ПЛАВЯЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОД Российский патент 1997 года по МПК B23K35/365 

Изобретение относится к электродуговой сварке покрытыми электродами и может быть использовано при изготовлении ответственных сварных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей, а также при наплавке износостойких покрытий на детали машин.

Известен плавящийся электрод, содержащий в покрытии 5,7 7,6% соединений титана в виде диоксида титана TiO₂. (авт. св. СССР N 1076239, бюлл. N 8, 1984). Покрытие известного электрода относится к фтористо-кальциевому типу, что обеспечивает низкое содержание в металле шва водорода и неметаллических включений. Однако электроды данного типа характеризуются относительно низкой устойчивостью сварочной дуги, затрудненной отделимостью шлаковой корки, неудовлетворительным формированием швов при некоторых условиях сварки. Эти недостатки лишь частично ослабляются использованием в качестве компонента покрытия диоксида титана.

Известен плавящийся электрод, состоящий из металлического стержня и покрытия, содержащего 5% диоксида титана в виде природного материала рутила. Покрытие данного электрода относится к рутиловому типу. (Тархов Н.А. Сидлин З. А. Рахманов А.Д. Производство металлических электродов. М. Высш. школа, 1986, с. 279).

За счет высокого содержания диоксида титана электрод имеет высокую устойчивость сварочной дуги, что позволяет вести сварку не только на постоянном, но и на переменном токе. Шлаковая корка легко удаляется при любом пространственном положении швов, формирование швов отличное. Однако с увеличением содержания диоксида титана повышается содержание растворенных газов и неметаллических включений в металле шва, что существенно снижает пластичность и ударную вязкость. Электроды данного типа не относятся к качественным.

Известен плавящийся электрод (прототип), состоящий из металлического стержня и покрытия, содержащего 95-100% соединений титана в виде TiO₂ (Мазель А.Г. Технологические свойства электросварочной дуги. М. Машиностроение, 1969, с. 164). В этом электроде в наибольшей степени проявляется влияние соединений титана на качество сварки. Высокий окислительный потенциал диоксида титана приводит к интенсивному выгоранию содержащихся в электродном стержне раскислителей и загрязнению металла шва неметаллическими включениями (Сварка в машиностроении. Справочник в 4 томах, 1978, том 1, с. 89-90). Электрод характеризуется высокой устойчивостью дуги, но она все же недостаточна для увеличения диапазона применяемых режимов сварки, что ограничивает его технологические возможности.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в повышении устойчивости дуги при сварке электродами с покрытием, содержащим соединения титана, при одновременном повышении качества шва.

Технический результат достигается тем, что в качестве соединения титана, являющегося компонентом электродного покрытия, использованы полученные физико-химическим путем оксид титана, соответствующий химической формуле TiO_(2-x) или (и) оксикарбид титана TiO_(2-x)C_x, где x 0,06 0,7 величина дефицита кислорода в решетке соединений.

Высокая окислительная способность диоксида титана, используемого в известных электродах, свидетельствует о том, что он отдает часть кислорода в высокотемпературной области столба дуги, восстанавливаясь до низких оксидов. При этом капли электродного металла насыщаются кислородом. После выхода шлака из высокотемпературных областей дуги диоксид титана восстанавливает свой стехиометрический состав за счет кислорода атмосферы и менее устойчивых оксидов других элементов. В этот период развивается кремневосстановительный процесс, который при условии высокого содержания кислорода в расплавленном металле сварочной ванны приводит к загрязнению шва силицидами и снижению его пластичности.

В изобретении вместо диоксида титана TiO₂ использован оксид TiO_(2-x), в котором на величину x уменьшено содержание кислорода, поэтому оксид титана не выделяет кислород и не насыщает им капли электродного металла. Снижается содержание кислорода в ванне, уменьшается загрязнение швов неметаллическими включениями.

Начиная с x 0,06, экспериментально обнаруживается постепенно возрастающий эффект повышения устойчивости дуги. Это связано с подавлением эндотермических реакций восстановления титана до низших оксидов в высокотемпературной части дуги и усилением экзотермических реакций окисления низших оксидов в областях дуги с меньшей температурой. При общем повышении температуры столба дуги в результате ее удлинения или в момент смены полупериодов переменного тока оксид титана TiO_(2-x) начинает окисляться до стехиометрического состава TiO₂, поддерживая высокую степень ионизации плазмы за счет теплового эффекта химической реакции.

