粉末等离子堆焊制造钢铜复合板工艺的学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于1997年《沈阳工业大学学报》第19卷第2期，由阜新市工业设备安装公司季杰等人完成。研究采用粉末等离子堆焊方法在16Mn钢表面堆焊白铜合金，系统研究了堆焊过程中的裂纹和变形问题，提出了有效的解决措施。

钢铜复合板在电力、化工、船舶等行业有广泛应用，通常用于需要同时具备钢的强度和铜的导电性/耐蚀性的场合。粉末等离子堆焊是一种高效、高质量的堆焊方法，特别适合制造复合板类构件。

粉末等离子堆焊工艺特点

工艺原理与优势

粉末等离子堆焊是利用等离子弧作为热源，将金属粉末送入熔池中形成堆焊层的焊接方法。与传统的电弧堆焊相比，粉末等离子堆焊具有以下优势：

• 热输入集中：等离子弧温度高、能量密度大，熔池小而深，稀释率低。
• 熔敷效率高：粉末熔敷速度快，生产效率高。
• 成形质量好：堆焊层表面平整，成形美观。
• 成分控制精确：通过粉末配比可以精确控制堆焊层成分。
• 适合自动化：易于实现机械化、自动化作业。

工艺参数与设备配置

粉末等离子堆焊的关键工艺参数包括：

裂纹问题的分析与对策

裂纹类型与成因

文献指出，堆焊过程中出现裂纹是主要质量问题。钢铜复合板堆焊中的裂纹可分为以下几类：

1. 热裂纹：在凝固过程中产生，主要与低熔点共晶相偏聚和凝固收缩应力有关。铜合金中硫、铅等杂质元素会形成低熔点共晶相，在凝固末期沿晶界产生液态薄膜，在收缩应力作用下形成热裂纹。
2. 冷裂纹：在焊后冷却过程中产生，主要与氢的扩散聚集和马氏体相变应力有关。钢基体中的氢在冷却过程中向焊缝扩散，在应力集中区域聚集，导致延迟裂纹。
3. 层间裂纹：在多层堆焊的层间界面产生，主要与层间温度控制和冶金相容性有关。

裂纹预防与消除措施

文献提出，使用含杂质少的堆焊材料及加强保护是解决裂纹问题的有效途径。具体措施包括：

• 严格筛选粉末材料：选择高纯度白铜合金粉末，严格控制硫、铅等有害杂质含量。
• 加强熔池保护：采用高纯度氩气作为保护气体，防止熔池氧化和氮化。
• 优化焊接参数：适当降低焊接速度，增加热输入，减缓冷却速率，减少热裂纹倾向。
• 控制预热温度：适当预热基体，降低冷却速率，减少冷裂纹风险。
• 焊后热处理：进行消除应力退火处理，降低残余应力，防止延迟裂纹。

变形问题的分析与对策

变形机理

钢铜复合板堆焊过程中的变形主要源于热膨胀和热应力。由于钢和铜的热膨胀系数差异较大（钢约为12×10⁻⁶/°C，铜约为17×10⁻⁶/°C），在堆焊过程中，铜层和钢基体的热膨胀行为不同，导致界面处产生热应力，进而引起整体变形。

此外，堆焊过程中的不对称加热也会引起角变形和弯曲变形。当堆焊仅在一面进行时，熔池侧和背侧的温度梯度会导致板件向熔池侧弯曲。

变形控制措施

文献提出，采用双面对称焊法和焊后消除应力处理是解决变形问题的有效方法。具体分析如下：

双面对称焊法：

• 在钢板的正反两面交替堆焊铜层，使热输入在板厚方向上对称分布。
• 交替堆焊的层数应尽可能匹配，避免一面堆焊过多而另一面堆焊过少。
• 每次堆焊的层厚应控制均匀，确保热输入的对称性。

焊后消除应力处理：

• 堆焊完成后，将复合板整体加热至550至650摄氏度，保温2至4小时，然后随炉缓冷。
• 消除应力处理可以显著降低残余应力，减少堆焊变形。
• 需要注意，消除应力处理的温度不能超过铜合金的再结晶温度，避免影响铜层的性能。

工程实践启示与个人思考

本文的研究虽然发表于1997年，但其技术思路和方法至今仍然具有重要的参考价值。粉末等离子堆焊制造钢铜复合板的技术在电力行业、船舶行业和化工行业中仍有广泛应用。

从个人实践角度，我认为以下几点值得深入思考：

第一，材料选择是堆焊质量的基础。白铜合金粉末的纯度直接影响堆焊层的性能和裂纹倾向，必须建立严格的材料入厂检验制度。

第二，工艺参数的优化需要系统性的试验研究。不同规格的复合板需要不同的工艺参数，不能简单套用，必须通过工艺评定确定最优参数组合。

第三，变形控制是复合板制造的关键难点。双面对称焊法和焊后消除应力处理是有效的技术手段，但需要根据板件厚度、尺寸和堆焊层厚度进行具体的工艺设计。

第四，质量检验体系必须完善。钢铜复合板的质量不仅包括堆焊层的性能，还包括界面结合强度、整体平整度和尺寸精度，需要建立全面的质量检验体系。

总体而言，本文的研究为粉末等离子堆焊制造钢铜复合板提供了系统的工艺方案和质量控制方法。其核心价值在于通过材料优化和工艺改进，有效解决了裂纹和变形这两个关键质量问题。在实际工程应用中，应根据复合板的具体规格、使用工况和质量要求，制定针对性的工艺方案，确保复合板满足设计和使用要求。