ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 2005 года по МПК B23K35/365 B23K35/10 

Изобретение относится преимущественно к машиностроению и может быть применено при ручной дуговой сварке, например, стальных деталей.

Известен неплавящийся электрод для электродуговой резки (Заявка на изобретение №2000128127/02, от 13.11.2000 г., МКИ 7 В 23 К 35/10, 35/365, опубликованная 27.01.2003 г. в бюллетене “Изобретения, полезные модели” №3, 2003 г.). Этот электрод содержит стержень в виде прямоугольной пластины с наклеенным на нее покрытием, включающим шлакообразующие и газообразующие вещества. Покрытие состоит из нескольких последовательно образованных слоев, причем первый и внешний слои состоят из связующего, в качестве которого взято жидкое стекло, а средний слой состоит из смеси шлакообразующих и газообразующих веществ, такая конструкция электрода позволяет закрепить на поверхности стержня слой шлакообразующих и газообразующих веществ, что обеспечит устойчивое горение дуги и хорошую защиту зоны реза. Однако такая конструкция электрода не обеспечит возможности дополнительного воздействия на сварочную дугу для ее контрагирования и повышения проплавляющей способности. Это не позволяет повысить производительность процесса резки или сварки.

Известно, что проплавляющую способность сварочной дуги можно увеличить применением активирующих флюсов, которые наносят тонким слоем на лицевую поверхность свариваемых кромок, подвергаемую действию дугового разряда (Симоник А.Г., Петиашвили В.И., Иванов А.А. Эффект контракции дугового разряда при введении электроотрицательных элементов // Сварочное производство, №3, 1976, с.49). Это позволяет повысить производительность процесса сварки за счет контрагирования (сжатия) сварочной дуги и увеличения в связи с этим ее проплавляющей способности. При автоматической аргонодуговой сварке с активирующими флюсами можно сваривать за один проход встык без разделки кромок детали с толщиной кромки 6...10 мм и более. Однако при ручной дуговой сварке электродами с покрытием процесс протекает нестабильно, электрод случайным образом колеблется как по высоте и углу наклона к поверхности свариваемой детали, так и поперек шва. Это ведет к выдуванию части активирующего флюса с поверхности кромок и к неравномерному испарению активирующих компонентов. В результате возникает неравномерность формирования шва, могут образовываться непровары и чрезмерное проплавление на отдельных участках шва. Это делает применение активирующих флюсов при ручной дуговой сварке известными электродами практически невозможным.

Известен также электрод с двухслойным покрытием (Донченко Е.А. и др. Об электродах с двухслойным покрытием // Сварочное производство, №5, 1976, с.31), который принят за прототип. По прототипу обмазка электрода разделена на два слоя. На поверхность электродного стержня нанесен слой компонентов обмазки, способствующих стабильному горению дуги. Второй слой обмазки, нанесенный на поверхность первого слоя, содержит вещества - деионизаторы (например, СаF₂). Такое выполнение электрода повышает стабильность горения сварочной дуги, особенно при сварке на переменном токе. Это позволяет улучшить технологические свойства электрода и повысить качество металла сварного шва. Однако электрод по прототипу лишь незначительно влияет на производительность процесса сварки, поскольку не позволяет увеличить проплавляющую способность сварочной дуги.

Технический результат изобретения - повышение производительности процесса ручной дуговой сварки.

Сущность изобретения состоит в том, что электрод для дуговой сварки содержит металлический стержень, на поверхность которого нанесено двухслойное покрытие. В отличие от прототипа один из слоев покрытия содержит шлакообразующие и газообразующие компоненты, а второй слой состоит из активирующих компонентов, способствующих контрагированию сварочной дуги.

