CN102409337B - 制造耐磨复合钢板的等离子熔敷方法及自动熔敷设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造耐磨复合钢板的等离子熔敷方法和自动熔敷设备，采用四枪等离子自动熔敷方法，选用厚度为3～15mm耐磨合金粉末块状材料平铺在基体钢板上面，基体钢板置于厚度为80-120mm的铸铁熔敷台上，通过压板夹具将基体钢板四周与铸铁熔敷台固定，通过限位销钉将基体钢板中部与铸铁熔敷台固定，利用枪嘴孔径比为(0.75-0.85)∶1的高能束等离子弧作为熔敷热源，四枪同步自动熔敷耐磨合金粉末块状材料，使其与基体钢板产生冶金结合。本发明方法和设备制造成本低、生产效率高并且能制造大面积的耐磨复合钢板，得到的耐磨复合钢板具有熔合区窄、变形小、产品质量好的特点。

Description

制造耐磨复合钢板的等离子熔敷方法及自动熔敷设备

技术领域

本发明涉及一种耐磨复合钢板的制造方法及制造设备，特别是涉及一种制造耐磨复合钢板的等离子熔敷方法及等离子自动熔敷设备。

背景技术

机械工业每年有一半的钢材用于制造备件，而80％的机械零部件的失效是由磨损造成的。在矿山、冶金、水泥、煤炭、电力、石油化工、交通运输、机械制造等行业中，大部分生产设备在使用过程中，由于零部件的严重磨损，导致关键零部件或整套设备，甚至整条生产线不能正常运行，需要经常停产更换部件或进行维修，直接影响正常生产秩序，从而给企业带来很大的经济损失，因此解决磨损使用寿命及关键零部件循环使用的问题显得至关重要。耐磨复合钢板就是耐磨材料领域中的一种具有很高使用价值的耐磨产品，可整体使用，也可切割或加工成部件使用，对提高设备的使用寿命和安全运行，不仅能产生巨大的经济价值，而且具有可节省资源和能源的重大社会效益。

目前耐磨钢板从结构形式分为两大类，一类为整体铸造耐磨板，优点是整体组织均匀性能一致，但对铸造面积大的耐磨板，硬度过高时，由于脆性大，在使用过程中容易碎裂，所以通常硬度偏低，而且耐磨性和焊接性差；另一类为耐磨复合钢板，有人也称双金属耐磨板，是由耐磨层和基体钢板复合制成，由于耐磨层能制造很高的硬度，基体钢板具有高的强度和韧性，所以耐磨复合钢板具有抗冲击和耐磨性好、焊接加工性好、耐磨层成分及性能易于控制的显著特点，已成为耐磨钢铁材料中应用最为广泛的佼佼者。

现有的耐磨复合钢板制造方法有复合铸造、自蔓延合成、激光熔覆、喷涂、喷焊、等离子粉末堆焊、电焊条手工堆焊、粉末块碳弧手工堆焊、丝(板)材自动电弧堆焊的方法，这些方法用于耐磨复合钢板的制造，都显现出各自的优点，但也存在一定的缺点和不足。其中，复合铸造、电焊条手工堆焊、粉末块碳弧手工堆焊、自蔓延合成、喷焊的方法，只限于制造小面积的耐磨复合板和小体积的耐磨复合部件。激光熔覆、喷涂的方法，只限于制造＜2mm薄耐磨层的复合钢板。

目前，制造面积大的耐磨复合钢板应用最多的是药芯丝材电弧自动堆焊方法，其特点是采用丝材自动电弧堆焊设备，选用耐磨药芯焊丝，在基体钢板上面堆焊一定厚度的耐磨层材料，与基体钢板形成冶金结合的耐磨复合钢板。这种方法是一种比较成熟的老工艺，优点是自动化作业，通常选用Φ2.8mm直径的焊丝堆焊，生产效率高。缺点是由于大电流堆焊，熔深大，稀释率高，导致耐磨层表层与底层的硬度相差较大，降低了复合层的厚度耐磨性；由于熔深大，熔合区宽，制造大面积耐磨复合钢板时变形大；由于药芯焊丝中加入的耐磨成分添加比例有限，对进一步提高堆焊层的硬度受到限制；由于丝材堆焊工艺本身决定了每堆焊一层耐磨层的厚度不能过厚，所以堆焊厚耐磨层时需要多层堆焊；堆焊层表面存在明显的焊接波纹，会加大磨损阻力，降低耐磨寿命。近几年，国外公司采用等离子粉末堆焊的方法制造大面积耐磨复合钢板，其特征是采用等离子粉末自动堆焊设备，选用自熔性耐磨合金粉末，在基体钢板上面堆焊一定厚度的耐磨层材料，与基体钢板形成冶金结合的耐磨复合钢板。这种方法也是一种比较成熟的老工艺，优点是自动化作业，由于所用材料是自熔性合金粉末，所以制造的耐磨复合钢板质量比丝材堆焊的产品质量好，缺点是堆焊效率低，材料价格高，粉末材料需要送粉装置***，而且在堆焊过程中容易吹撒浪费。另外一种方法是众所周知的粉末块碳弧手工堆焊，特征是选用合金粉末块耐磨材料，采用手工操作的碳弧熔化堆焊方法，在基体钢板上堆焊一层耐磨合金。由于合金粉末块堆焊材料比堆焊焊条配制简易，成分容易调整，堆焊操作简单方便，经济实用，所以是修复耐磨产品最常用的一种方法，但堆焊层表面质量差，不能实现自动化作业，劳动强度大，所以不适宜大面积耐磨复合钢板的堆焊。

