СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПОКРЫТЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 2010 года по МПК B23K35/40 

Изобретение относится к ручной дуговой сварке и наплавке покрытыми электродами, в частности к контролю и управлению качеством электродов на всех операциях их изготовления, приемо-сдаточного контроля и использования при сварке конструкций и деталей в производственных условиях.

Нормативная документация на электроды (ГОСТ и ТУ) устанавливает нормы на размеры электродов, дефекты и разнотолщинность покрытия, наличие и размеры дефектов в наплавленном металле, механические свойства и химический состав наплавленного металла, некоторые показатели сварочно-технологических свойств электродов в качественной и количественной форме и т.д.

Однако формальное соответствие электродов нормативным требованиям не всегда является гарантией высокого качества.

Можно утверждать, что при прочих равных условиях поведение электродов (горение дуги, формирование шва и шлака, отделимость шлака, производительность плавления и другие свойства) зависит от качества электродов. Качество электродов характеризуется группой показателей и зависит от условий их производства - давления опрессовки, конструктивного оформления узлов электродообмазочного пресса, однородности обмазочной массы и т.д.

Для оценки технологических и функциональных свойств электродов, а также их технико-экономических характеристик проводят испытания по методике А.А.Ерохина - см. Ерохин А.А. Методика определения основных измерителей процесса расплавления электрода при дуговой электросварке. Библиотека РОТЕКСа, вып.14, М., 2005 г. [1].

Согласно методике [1] качество электродов оценивают весьма ограниченным количеством показателей: скорости его плавления, коэффициенту расплавления электрода, коэффициенту потерь, коэффициенту наплавки, коэффициенту выхода шлака, коэффициенту веса покрытия. При этом методика [1] не предусматривает выявления влияния одних показателей на другие или взаимодействия между ними.

Данная методика [1] не позволяет осуществлять управление качеством изготовления электродов, поскольку недостаточная информативность результатов испытаний не позволяет установить взаимосвязь между отдельными показателями качества, их взаимодействие, провести анализ причин и выявить механизм формирования неудовлетворительного качества электродов, а тем самым обеспечить возможность регулирования и управления качеством электродов.

Чтобы управлять качеством электродов, необходимо выделить показатели изготовления, наиболее ответственные за свойства электродов в процессе их плавления, и установить их связь с условиями производства с целью обеспечения возможности корректировки процесса изготовления электродов. Кроме того, для регулирования качества сварки необходимо выявить характеристики и режимы процесса сварки, обеспечивающие уменьшение влияния возможного неудовлетворительного качества готовых электродов на качество сварного шва.

Задачей изобретения является выявление причин неудовлетворительного качества электродов и обеспечение возможности управления качеством электродов на стадии их производства.