По одному из вариантов слой активирующих компонентов нанесен на поверхность стержня под слоем шлакообразующих и газообразующих компонентов. В этом случае слой шлакообразующих и газообразующих компонентов имеет температуру плавления выше температуры плавления слоя активирующих компонентов. По другому варианту слой активирующих компонентов нанесен на поверхность слоя шлакообразующих и газообразующих компонентов. Слой активирующих компонентов по обоим вариантам может быть нанесен в виде порошкообразной смеси со связующим. В качестве связующего может быть применен полимер или алюминий. Слой активирующих компонентов может быть также нанесен в виде ленты из одного активирующего компонента или нескольких лент из различных активирующих компонентов, причем ленты намотаны на поверхность стержня или на поверхность слоя шлакообразующих и газообразующих компонентов. Слой активирующих компонентов может быть также нанесен в виде порошкообразной смеси, наклеенной на ленту из эластичного материала, нейтрального по отношению к свариваемому материалу и шлакообразующим, газообразующим и активирующим компонентам слоев покрытия. По другому варианту смесь порошкообразных активирующих компонентов может быть наклеена на ленту, материал которой является одним из активирующих компонентов, или совокупностью активирующих компонентов либо совокупностью нейтральных или активирующих компонентов.

Такое сочетание известных и новых признаков позволяет обеспечить контрагирование сварочной дуги за счет испарения активирующих компонентов непосредственно вблизи приэлектродной области. Пар активирующих компонентов обволакивает столб дуги вблизи электрода, не успевая смешиваться с паром других компонентов. Электроотрицательные ионы в составе пара активирующих компонентов захватывают электроны из периферийной области столба дуги, что эквивалентно ее сжатию, контракции. Активное сечение столба дуги уменьшается, плотность тока в дуге возрастает. В результате увеличивается проплавляющая способность дуги, что позволяет при сварке деталей с толщиной кромок более 6 мм уменьшить число проходов и отказаться от разделки кромок, либо уменьшить ее глубину. Это повышает производительность процесса сварки.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан процесс сварки электродом со слоем активирующих компонентов, нанесенных на поверхность металлического стержня, а на фиг.2 - процесс сварки электродом, у которого слой активирующих компонентов нанесен на поверхность слоя шлакообразующих и газообразующих компонентов.

Предлагаемый электрод для дуговой сварки содержит металлический стержень 1 и покрытие, состоящее из двух слоев. Один из этих слоев состоит из шлакообразующих и газообразующих компонентов 2, второй слой 3 содержит активирующие компоненты, способствующие контрагированию сварочной дуги. Слой активирующих компонентов 3 может быть нанесен на поверхность стержня 1 под слоем 2 шлакообразующих и газообразующих компонентов, как это показано на фиг.1. При этом слой 2 шлакообразующих и газообразующих компонентов имеет температуру плавления выше, чем слой 3 активирующих компонентов. Расположение слоя 3 активирующих компонентов непосредственно на поверхности стержня 1 приближает зону испарения активирующих компонентов к сварочной дуге 4, горящей между электродом 1 и поверхностью свариваемой детали 8. Пар 5 активирующих компонентов в этом случае будет более полно захватываться газовым потоком 6, возникающим в приэлектродной области дуги 4 вследствие действия электродинамических сил. Это увеличит площадь взаимодействия пара 5 активирующих компонентов с периферийной областью дуги 4. В результате увеличится контрагирование дуги 4 и ее проплавляющая способность, следовательно, и производительность процесса сварки. Увеличение проплавляющей способности обусловлено тем, что при повышении плотности тока в столбе дуги 4 увеличатся электродинамические силы, образующие газовый поток 6, диаметр которого также уменьшится, а скорость повысится. Возрастет скоростной напор плазмы дуги 4 на поверхность сварочной ванны 9. Жидкий металл ванны 9 раздвинется, дуга 4 будет нагревать дно ванны 9, оплавляя его.

Повышение температуры плавления слоя 2 шлакообразующих и газообразующих компонентов над температурой плавления слоя 3 активирующих компонентов при расположении слоя 3 активирующих компонентов на поверхности стержня 1 приведет в процессе сварки к появлению козырька 7 на торце слоя 2. Козырек 7 будет препятствовать распространению пара 5 активирующих компонентов за пределы приэлектродной области дуги 4, что увеличит концентрацию пара 5 активирующих компонентов в зоне горения дуги 4 и увеличит контрагирование дуги 4.

По другому варианту слой 3 активирующих компонентов нанесен на поверхность слоя 2 шлакообразующих и газообразующих компонентов, который нанесен на поверхность стержня 1 (Фиг.2). Такое взаимное расположение слоев 2 и 3 покрытия целесообразно в том случае, когда в слое 3 содержатся активирующие компоненты - деионизаторы, например соединения фтора, в частности CaF₂. Наличие таких компонентов может ухудшить стабильность горения дуги 4, что может полностью свести на нет эффект от контрагирования дуги 4. Расположение слоя 3 активирующих компонентов на поверхности слоя 2 шлакообразующих и газообразующих компонентов позволит уменьшить концентрацию в приэлектродной области активирующих компонентов, снижающих стабильность горения дуги 4 и установить положительный баланс между отрицательным и положительным влиянием этих компонентов на процесс сварки. Это также позволит использовать эффект контрагирования дуги и повысить производительность процесса сварки.