堆焊大面积耐磨复合钢板的变形问题，一直困扰着本行业的发展，由于在堆焊过程中的严重变形，导致很多先进的堆焊技术不能实施自动化作业，对此，人们采用了各种方法试途控制变形，但比较有效的方法不多。采用压板夹具控制变形是一种应用最多的方法，这种方法在堆焊大面积耐磨复合钢板时，只能用压板夹具压紧钢板四周边缘，中间部位仍然变形，如果中间再加压板夹具，会阻碍自动堆焊行走，所以不可取。目前人们采用水冷的方法控制变形，一种方式是在堆焊钢板的背面直接喷撒冷却水，从而起到减少基体钢板的热输入量和加速冷却速度来控制变形，这种方式的缺点和不足是产生大量的水雾，影响自动堆焊设备的使用寿命和安全工作环境。另一种方式是采用水冷管道紧贴堆焊钢板背面来散热和冷却，虽然克服了上述的缺点，但众所周知，水冷需要增加水冷装置***，增加了设备成本，水冷会带走部分堆焊热量，浪费了热能，水冷会加速冷却速度，影响熔池充分的冶金反应和焊缝表面的成形，这是采用水冷控制变形显现的缺点和不足。还有一种方法是采用圆筒结构方式堆焊，工序是：将基体钢板卷成圆筒形，将接口点焊牢固，再将圆筒滚圆，装置在堆焊设备上转动，圆筒上方(正面)有丝材堆焊枪进行自动堆焊，背面喷水冷却，堆焊后将带有耐磨层的圆筒卸下，将接口焊缝割开，用平板机校平。该工艺堆焊后的耐磨复合钢板变性很大，需要多次反复校平，在校平过程中耐磨层容易开裂掉块，而且由于该工艺的局限性，目前只适用丝材自动堆焊，基体钢板厚度限于10～14mm，适宜堆焊一次(一层)耐磨层。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种制造成本低、生产效率高并且能制造大面积钢板，得到的复合钢板耐磨性高、产品质量好的耐磨复合钢板的制造方法及等离子自动熔敷设备。

本发明一种制造耐磨复合钢板的等离子熔敷方法，采用四枪等离子自动熔敷方法，选用厚度为3～15mm耐磨合金粉末块状材料平铺在基体钢板上面，基体钢板置于厚度为80-120mm的铸铁熔敷台上，通过压板夹具将基体钢板四周与铸铁熔敷台固定，通过限位销钉将基体钢板中部与铸铁熔敷台固定，利用枪嘴孔径比为(0.75-0.85)∶1，优选0.8∶1的高能束等离子弧作为熔敷热源，四枪同步自动熔敷耐磨合金粉末块状材料，使其与基体钢板产生冶金结合。

本发明一种制造耐磨复合钢板的等离子熔敷方法，其中所述耐磨合金粉末块状材料为本领域常用的耐磨合金粉末块材料，优选高铬铸铁型微渣耐磨合金粉末块状材料或高铬镍碳化钨型微渣耐磨合金粉末块状材料，市场有售。