Технический результат, обеспечиваемый решением указанной задачи, заключается в повышении достоверности оценки качества электродов, возможности выявления погрешностей технологического процесса изготовления электродов на различных его этапах, а также в возможности корректировки состава покрытия при разработке новых электродов и при промышленном изготовлении электродов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ изготовления покрытых электродов для ручной дуговой сварки включает выбор параметров технологического процесса, при которых изготовленные электроды имеют стабильное качество, при этом фиксируют значения выбранных параметров технологического процесса и для каждого из них определяют в, по меньшей мере, одной выборке электродов две группы показателей качества, первая из которых включает показатели изготовления электрода, а вторая группа - технологические показатели электродов в виде определяемых раздельно показателей плавления электрода и показателей плавления покрытия электрода, причем в качестве показателей изготовления электрода используют диаметр стержня d, мм, и диаметр стержня с покрытием D, мм, коэффициент массы покрытия К_мп=М_п/М_с, где М_п - масса покрытия на стержне, г, M_с - масса покрытой части стержня, г, условную плотность покрытия П_у=М_п/D²-d², г/см³, и степень неоднородности покрытия в выборке (П_{у mах}-П_{у min})/П_{у max}, %, а в качестве технологических показателей электродов используют показатели плавления электрода, включающие скорость его плавления V_пл, см/с, коэффициенты расплавления электрода α_р=М_р/I_св·t и наплавки α_н=М_н/I_св·t, г/А·ч, где М_р - масса расплавленного стержня, г, М_н - масса наплавленного металла, г, I_св - сварочный ток, A, t - длительность плавления электрода, с, коэффициент разбрызгивания электродного металла или приращения наплавленного металла ±ψ_м=(α_p-α_н)/α_p, %, а также показатели плавления покрытия электрода, включающие коэффициент выхода шлака К_вш=М_ш/М_n·100%, где М_ш и М_n - масса шлака на сварном шве и масса покрытия электрода, соответственно, коэффициент шлакообразования К_шл=М_ш/М_нм·100%, где М_нм - масса наплавленного металла, коэффициент металлургической эффективности покрытия К_ма=К_мп-К_шл, коэффициент суммарного перехода металлических составляющих в наплавленный металл ΣК_п=М_н/М_р·100%, после чего выбирают значения параметров технологического процесса, при которых упомянутые показатели качества в выборке электродов имеют допустимый размах значений, составляющий для диаметра стержня с покрытием - 0,015 мм, для степени неоднородности покрытия - 1,5%, для скорости плавления электрода - 0,002 см/с, для коэффициента разбрызгивания или приращения наплавленного металла - 2%, а для каждого из показателей плавления покрытия электрода - 0,8%.

В качестве параметров технологического процесса изготовления электродов выбирают давление опрессовки, длину обмазочной камеры, диаметр фильеры, фракционный состав компонентов шихты, количество жидкого стекла и пластификаторов, вводимых в шихту, состав покрытия электродов.

По значениям размаха показателей качества для электродов одной выборки определяют стабильность качества изготовления электродов и процесса плавления электрода и покрытия.

Для реализации предлагаемого способа используют следующие показатели качества электродов.

ПОКАЗАТЕЛИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ:

- диаметр стержня d, мм, и диаметр электрода с покрытием D, мм;

- коэффициент массы покрытия К_мп=М_п/М_с, где М_п - масса покрытия на стержне, г, M_с - масса покрытой части стержня, г;

- условная плотность покрытия П_у=M_п/D²-d², г/см³, где d - диаметр стержня электрода, мм;

- степень неоднородности покрытия в выборке в заданной группе электродов (П_{у mах}-П_{у min})/П_{у max}, %.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕКТРОДОВ

ПОКАЗАТЕЛИ ПЛАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА:

- скорость плавления электрода V_пл, см/с;

- коэффициенты расплавления электрода α_p=М_р/I_св·t и наплавки α_н=М_н/I_cв·t, г/А·ч, где М_р - масса расплавленного стержня, г, М_н - масса наплавленного металла, г, I_св - сварочный ток, А, t - длительность плавления электрода, с;

- коэффициент разбрызгивания (электродного металла) или приращения (наплавленного металла) +ψ_м=(α_р-α_н)/α_р, %.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПЛАВЛЕНИЯ ПОКРЫТИЯ:

- коэффициент выхода шлака К_вш=М_ш/М_п·100%, где М_ш и М_п - масса шлака на сварном шве и масса покрытия электрода, соответственно;

- коэффициент шлакообразования К_шл=М_ш/М_нм·100%, где М_нм - масса наплавленного металла;

- коэффициент металлургической эффективности (активности) покрытия К_ма=К_мп-К_шл;

- коэффициент суммарного перехода металлических составляющих в наплавленный металл ΣК_п=М_н/М_р·100%.

Приведенные выше показатели качества электродов определяют следующим образом.

Диаметр стержня d и диаметр электрода с покрытием D измеряют микрометром в трех-пяти сечениях по длине электрода с определением среднего арифметического значения D ср.

Коэффициент массы покрытия К_мп определяют взвешиванием массы покрытия, массы покрытой части стержня, измерением длины стержня. При известной массе погонного сантиметра стержня можно исключить операцию взвешивания стержня.