Слой 3 активирующих компонентов может быть нанесен на металлический стержень 1 или на поверхность слоя 2 шлакообразующих и газообразующих компонентов в виде порошкообразной смеси, замешанной на связующем. В качестве связующего могут быть использованы полимер или алюминий. Наличие связующего обеспечит прочность слоя 2 активирующих компонентов, что предохранит этот слой от выкрашивания и неравномерности поступления пара 5 в зону дуги. Это повысит стабильность формирования сварного шва. Использование в качестве связующего полимера или алюминия также обеспечит повышение прочности слоя 2 и сделает его герметичным. Это положительно скажется на эффективности активирующих компонентов в случаях, когда в состав слоя 2 входят гигроскопичные активирующие компоненты, особенно компоненты, реагирующие с водой.

По другому варианту слой 3 активирующих компонентов нанесен в виде ленты, материалом которой является один или несколько активирующих компонентов. Слой 3 может быть нанесен в виде нескольких лент из различных активирующих материалов. Все эти ленты намотаны на металлический стержень 1 или на поверхность слоя 2 шлакообразующих и газообразующих компонентов. Слой 3 активирующих компонентов может быть также выполнен из их порошкообразной смеси, наклеенной на ленту из эластичного материала, нейтрального по отношению к материалу свариваемой детали 8, а также нейтрального к компонентам активирующего слоя 3 и слоя шлакообразующих и газообразующих компонентов. Материал ленты по этому варианту может быть также активирующим компонентом или совокупностью активирующих компонентов, либо совокупностью нейтральных и активирующих компонентов. Лента с наклеенной порошкообразной смесью намотана на поверхность стержня или слоя 2 шлакообразующих и газообразующих компонентов, образуя слой 3 активирующих компонентов, все варианты нанесения слоя 3 активирующих компонентов в виде лент упрощают технологию изготовления предлагаемого электрода и позволяют точнее обеспечить заданную толщину слоя 3.

Выбор варианта нанесения слоя 3 активирующих компонентов зависит от конкретного состава этого слоя, который определяется в каждом конкретном случае в зависимости от состава материала и толщины кромок свариваемой детали 8, параметров режима и условий сварки.

Примером применения предлагаемого электрода может служить ручная дуговая сварка стыков стальных полотнищ. Для определения эффективности применения предлагаемого электрода сваривали встык образцы из стали 20 размерами 200×100×6 мм. Применяли электроды марки ТМУ21У со стержнем диаметром 3 мм. Партию образцов сваривали без нанесения на электроды слоя активирующих компонентов. Вторую партию образцов сваривали такими же электродами, на поверхность обмазки которых наносили оболочку из порошка активирующего флюса, системы CaF₂-BaF₂-MgF₂ со связующим, в качестве которого использовали политетрафторэтилен. Сварку пластин встык производили без разделки кромок на постоянном токе обратной полярности. Сила тока составляла 110...120 А, средняя скорость сварки во всех случаях составляла 5 м/с. После сварки образцы разрезали и на макрошлифах поперечных сечений сварных швов определяли глубину проплавления.

Оказалось, что проплавление образцов, сваренных известными электродами без слоя активирующих компонентов, составило 2,8...2,9 мм, а проплавление образцов, сваренных предлагаемым электродом со слоем активирующих компонентов, нанесенных на поверхность обмазки, представляющей собой слой шлакообразующих и газообразующих компонентов, составило 3,8...3,9 мм. Таким образом, применение предлагаемого электрода увеличивает проплавление свариваемых кромок на 40%. Это свидетельствует о том, что предлагаемая конструкция электрода позволяет повысить производительность процесса ручной дуговой сварки.

