性，就必须降低母材向焊缝的熔入量，即降低稀释率[4]，下面仍以6+6耐磨板（母材厚度8mm）为例，进行对比两种耐磨板稀释率，（如图6）（水冷设备耐磨板编号NM2012-001）、（如图7）（空冷设备耐磨板编号NM2012-003）所示：
根据测量数值计算出图6稀释率为29.2%，图7稀释率为24.3%.明显的对比出水冷堆焊板稀释率要比空冷大。熔合区金属组织与母材产生较大区别，使两者相变温度和线涨系数发生变化，所以熔合区越厚的耐磨板在焊后使用中越易产生裂纹或剥离，（如图8）在水冷设备耐磨板试块熔合区显微金相组织中像中所发现的裂纹。
八、弯曲试验
在两种耐磨板上分别切割1500mm×150mm（左为水冷，右为空冷），卷制均为直径500mm的圆环。卷制完成后，水冷设备堆焊出的耐磨板边缘有掉块现象（两处，30×25mm/25×20mm），但卷制后的耐磨板表面都有裂纹缺陷存在（水冷耐磨板为网状裂纹，空冷耐磨板为横向线型裂纹）。之后用榔头模拟物料冲击对耐磨层进行敲击，水冷耐磨板边缘仍有小的掉块现象存在，空冷耐磨板未发现脱落现象。
九、结论
参照焊接手册[5]，当焊缝金属的含碳量偏高或合金元素较多时，在快速冷却条件下，奥氏体过冷到Ms温度以下将发生马氏体转变，根据其含碳量不同，可形成不同的马氏体：当形成含碳量较低的马氏体时，焊缝具有较高的强度和韧性，抗裂能力强，金相组织为针状马氏体（如图9）空冷耐磨板熔合区金相显微组织）；但当形成含碳量较高的马氏体时，将会出现片状马氏体组织，又称高碳马氏体组织（如图10）水冷设备耐磨板熔合区金相显微组织）其硬度高而脆，很容易产生焊缝冷裂纹，是焊缝中应予避免的组织。
根据以上对两种焊设备所焊同种规格耐磨板的焊接工艺、焊后表面、硬度、稀释率、弯曲试验以及金相显微组织对比結果，可以得出：水冷堆焊设备使用的焊接参数较大，焊接效率较高，硬度也比空冷稍好；但从机械性能来看，空冷堆焊设备所焊出的耐磨板熔敷强度要优于水冷堆焊板。水冷堆焊板焊接应力较大，熔合区内部存在高碳马氏体，有裂纹和杂质倾向，堆焊层易产生脱落，使堆焊板使用寿命降低。
参考文献
[1] 刘云龙.焊工技师手册[M].北京：机械工业出版社，1998.
[2] 董祖玉，等.国内外堆焊发展现状[C].第8次全国焊接论文集，1997，1-157.
[3] 王新洪.金属材料堆焊[M].北京：机械工业出版社，2007.
[4] 斯重遥.焊接金相图谱[M].北京：机械工业出版社，1987.
[5] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第2卷[M].北京：机械工业出版社，2007.