Условную плотность покрытия П_у и степень неоднородности покрытия в выборке из данной группы электродов вычисляют с учетом упомянутых выше значений D и d. При этом упомянутые показатели определяют для выборки электродов из одного замеса, одной проволоки, одного состава покрытия и одного состава жидкого стекла.

Скорость плавления электрода V_пл вычисляют путем измерения длины электрода до плавления и длины огарка после плавления, а также длительности плавления по секундомеру.

Для определения коэффициента расплавления электрода α_p определяют массу расплавленной части проволоки, а сварочный ток и длительность плавления электрода определяют по амперметру и секундомеру, соответственно.

Для определения коэффициента наплавки α_н взвешивают используемую при испытаниях пластину до наплавки и после наплавки.

Коэффициент разбрызгивания -ψ_м (электродного металла) или приращения +ψ_м (наплавленного металла) вычисляют с учетом коэффициентов расплавления и наплавки: при α_р>α_н получают коэффициент разбрызгивания (со знаком минус), а при α_p<α_н - коэффициент приращения (со знаком плюс).

Для получения коэффициента выхода шлака К_вш определяют массу шлака взвешиванием пластины до наплавки, после наплавки и после удаления шлака, а также массу покрытия взвешиванием электрода до и после его плавления.

Для получения коэффициента шлакообразования К_шл определяют взвешиванием пластины до и после наплавки массу наплавленного на ней металла и также взвешиванием - массу шлака на наплавленном металле.

Коэффициент металлургической эффективности покрытия К_ма и коэффициент суммарного перехода металлических составляющих в наплавленный металл ΣК_п определяют вычислением с учетом уже известных показателей.

Параметрами технологического процесса изготовления электродов, посредством которых можно регулировать качество электродов, являются следующие:

- давление опрессовки;

- качество смешивания компонентов шихты (с учетом конструкции смесителя, продолжительности процесса и т.д.);

- количество жидкого стекла и пластификаторов, вводимых в шихту;

- фракционный состав компонентов шихты;

- длина обмазочной камеры и диаметр фильеры.

Ниже приводится пример реализации предлагаемого способа по результатам комплексных испытаний электродов марки УОНИ-13/55 диаметром 4 мм, показывающим взаимосвязь показателей качества электродов и параметров технологического процесса их изготовления.

Для оценки качества электродов из замеса отбирали 5-10 штук. В качестве общих критериев хорошего качества электрода были приняты известные сварочно-технологические свойства при его расплавлении:

- стабильное горение дуги;

- характер переноса капель металла и шлака в сварочную ванну без разбрызгивания электродного металла;

- формирование шва правильной геометрической формы с мелкочешуйчатой поверхностью;

- хорошая отделимость шлаковой корки и отсутствие пригаров на шве;

- отсутствие в шве трещин, пор.

Учитывая множественность факторов, влияющих на качество электродов, в данном изобретении для анализа результатов испытаний в качестве критерия управления качеством электродов был принят размах показателей качества в пределах одной (или двух-трех) выборки с одинаковым составом покрытия и близкими технологическими параметрами изготовления электродов. Допустимый размах значений показателей (разность между максимальным и минимальным значением) определяли с учетом полученных данных предварительной оценки качества при расплавлении электродов и накопления статистических данных. Критерием размаха значений показателей следует пользоваться для определения стабильности качества электродов, а также для сравнения отдельных замесов с целью выявления операции, ответственной за изменение показателей сварочно-технологических и металлургических свойств.

Влияние и взаимодействие разнородных показателей качества в соответствии с предлагаемым способом на технологические свойства испытуемых электродов определяли сопоставлением статистических значений соответствующих показателей.

D и К_мп - свидетельствуют о формальном соответствии требованиям нормативной документации на электроды - ТУ и пр. Кроме того, значения размаха достаточно четко проявляют качество опрессовки: тщательность перемешивания, стабильность процесса истечения обмазочной массы из головки пресса, состояние оборудования - пресса, смесителя. Совместные значения d и К_мп в пределах одной выборки указывают, в частности, на качество перемешивания обмазочной массы. В общем случае: чем больше D, тем больше К_мп. Качество изготовления электродов можно признать удовлетворительным, если разность значений D в выборке электродов не превышает 0,015 мм.