本发明上述方法得到的耐磨复合钢板，包括基体钢板、耐磨层和熔合区，其中熔合区的厚度≤1.5mm，所述耐磨复合钢板的变形不平整度＜5mm/m²。

本发明一种制造耐磨复合钢板的自动熔敷设备，包括耐磨复合钢板熔敷台***、等离子电源熔敷***、等离子熔敷枪运行***和控制***，所述自动熔敷设备为四枪等离子自动熔敷设备，所述耐磨复合钢板熔敷台***包括耐磨复合钢板熔敷台和压板夹具，耐磨复合钢板熔敷台的厚度为80-120mm，上面设有均匀分布的限位销孔，压板夹具用螺栓固定于耐磨复合钢板熔敷台的四周，固定压紧基体钢板的四边，所述等离子电源熔敷***中等离子熔敷枪的枪嘴孔径比为(0.75-0.85)∶1，优选0.8∶1，所述孔径比为枪嘴通道长度和枪嘴孔直径之比，此为本领域专业术语。

本发明一种制造耐磨复合钢板的自动熔敷设备，其中所述等离子熔敷枪的钨极直径为4～8mm，转移弧电流为0～500A，非转移弧电流为0～250A，等离子电压30～70V。

本发明一种制造耐磨复合钢板的自动熔敷设备，其中所述限位销孔的直径为8-12mm，销孔之间的距离为450-550mm，优选500mm。

本发明采用厚度为100mm的大厚度铸铁熔敷台(铸铁不易变形)，附加四周压板夹具固定，中部销钉限位的方式，有效地解决了熔敷过程中凸凹变形的问题，同时克服了上述的缺点和不足，大厚度熔敷台上布有分布均匀的销孔，基体钢板上钻有对应直径大小的通孔，将基体钢板放置在熔敷台上，在通孔内插销钉贯穿熔敷台销孔，销钉允许外露基体钢板表面0～3mm，在基体钢板四周用压板夹具固定紧，将耐磨合金粉末块状材料平铺在基体钢板上面，然后开机自动熔敷完成，将卸下的耐磨复合钢板上的销钉割平，显现的效果是：在熔敷过程中钢板无凸凹变形的现象，从熔敷台上卸下的耐磨复合钢板变形不平整度＜5mm/m²，通过千斤顶能将钢板不平的部位校平。针对上述结果通过分析认为：大厚度熔敷台能吸收并储存部分熔敷热量，而储存的热量又能传递到熔敷钢板上，使熔敷钢板的温度分布进一步均匀化，利于减小变形，利于熔池充分冶金反应，利于焊缝表面成形，利于提高熔敷速度。压板夹具和销钉能起到牵制熔敷过程中钢板的热胀和收缩的作用，众所周知，钢板受热便会产生膨胀，在一道挨着一道的熔敷过程中，膨胀量积累到一定程度会导致钢板胀起，随后在不均匀的冷却过程中钢板收缩，随之产生不规则的变形。理论上讲，钢板上面的熔覆层从液态到凝固，收缩量大于基体钢板，自然状态下钢板应向下凹的变形，但由于基体钢板下面有熔敷台支撑和四周压板夹具的强制固紧，随着收缩应力的集中，钢板朝中心部位收缩，当收缩应力积累到一定程度后导致钢板向上凸起的严重变形，不过这些变形都需要一个变形能量和变形数量积累的过程，只要积累量低于钢板本身的变形强度，钢板是不会产生变形的。本发明采用压板夹具和销钉能有效地起到一个牵制和分散膨胀收缩的积累，压板夹具能解决钢板四周翘起的变形问题，同时还能在一定程度上强制钢板向里收缩和向外膨胀的作用。销钉能有效地牵制钢板向外膨胀和向里收缩的位移，也就是说，钢板允许在销钉限制的小面积范围内自由膨胀和收缩，一旦超过该范围，销钉就能起到阻碍钢板进一步膨胀和收缩的位移量，那么膨胀和收缩的总量被均匀地分割开来，熔敷后的耐磨复合钢板的应力也得到了分散而没有集中，所以每个部位的应力就显得很小，很难导致钢板的变形。另外采用四枪等离子熔敷设备，熔敷的方式是按熔敷钢板的宽度方向(横向)，将等离子熔敷枪按四分之一的等分距离设置各自的起焊位置，然后向钢板长度方向(纵向)同步进行熔敷，也就是说，每个等离子熔敷枪各自熔敷四分之一独立面积的耐磨合金粉末块状材料，这和手工分段焊来减小应力集中的原理相似，能将四个等离子熔敷枪同时输入钢板的热量分散开来，避免热量过分集中，从而对减少熔敷变形也能起到一定的作用。所以，采用大厚度熔敷台、四周压板夹具、销孔限位的方式，巧妙地控制了熔敷过程中耐磨复合钢板凸凹变形的难题，同时有效地解决了电弧热输入量浪费的问题，也减轻了耐磨复合钢板校平的难度，这一创新点有利于开拓其它先进堆焊工艺实现大面积复合钢板的制造。