Предлагаемый электрод может быть изготовлен с применением известной и серийно применяемой технологии, при которой компоненты покрытия измельчают, замешивают на связующем (например, на жидком стекле), и наносят в виде пасты с помощью пресса на металлический стержень 1. Так можно наносить слой шлакообразующих и газообразующих компонентов 2, а также слой 3 активирующих компонентов в случае, когда этот слой состоит из порошкообразных компонентов со связующим. Если связующее слоя 2 представляет собой полимер или алюминий, то активирующие компоненты можно смешать с расплавом полимера или алюминия, а затем нанести на стержень 1 или на поверхность слоя 2 шлакообразующих и газообразующих компонентов, например, окунанием. При изготовлении предлагаемого электрода с помощью лент слой 3 активирующих компонентов будет наматываться либо на стержень 1, либо на поверхность слоя 2 шлакообразующих и газообразующих компонентов. Намотку ленты можно производить на известных станках, например на станке, предназначенном для намотки проволоки на катушки, после небольшой модернизации такого станка. При применении активирующих компонентов в виде порошкообразной смеси можно эту смесь насыпать на клейкую ленту типа “скотч” в процессе наматывания этой ленты с приклеившимися частицами порошка активирующих компонентов на стержень 1 или на поверхность слоя 2 шлакообразующих и газообразующих компонентов. Сварку предлагаемым электродом можно вести с использованием известных источников питания сварочной дуги.

Таким образом, предлагаемый электрод для дуговой сварки обеспечивает технический эффект, заключающийся в увеличении проплавляющей способности сварочной дуги и в повышении производительности процесса сварки, и может быть изготовлен и использован с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый электрод обладает промышленной применимостью.

Изобретение может быть использовано при ручной дуговой сварке, например, стальных деталей. Электрод состоит из металлического стержня и двухслойного покрытия. Один из слоев покрытия содержит шлакообразующие и газообразующие компоненты. Другой слой состоит из активирующих компонентов, способствующих контрагированию сварочной дуги. Слой активирующих компонентов может быть нанесен на поверхность стержня или на поверхность слоя шлакообразующих и газообразующих компонентов. Слой активирующих компонентов может быть нанесен в виде их порошкообразной смеси со связующим в виде полимера или алюминия. Упомянутый слой может быть нанесен в виде намотанной на поверхность ленты из одного или нескольких активирующих компонентов. Использование электрода позволяет повысить производительность процесса ручной дуговой сварки. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрод для дуговой сварки, состоящий из металлического стержня и двухслойного покрытия, нанесенного на поверхность этого стержня, отличающийся тем, что один из слоев покрытия содержит шлакообразующие и газообразующие компоненты, а другой слой состоит из активирующих компонентов, способствующих контрагированию сварочной дуги.2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что слой активирующих компонентов нанесен на поверхность стержня под слоем шлакообразующих и газообразующих компонентов.3. Электрод по п.2, отличающийся тем, что слой шлакообразующих и газообразующих компонентов имеет температуру плавления выше, чем слой активирующих компонентов.4. Электрод по п.1, отличающийся тем, что слой активирующих компонентов нанесен на поверхность слоя шлакообразующих и газообразующих компонентов.5. Электрод по п.1, или 2, или 4, отличающийся тем, что слой активирующих компонентов нанесен в виде их порошкообразной смеси со связующим.6. Электрод по п.5, отличающийся тем, что в качестве связующего применен полимер.7. Электрод по п.5, отличающийся тем, что в качестве связующего применен алюминий.8. Электрод по п.1 или 2, отличающийся тем, что слой активирующих компонентов нанесен в виде намотанной на поверхность стержня ленты из одного или нескольких активирующих компонентов, либо в виде нескольких лент из различных активирующих компонентов.9. Электрод по п.1 или 4, отличающийся тем, что слой активирующих компонентов нанесен в виде намотанной на поверхность слоя шлакообразующих и газообразующих компонентов ленты из одного или нескольких активирующих компонентов, либо в виде нескольких лент из различных активирующих компонентов.10. Электрод по п.1, или 2, или 4, отличающийся тем, что слой активирующих компонентов нанесен в виде их порошкообразной смеси, наклеенной на ленту из эластичного материала, нейтрального по отношению к свариваемому металлу и шлакообразующим, газообразующим и активирующим компонентам слоев покрытия, или на ленту, материал которой является активирующим компонентом или совокупностью активирующих компонентов, либо совокупностью нейтральных и активирующих компонентов.