[关键词]耐磨板；稀释率；熔敷速度；机械性能；变形
中图分类号：TE863.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）04-0025-03
前言
在目前的水泥立磨及煤磨等行业，由于物料对设备的磨损程度和冲击力度很大，耐磨板也就属立磨设备中的消耗品，需定期进行更换。它的需求量很大，且价格昂贵。所以，耐磨板的使用寿命将很大程度上影响了立磨的运行维护成本。但影响耐磨板的寿命因素除了常规的磨损，还有局部的耐磨层脱落，这种非常规的耐磨层脱落现象进而影响到整块耐磨板的使用寿命。国内耐磨板生产过程使用最广泛的两种方式，一种为基板水冷，一种为基板空冷，本文将对基板的水冷和空冷这两种方式对耐磨板的机械性能的影响进行分析和论证。
一、耐磨板概念[1]
为了使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属而进行的焊接称为堆焊。为减轻焊件表面磨粒磨损、冲击、腐蚀、气蚀而采用的堆焊层方式的板成为耐磨板。图1所示为6+6耐磨板，母材为8mmQ235钢板，堆焊焊丝编号VC-100B，堆焊层厚度6mm，熔深1.5-2mm（见图1）。
二、耐磨板工艺要求[2]
堆焊耐磨板的特点在于它不是把两个分离的部件连接在一起，而仅仅是在焊件表面施焊一层耐磨、耐冲击等特性的熔敷金属，因此其工艺要求是：
1、防止堆焊层的裂纹及剥离？ 堆焊后的焊缝金属硬度大、塑性低，尤其当堆焊金属成分与基本金属成分相差比较大时，金属的线膨胀系数较大，从而引起相当大的内应力，使堆焊层金属在堆焊后的冷却过程中容易产生堆焊层裂纹及剥离（堆焊层金属从基体上剥落下来）。防止的主要办法是设法减小堆焊时的焊接应力，具体措施是：对焊件进行整体预热或合理的局部预热，或者用隔离层堆焊的办法，即先用塑性好、强度不高的普通焊条进行打底焊，使堆焊层与母材隔离开来。
2、防止堆焊层的硬度不符合要求？ 堆焊层的硬度依靠堆焊层的合金成分来获得，而合金成分来自焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）而不是母材。所以堆焊时，希望熔深浅、熔合比小，因此不宜采用大电流。由于母材对焊缝金属的稀释，所以堆焊第一层时硬度往往偏低，其余各层硬度逐渐提高，一般在第三层后硬度基本不再变化。
3、防止堆焊板材变形？ 对焊后变形要进行矫正，基本使用液压机或三辊式矫平机进行矫正。
三、冷却方式
目前国内耐磨板焊接过程中的冷却方式大致分为水冷和空冷两种。
1、水冷
耐磨板焊接过程中，为了提高生产效率，使用“大规范”（即大电流、大电压、快速焊）的焊接方式，所以基板温度往往过高，极易产生焊穿缺陷。为了使基板温度控制在一定范围，堆焊厂家对设备进行了改造，利用喷水装置（示意图2）进行降温，使耐磨板在焊接过程中保持一定的温度，不仅减小耐磨板焊后变形量，而且提升焊接速度，提升了生产效率。
2、空冷
耐磨板在焊接过程中，不采用特别的冷却仅利用空气对其进行冷却（示意图3）。因焊接热量散失较慢，焊接变形较大，焊接过程中使用压板对基板进行刚性固定，以减小焊接变形。支撑台内部水是对堆焊平台冷却以保护工作台不受热辐射影响而变形或损坏。
四、工艺对比
在用同一种焊丝焊接同一型号的耐磨板，水冷方式和空冷方式耐磨板焊机工艺参数差别较大。水冷堆焊设备因基板温度控制在一定范围，焊接参数设定在较高的范围，焊接速度较大，熔敷速度较高，焊后变形较小，产生横向裂纹细小；空冷堆焊设备因基板降温慢，焊接参数要比水冷稍低，焊接速度稍慢，熔敷速度稍低，焊后变形较大，产生横向裂纹较深。
两种方式所焊接同种规格耐磨板的焊接参数有明显差别：水冷设备焊接参数较大，俗称“大规范”焊接，空冷焊接参数相对要小，因此在生产效率上有差别；因使用同种焊丝，焊丝合金元素、含碳量较高，在焊接过程中层间温度的差异亦能很大程度影响焊后焊缝金属的显微组织，进而影响到耐磨板的机械性能。
五、焊后表面对比