本发明选用耐磨合金粉末块状材料作复合钢板的复合耐磨层材料，理由是：合金粉末块状耐磨材料已成功地用于手工碳弧堆焊来修复磨损部件，已体现出使用方便，耐磨性好、成本低的显现特点，与丝材和自熔性粉末材料相比，配制容易，生产工艺简单，而且不需要送丝、送粉装置***，能满足本发明自动熔敷工艺的要求。该耐磨合金粉末块状材料为本领域已知常规材料，优选FeO5耐磨合金粉块材料，市场有售。

本发明的等离子熔敷方法比碳弧堆焊的温度高，能充分熔化合金材料，同时氩气能起到保护熔池冶金反应的作用，采用FeO5耐磨合金粉块材料熔敷制造的耐磨复合钢板，明显的效果是比碳弧手工堆焊的内在质量和外观质量效果都好，通过煤炭磨损对比使用，使用寿命高0.4倍。

本发明一种制造耐磨复合钢板的等离子熔敷方法及自动熔敷设备，采用四枪等离子自动熔敷方法，利用高能束等离子弧作熔敷热源，采用大厚度耐磨复合钢板熔敷台，基体钢板四周用压板夹具固定，中部用销钉限位的方式，选用耐磨合金粉末块状材料作耐磨复合层材料，在基体钢板上面自动熔敷合金粉末块状材料，与基体钢板形成冶金结合的耐磨复合钢板产品，有效地解决了熔敷过程中耐磨复合钢板变形的问题，实现制造成本低、生产效率高、熔敷质量好的有益效果。

附图说明

图1是本发明耐磨复合钢板结构示意图；

图2是本发明四枪等离子自动熔敷设备结构示意图；

图3是等离子熔敷枪升降运行轨迹示意图；

图4是等离子熔敷枪熔敷运行轨迹示意图；

图5是熔敷焊道形式示意图；

图6是耐磨复合钢板耐磨层组织形貌扫描电镜图片。

附图标记说明：1-耐磨复合钢板熔敷台***；2-等离子电源熔敷***；3-等离子熔敷枪运行***；4-控制***；5-基体钢板；6-熔合区；7-耐磨层；8-耐磨合金粉末块状材料；11-耐磨复合钢板熔敷台；12-压板夹具；13-耐磨复合钢板熔敷台行走机构；14-限位销孔；15-销钉；16-通孔；21-等离子电源；22-等离子熔敷枪；23-供气***；24-水冷***；31-等离子熔敷枪升降装置；32-等离子熔敷枪横向移动装置；33-等离子熔敷枪横向行走装置；34-等离子熔敷枪纵向行走装置；41-设置显示屏；42-执行开关；43-手动参数调节钮；51-熔敷的第一条焊道；52-熔敷的第下一条焊道；53-熔敷起始位置；B-移动宽度；L-移动长度；X-等离子熔敷枪横向移动方向；Y-等离子熔敷枪纵向移动方向；H-手动调节离子熔敷枪高度位置的距离；H1-等离子熔敷弧长位置的调节距离；H2-等离子引弧的调节距离；H3-等离子熔敷枪停枪位置的调节距离。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图2-5所示，本发明四枪等离子自动熔敷设备，用于制造面积为2000mm×3000mm的耐磨复合钢板产品，该设备由耐磨复合钢板熔敷台***1、等离子电源熔敷***2、等离子熔敷枪运行***3和控制***4组成。

(1)耐磨复合钢板熔敷台***1，由耐磨复合钢板熔敷台11，压板夹具12，耐磨复合钢板熔敷台行走机构13组成。耐磨复合钢板熔敷台11用于放置、固定基体钢板5，耐磨复合钢板熔敷台11厚度80-120mm，优选100mm，长度3400mm，宽度2600mm，耐磨复合钢板熔敷台11上面有均匀分布的限位销孔14，销孔直径Φ11mm，孔深50mm，销孔14之间分布的间隔距离500mm，销孔14用于限制耐磨复合钢板熔敷过程中的变形。压板夹具12用于固定和压紧基体钢板5的四边，来控制耐磨复合钢板熔敷过程中的变形。耐磨复合钢板熔敷台行走机构13用于拖动耐磨复合钢板熔敷台11朝纵向方向(设备长度方向)行走。