С ростом величины x стабилизирующей эффект оксида титана возрастает, но при x > 0,7 увеличивается блуждание дуги, появляются выбросы искр и разбрызгивание, т.е. тепловой эффект химической реакции становится чрезмерным и она приобретает взрывной характер.

Аналогичный результат дает использование оксикарбида титана TiO_(2-x)C_x, в решетке которого углерод заменяет недостающие атомы кислорода. Под воздействием высоких температур происходит разложение оксикарбида на углерод и оксид титана TiO_(2-x) с последующим окислением обеих компонентов. Причем углерод окисляется в высокотемпературной части дуги, дополнительно обедняя атмосферу дуги кислородом. Образующийся угарный и углекислый газы усиливают газовую защиту дуги и ванны. Оксикарбид может полностью или частично заменять в покрытии соединение TiO_(2-x) в зависимости от требуемого содержания углерода в шве, так как содержание углерода в покрытии влияет на переход углерода в металл шва.

При сварке сталей, легированных азотом или бором, в покрытиях электродов используются соединения титана TiO_(2-x)N_x и TiO_(2-x)B_x. Благодаря снижению окислительной способности оксидов титана в высокотемпературной области сварочной дуги существенно увеличивается пластичность металла шва. Это позволяет получать сварные соединения, соответствующих по своим свойствам применению качественных электродов. Увеличиваются легкость зажигания и устойчивость дуги, отделимость шлаковой корки не изменяется.

Следует отметить, что общепринятый прием повышения устойчивости сварочной дуги за счет использования в составе электродных покрытий оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов имеет ряд существенных недостатков по сравнению с предлагаемым. Оксиды щелочных металлов мало влияют на окислительную способность диоксида титана, но снижают температуру дуги, уменьшают коэффициент расплавления электродного стержня и производительность сварки, так как стабилизирующий эффект их основан на снижении работы выхода электронов.

При испытании изобретения были изготовлены опытные партии электродов с покрытиями разного состава (см. таблицу). Диоксид титана вводился в покрытие в виде рутила. Дефицитный оксид титана и оксикарбид титана получили из отходов титанового производства путем их окисления в печах с контролируемым составом атмосферы, состоящей из различных соотношений кислорода, углекислого газа, воздуха.

Фазовый состав получаемого продукта контролировали с помощью рентгеноструктурного и химического анализа. В качестве электродных стержней использовали проволоку марки "Сталь 10 сп" диаметром 3 мм, в качестве связующего вещества электродных покрытий жидкое стекло. Устойчивость дуги оценивали по ее разрывной длине при сварке на постоянном токе прямой полярности, при напряжении 20 22 В, среднем токе 100 120 А. Пластичность металла шва определяли испытаниями на статический изгиб (ГОСТ 6996-66).

Результаты испытаний показали, что использование в электродном покрытии вместо природного минерала, содержащего диоксид титана оксидов титана TiO_(2-x), где x 0,06 0,7, существенно увеличивает разрывную длину дуги и угол загиба сварных соединений, что свидетельствует об одновременном повышении устойчивости дуги и пластичности металла шва. При x > 0,7 появляются выбросы искр, блуждание дуги, увеличивается разбрызгивание. Аналогичные результаты получены при полной или частичной замене оксида титана на оксикарбид титана с одинаковой величине.

Изобретение относится к области электродуговой сварки покрытыми электродами и может быть использовано при изготовлении ответственных сварных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей. Техническим эффектом изобретения является повышение устойчивости дуги и пластичности металла шва при ручной дуговой сварке с покрытиями рутилового типа. Плавящийся электрод состоит из металлического стержня и покрытия, содержащего оксид титана TiO_(2-x) и/или оксикарбид титана Ti_(2-x)C_x, где X = 0,06 - 0,7. 1 табл.

Плавящийся электрод, состоящий из металлического стержня и покрытия, содержащего соединения титана, отличающийся тем, что в качестве соединений титана использованы оксид титана TiO_{( 2 - x}) и/или оксикарбид титана Ti_{( 2 - x})C_x, где x 0,06 - 0,7.