经采用上述焊接工艺进行焊接6+6耐磨板，焊后校正平整后切割100*50mm试样进行外观对照，（如图4）（水冷堆焊设备，编号NM2012-001）、（见图5）（空冷堆焊设备，编号NM2012-002）：
对比两图片可以看出，水冷堆焊设备所焊接的试样表面有规则横向细裂纹两条；空冷堆焊设备所焊接的试样表面有不规则横向裂纹一条，深度较深。经分析，裂纹为矫正时卷压所致，空冷因焊后变形较大，矫正时对堆焊层拉伸度亦高，堆焊层硬度较高，塑性很差，所以空气冷却方式的堆焊板裂纹比水冷方式堆焊板裂纹较明显。根据堆焊耐磨板工艺要求，堆焊层的特点在于它不是把两个分离的部件连接在一起，而仅仅是在焊件表面施焊一层熔敷金属，所以焊缝的塑性与熔敷强度无关，裂纹的明显与否对熔敷强度影响不大[3]。
六、硬度对比
分别在两种耐磨板中取样80×80mm，进行硬度试验。表面打磨平整，分别取5点利用台式硬度仪进行硬度测量，通过在台式硬度仪上分别对试块进行硬度测量，得出（每块试样测量5个点，取平均值），图4耐磨板平均硬度为60.6HRC；图5耐磨板平均硬度为59.5HRC，具体数据见硬度检测报告表3。
根据硬度试验表对比可以看出，水冷堆焊设备耐磨板表面硬度要比空冷耐磨板硬度稍高，約1.1HRC，但都能满足产品硬度不低于58HRC的质量要求。 七、母材稀释率对比
在以基体为低碳钢的堆焊板中，堆焊层金属与母材金属之间的相变温度和膨胀系数会有差异，为了保证堆焊层的耐磨特性，就必须降低母材向焊缝的熔入量，即降低稀释率[4]，下面仍以6+6耐磨板（母材厚度8mm）为例，进行对比两种耐磨板稀释率，（如图6）（水冷设备耐磨板编号NM2012-001）、（如图7）（空冷设备耐磨板编号NM2012-003）所示：
根据测量数值计算出图6稀释率为29.2%，图7稀释率为24.3%.明显的对比出水冷堆焊板稀释率要比空冷大。熔合区金属组织与母材产生较大区别，使两者相变温度和线涨系数发生变化，所以熔合区越厚的耐磨板在焊后使用中越易产生裂纹或剥离，（如图8）在水冷设备耐磨板试块熔合区显微金相组织中像中所发现的裂纹。
八、弯曲试验
在两种耐磨板上分别切割1500mm×150mm（左为水冷，右为空冷），卷制均为直径500mm的圆环。卷制完成后，水冷设备堆焊出的耐磨板边缘有掉块现象（两处，30×25mm/25×20mm），但卷制后的耐磨板表面都有裂纹缺陷存在（水冷耐磨板为网状裂纹，空冷耐磨板为横向线型裂纹）。之后用榔头模拟物料冲击对耐磨层进行敲击，水冷耐磨板边缘仍有小的掉块现象存在，空冷耐磨板未发现脱落现象。
九、结论
参照焊接手册[5]，当焊缝金属的含碳量偏高或合金元素较多时，在快速冷却条件下，奥氏体过冷到Ms温度以下将发生马氏体转变，根据其含碳量不同，可形成不同的马氏体：当形成含碳量较低的马氏体时，焊缝具有较高的强度和韧性，抗裂能力强，金相组织为针状马氏体（如图9）空冷耐磨板熔合区金相显微组织）；但当形成含碳量较高的马氏体时，将会出现片状马氏体组织，又称高碳马氏体组织（如图10）水冷设备耐磨板熔合区金相显微组织）其硬度高而脆，很容易产生焊缝冷裂纹，是焊缝中应予避免的组织。
根据以上对两种焊设备所焊同种规格耐磨板的焊接工艺、焊后表面、硬度、稀释率、弯曲试验以及金相显微组织对比結果，可以得出：水冷堆焊设备使用的焊接参数较大，焊接效率较高，硬度也比空冷稍好；但从机械性能来看，空冷堆焊设备所焊出的耐磨板熔敷强度要优于水冷堆焊板。水冷堆焊板焊接应力较大，熔合区内部存在高碳马氏体，有裂纹和杂质倾向，堆焊层易产生脱落，使堆焊板使用寿命降低。
参考文献
[1] 刘云龙.焊工技师手册[M].北京：机械工业出版社，1998.
[2] 董祖玉，等.国内外堆焊发展现状[C].第8次全国焊接论文集，1997，1-157.
[3] 王新洪.金属材料堆焊[M].北京：机械工业出版社，2007.
[4] 斯重遥.焊接金相图谱[M].北京：机械工业出版社，1987.
[5] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第2卷[M].北京：机械工业出版社，2007.