(2)等离子电源熔敷***2，由四台等离子电源21，四个等离子熔敷枪22，供气***23，水冷***24组成。等离子电源21是联合弧的电源类型，用于为等离子熔敷枪22产生等离子弧提供电能，能提供转移弧和非转移弧需要的不同参数的电能。等离子熔敷枪22是发生高能束等离子弧的装置，通过高能束等离子弧用于熔敷耐磨合金粉末块状材料8来制造耐磨复合钢板产品。供气***23的气体为氩气，用于为等离子熔敷枪22产生等离子弧提供氩气。水冷***24是用于冷却等离子熔敷枪22。等离子电源21、等离子熔敷枪22、供气***23、水冷***24为本领域现有技术，本发明设备采用四个等离子熔敷枪22，等离子熔敷枪22的枪嘴孔径比为(0.75-0.85)∶1，优选0.8∶1。

(3)等离子熔敷枪运行***3，由等离子熔敷枪升降装置31，等离子熔敷枪横向移动装置32，等离子熔敷枪横向行走装置33，等离子熔敷枪纵向行走装置34组成。等离子熔敷枪升降装置31能手动和自动调节等离子熔敷枪22的上下距离，用手动粗调等离子熔敷枪22的高低位置，用自动调节等离子熔敷枪22的引弧H2、熔敷H1、停枪H3位置，见图3。等离子熔敷枪横向移动装置32用于调节等离子弧横向摆动幅度B的大小，见图4，用于带动等离子熔敷枪22作横向来回摆动的运动来熔敷耐磨合金粉末块状材料。等离子熔敷枪横向行走装置33用于带动等离子熔敷枪22在横向方向作间隙运行和连续行走。等离子熔敷枪纵向行走装置34用于带动等离子熔敷枪22在纵向方向作间隙运行和连续行走。等离子熔敷枪运行***3的运行轨迹和熔敷参数是通过控制***4的设定来实现，运行***为本领域现有技术。

(4)控制***4，由设置显示屏41，执行开关42，手动参数调节钮43组成。设置显示屏41用于设定等离子熔敷枪运行***3的运行轨迹和熔敷参数值。执行开关42用于等离子电源熔敷***2、等离子熔敷枪运行***3、供气***23、水冷***24的启动、停止操作。手动参数调节钮43用于等离子电压、电流和等离子气体流量的调节，控制***为本领域现有技术。

所述设备的技术性能指标如下：

(1)等离子熔敷枪运行***3参数调节技术指标

①等离子熔敷枪22的熔敷运行轨迹设定为“弓”字形，如图4所示：

等离子熔敷枪横向间隙移动宽度B范围0～60mm/每次，移动速度0～55mm/s

等离子熔敷枪横向连续行走全程范围0～1000mm/每次，行走速度0～55mm/s

等离子熔敷枪纵向间隙移动长度L范围0～15mm/每次，移动速度0～55mm/s

等离子熔敷枪纵向连续行走全程范围0～3200mm/每次，行走速度0～55mm/s

②等离子熔敷枪22的升降运行轨迹设定，见附图3所示：

手动调节等离子熔敷枪高度位置的距离H范围0～500mm

等离子熔敷弧长位置的调节距离H1范围0～50mm

等离子引弧位置的调节距离H2范围0～20mm

等离子熔敷枪停枪位置的调节距离H3范围0～120mm(即熔敷停机后，等离子熔敷枪自动升高的停枪位置)

(2)耐磨复合钢板熔敷台***1参数调节技术指标

耐磨复合钢板熔敷台纵向行走全程范围10000mm，行走速度0～100mm/s

(3)等离子电源熔敷***3技术指标

等离子电源类型：联合型弧

等离子电源数量4台

等离子熔敷枪数量4个

等离子电源功率80KVA×4

等离子电源持续率100％

等离子熔敷枪钨极直径选择范围Φ4～8mm

熔敷枪嘴孔径比1/d＝0.8∶1

转移弧电流调节范围0～500A，非转移弧电流调节范围0～250A，等离子电压调节范围30～70V。

本发明采用上述四枪等离子自动熔敷设备，选用耐磨合金粉末块状材料8来制造耐磨复合钢板产品，如图1-6所示，熔敷工艺技术方案如下：

(1)放置基体钢板

在基体钢板5上面钻直径Φ10mm的通孔16，孔距为500mm，与厚度为100mm的铸铁熔敷台11上面的销孔14位置对应配合。将基体钢板5熔敷面喷砂净化处理，将基体钢板5平放置在耐磨复合钢板熔敷台11上面。将Φ10mm的销钉15***基体钢板5的通孔16和耐磨复合钢板熔敷台11的销孔14中，销钉15允许外露基体钢板表面0～3mm，用压板夹具12将基体钢板5四边压紧固定。

(2)摆放耐磨合金粉末块状材料

将烘干(烘干温度300℃，保温2小时)的耐磨合金粉末块状材料8平铺在基体钢板5上面，要求摆放紧密。

(3)设定运行轨迹和熔敷参数

打开熔敷设备电源，采用手动方式将四个熔敷枪22之间的距离设置好，将四个熔敷枪22运行到熔敷起始位置53。在设置显示屏41上设定等离子熔敷枪22的自动运行轨迹和熔敷参数。用手动参数调节钮43调节好等离子电源21的电压、电流值和氩气流量。

(4)启动自动熔敷

用执行开关42启动水冷***24，冷却水开始冷却等离子熔敷枪22；用执行开关42打开供气***23，氩气开始为等离子熔敷枪22供气；用执行开关42启动等离子熔敷枪运行***3，等离子熔敷枪22按设定的升降运行轨迹自动下降到H2引弧位置；用执行开关42启动等离子电源熔敷***2，等离子电源21为等离子熔敷枪22供电并引燃电弧，电弧稳定后，等离子熔敷枪22自动提升到H1熔敷位置，而后开始移动等离子熔敷枪22并按设定的熔敷行走轨迹和熔敷参数自动熔敷完成。

(5)停止结束熔敷

熔敷过程是按设定轨迹和参数自动熔敷进行，熔敷完成后，等离子熔敷枪22会自动熄灭电弧并自动将等离子熔敷枪22提升到H3停枪位置，同时自动停止等离子熔敷枪22的运行，结束熔敷程序，用执行开关42关闭氩气和冷却水。

(6)卸取耐磨复合钢板

用执行开关42启动耐磨复合钢板熔敷台行走机构13，拖动熔敷完成的耐磨复合钢板离开等离子熔敷枪22所处的位置，便于卸取耐磨复合钢板。将压板夹具12取下，将耐磨复合钢板取走。

(7)校平耐磨复合钢板

用气割枪将耐磨复合钢板上的销钉15割平，然后放置在校板台架上，用千斤顶校平整。可针对用户要求，对耐磨复合钢板进行割边、成形加工、表面磨削、喷漆加工。

本制造工艺的特点是：将基体钢板5放置在耐磨复合钢板熔敷台11上，用压板夹具12将基体钢板5四边压紧，将销钉15***钢板通孔16中，将耐磨合金粉末块状材料8平铺在基体钢板5上面，将等离子熔敷枪22按四分之一钢板宽度的等分距离设置各自的起焊位置53，如图5所示，然后向基体钢板5长度方向同步进行熔敷。针对耐磨复合钢板所要求耐磨层的厚度不同，选用不同厚度的耐磨合金粉末块材料8。其效果是：熔敷后的耐磨层7与基体钢板5为冶金结合，熔合区6≤1.5mm，稀释率低，耐磨层的表层与底层硬度接近，硬度差值HRC＜5，耐磨层7的表面平整无焊缝波纹，熔敷后的耐磨复合钢板变形不平整度＜5mm/m²，熔敷面积可达2000mm×3000mm，体现出熔敷后的耐磨复合钢板变形小，耐磨层表面光滑平整和整体组织性能接近，益于抗磨损的优点。

实施例1，以矿山大型装载车箱衬板为例，磨损介质为矿石，磨损类型为冲击和磨料磨损，要求每块耐磨复合钢板的尺寸为：长3000mm×宽2000mm×厚15mm，其中耐磨层厚度(包括熔合区)≥6mm，表层硬度HRC≥60。

选用长3100mm×宽2100mm×厚10mm的Q345B板材作为基体钢板5(包括压板夹具固定部位)，选用长80mm×宽30mm×厚7mm的高铬铸铁型微渣耐磨合金粉末块状材料(该材料市场有售)作为耐磨层材料。

(1)熔敷工艺技术方案步骤如上所述，设定运行轨迹和熔敷参数如下：

等离子熔敷枪横向间隙摆动宽度B：45mm/每次，行走速度9mm/s；

等离子熔敷枪横向连续行走全程距离：505mm；

等离子熔敷枪纵向间隙移动长度L：4mm/每次，移动速度6mm/s；

等离子熔敷枪纵向连续行走全程距离：3000mm；

等离子熔敷枪与耐磨复合钢板熔敷台之间的手动调高距离H：120mm；

等离子熔敷的弧长距离H1：30mm；

等离子的引弧距离H2：15mm；

熔敷停机后，等离子熔敷枪自动升高的停枪距离H3：100mm；

耐磨复合钢板熔敷台纵向行走全程距离10000mm，行走速度60mm/s；

等离子熔敷枪钨极直径为Φ5mm；

熔敷枪嘴孔径比1/d＝0.8∶1；

转移弧电流180A，非转移弧电流70A；

等离子电压50V。

(2)熔敷焊道形式及参数，如图5所示：

熔敷的每条焊道沿基体钢板长度方向(纵向)，长度3000mm；

每条熔敷的焊道(横向)宽度45mm；

每条焊道之间为搭接形式，即下一条焊道52重复熔敷上一条焊道边51的宽度5mm，保证熔敷后的耐磨层表面平整无焊道痕迹，依次熔敷完成自动停机。

(3)结果

在熔敷制造耐磨复合钢板的过程中，钢板没有发生凸凹变形。

卸取下来的耐磨复合钢板，通过割平销钉15后，耐磨复合钢板略有鼓起现象，测量的变形平均不平整度＜4mm/m²，用千斤顶将耐磨复合钢板的鼓起部位校平。

耐磨层表面光滑平整，无焊波痕迹，但多处有＜40mm的横向裂纹。

针对校平后的耐磨复合钢板，切割试样进行组织结构分析和硬度测定，结果是：熔合区平均深度1.4mm，耐磨层(不包括熔合区)平均厚度6mm，耐磨复合钢板平均厚度15.5mm；耐磨层表层平均硬度HRC67，底层平均硬度HRC63，中间层平均硬度HRC65；耐磨层组织均匀，硬质相分布均匀，且所占比例＞60％，产品组织形貌扫描电镜图如图6所示，体现出熔敷的耐磨层内在质量好，具备高的耐磨特征。

该耐磨复合钢板与相同规格的丝材堆焊耐磨复合钢板在矿山装载车上使用，使用寿命提高了1.5倍。采用该耐磨复合钢板在煤矿刮板机的溜槽上使用，替换了原来的铸造360型耐磨板，使用寿命提高了8倍，另外由于焊接性好而解决了铸造耐磨板溜槽在使用过程中焊缝开裂的问题。显现出该方法制造的耐磨复合钢板焊接性好、抗磨损性能高的显著有益效果。

该耐磨复合钢板具备使用寿命高，制造成本低的特点，而且供给用户的价格与丝材堆焊耐磨复合钢板相同，充分体现了性价比高的优点。

实施例2，以垃圾发电厂排废物管道为例，磨损介质为灰尘、砂粒、铁削、砖石块，磨损类型为冲蚀磨损，管道壁厚度为20mm，边长为600mm的正方形管道，每节长度为1000mm，供八节，目前采用的是Q345B钢板制成，使用1个月后，管壁磨漏而报废。

根据管道的使用环境和磨损类型，考虑到该产品的成本，采用长2500mm×宽2100mm×厚12mm的Q235板材作为基体钢板5(包括压板夹具压紧基体钢板四边的余量)，选用长80mm×宽30mm×厚10mm的高铬镍碳化钨型微渣耐磨合金粉末块状材料(该材料市场有售)。采用本发明的四枪等离子熔敷设备和方法，制造该产品用的耐磨复合钢板，然后用等离子切割成长1000mm×宽600mm的6块板材，用焊接方法将其焊接成方形管道产品，焊口表面用耐磨焊条堆焊耐磨层。

(1)熔敷工艺技术方案步骤如上所述，设定运行轨迹和熔敷参数如下：

①等离子熔敷枪的熔敷行走轨迹及熔敷参数：

等离子熔敷枪横向间隙摆动宽度B：45mm/每次，行走速度9mm/s

等离子熔敷枪横向连续行走全程距离：505mm

等离子熔敷枪纵向间隙移动长度L：3mm/每次，移动速度6mm/s

等离子熔敷枪纵向连续行走全程距离：2400mm

②等离子熔敷枪的升降运行轨迹及参数的设定与实施例1所述相同

③耐磨复合钢板熔敷台***参数的设定与实施例1所述相同

④等离子电源熔敷***参数的设定

等离子熔敷枪钨极直径为Φ6mm

熔敷枪嘴孔径比1/d＝0.8∶1

转移弧电流195A，非转移弧电流70A

等离子熔敷电压调节范围55V

⑤熔敷焊道形式与上所述相同

(2)结果

在熔敷制造耐磨复合钢板的过程中，钢板没有发生凸凹变形。

卸取下来的耐磨复合钢板，通过割掉销钉后，变形很小，平均不平整度＜4mm/m²，采用千斤顶将钢板校平。

耐磨层表面无焊波痕迹，光滑平整。

熔合区平均深度1.5mm，耐磨层平均厚度7.5mm，耐磨复合钢板平均厚度19mm；耐磨层表层平均硬度HRC60，底层平均硬度HRC57，耐磨层中含有大量的铬镍合金，并有分布均匀的碳化钨硬质相，体现出高冲蚀磨损的特征。

该产品通过使用，使用时间达到了2年多才磨漏，提高了使用寿命20多倍，售价是原管道的5倍，充分体现出高性价比的优点。

采用本发明的方法和设备制造耐磨复合钢板产品，体现出如下的有益效果：

(1)本发明采用的四枪等离子自动熔敷设备，能制造2000mm×3000mm大面积的耐磨复合钢板产品，也适宜制造小面积的耐磨复合钢板，体现了适用范围宽、生产效率高的有益效果。

(2)由于采用四枪同步等离子弧熔敷工艺，采用粗直形态的中强挺度等离子弧作为熔敷热源，单道熔敷宽度4～10mm且能一次熔敷透15mm厚度的耐磨合金粉末块状材料，体现出熔敷面积大，熔透性强，熔敷效率高，熔敷速度快的有益效果特征。熔敷后的耐磨层质量与等离子粉末堆焊的质量具有同样好的效果，而且熔敷效率比等离子粉末堆焊高1倍以上。针对耐磨复合钢板需求不同厚度耐磨层的制造，通过更换钨极直径，调节电压和电流参数，能有效地控制熔敷宽度和深度，能制造不同厚度的耐磨复合钢板产品。

(3)采用大厚度耐磨复合钢板熔敷台，附加四周压板夹具固定，中部销钉限位的方式，熔敷过程中钢板不产生凸凹变形，熔敷后的耐磨复合钢板变形不平整度＜5mm/m²，体现出熔敷后的耐磨复合钢板变形小的有益效果，通过千斤顶能将耐磨复合钢板校平，解决了用校板设备反复校平的难度。

(4)本发明熔敷后的耐磨层与基体钢板为冶金结合，熔合区≤1.5mm，稀释率低，耐磨层的表层与底层硬度接近，硬度差值HRC＜5，提高了耐磨层的厚度体积磨损寿命，耐磨层的表面平整无焊缝波纹，益于减少摩擦阻力而提高使用寿命的有益效果。

(5)本发明使用的耐磨合金粉末块状材料，由于等离子弧熔敷温度高，能对厚的耐磨合金粉末块状材料充分熔化和有氩气保护作用，具有制造工艺简单，使用方便的特点。通过熔敷后的耐磨层，结果获得了与等离子粉末堆焊同样好的内在质量和外观质量。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种制造耐磨复合钢板的等离子熔敷方法，其特征在于：采用四枪等离子自动熔敷方法，选用厚度为3～15mm耐磨合金粉末块状材料平铺在基体钢板上面，基体钢板置于厚度为80-120mm的铸铁熔敷台上，通过压板夹具将基体钢板四周与铸铁熔敷台固定，通过限位销钉将基体钢板中部与铸铁熔敷台固定，利用枪嘴孔径比为（0.75-0.85）:1的高能束等离子弧作熔敷热源，四枪同步自动熔敷耐磨合金粉末块状材料，使其与基体钢板产生冶金结合，所述的耐磨复合钢板，包括基体钢板（5）、耐磨层（7）和熔合区（6），其中熔合区（6）的厚度≤1.5mm，所述耐磨复合钢板的变形不平整度＜5mm/m²。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述耐磨合金粉末块状材料为高铬铸铁型微渣耐磨合金粉末块状材料或高铬镍碳化钨型微渣耐磨合金粉末块状材料。

3.一种制造耐磨复合钢板的自动熔敷设备，包括耐磨复合钢板熔敷台***（1）、等离子电源熔敷***（2）、等离子熔敷枪运行***（3）和控制***（4），其特征在于：所述自动熔敷设备为四枪等离子自动熔敷设备，所述耐磨复合钢板熔敷台***（1）包括耐磨复合钢板熔敷台（11）和压板夹具（12），耐磨复合钢板熔敷台（11）的厚度为80-120mm，上面设有均匀分布的限位销孔（14），压板夹具（12）用螺栓固定于耐磨复合钢板熔敷台（11）的四周，固定压紧基体钢板（5）的四边，所述等离子电源熔敷***（2）中等离子熔敷枪（22）的枪嘴孔径比为（0.75-0.85）:1，所述等离子熔敷枪（22）的钨极直径为4～8mm，转移弧电流为0～500A，非转移弧电流为0～250A，等离子电压30～70V。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于：所述限位销孔（14）的直径为8-12mm，限位销孔（14）之间的距离为450-550mm。

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