Правильно заданный диаметр электрода с покрытием D и соответствие d последнему требованию обеспечивают стабильное горение дуги, формирование втулочки оптимальной глубины, хорошее формирование шва и шлака с приемлемой отделимостью, а также гармонизирует металлургические характеристики электродов К_вш и К_шл.

П_у - косвенно указывает на стабильность истечения обмазочной массы, степень ее однородности и равномерность распределения массы на каждом электроде. По значениям П_у относительно значений D можно с достаточной для практики точностью оценить равномерность распределения жидкого стекла в обмазочной массе и необходимость улучшения качества последующих замесов. Влияние неоднородности обмазочной массы покрытия проявляется в нестабильности сварочно-технологических свойств электродов, изменении формы и размеров валикового шва, неравномерной отделимости шлака на одном шве, а также в нестабильности значений показателей плавления электрода одного замеса. Допускаемая норма неоднородности покрытия в пределах одной выборки должна соответствовать 1,5%.

Сопоставление показателей α_p и α_н характеризует стабильность процесса плавления каждого электрода выборки в сочетании со значениями размаха показателей ψ_м, которые не должны превышать 2%. Приведенные значения размаха позволяют выбрать предпочтительные сварочные токи, которые корректируют в зависимости от характера плавления электрода. Устойчивые значения коэффициента приращения ψ_м свидетельствуют о корректности выбора оптимального сварочного тока и достаточно высоком качестве электрода.

От скорости плавления V_пл зависит стабильность металлургических процессов при плавлении электрода, в особенности степень извлечения металлических составляющих электрода, формирование валика шва и его поверхности, а также разбрызгивание или приращение наплавленного металла. Размах значений V_пл, превышающий 0,002 см/с, свидетельствует о неудовлетворительном состоянии механизма подачи стержней или неоднородности обмазочной массы.

По коэффициентам плавления покрытия электродов (выхода шлака, шлакообразования, металлургической эффективности) оценивают стабильность металлургических процессов при плавлении электрода, они указывают на необходимость регулирования сварочного тока, что позволяет оптимизировать переход металлической составляющей электрода в наплавленный метал. Показатели плавления покрытия электродов существенно зависят от давления опрессовки. Размах значений показателей плавления покрытия электрода не должен превышать 0,8%.

Стабильность качества изготовления электродов и процесса плавления электрода и покрытия определяется известным в математической статистике значением размаха показателей качества. Приемлемые значения размаха специалисты получают в процессе использования предлагаемого способа и накопления информации при исследовании конкретных электродов в условиях конкретного производства.

В качестве одного из вариантов конкретной реализации способа можно привести пример определения показателей изготовления электродов, согласно которому фиксируют значения одного из параметров оборудования, например длину обмазочной камеры (от 1 до 4 мм при диаметре фильеры 6,11-6,12 мм), и определяют для каждого из упомянутых зафиксированных значений показатели качества, относящиеся к показателям изготовления электродов. Анализ полученных данных показал, что при длине камеры 1 мм и 2 мм средний диаметр электрода больше, чем при длине камеры 3 мм и 4 мм. При этом наименьший размах значений диаметра электрода и минимальный размах значений D и К_мп имеют электроды, спрессованные при длине камеры 3 мм, которую выбирают как лучший параметр для получения электродов стабильного качества, обеспечивающий наиболее благоприятные условия гомогенизации обмазочной массы. При дальнейшем исследовании металлургических показателей качества этих электродов выяснилось, что именно эти электроды имеют самую высокую производительность плавления и наиболее стабильные показатели сварочно-технологических свойств.

С помощью определения показателей качества электродов, рассматриваемых в предлагаемом способе, также может быть решена задача корректировки состава покрытия при разработке новых электродов и при промышленном изготовлении электродов. Например, при проведении исследований опытно-промышленного варианта рутиловых электродов с плавиковым шпатом в покрытии для сварки высоколегированных сталей проявились его недостатки, связанные с нестабильностью коэффициентов расплавления, наплавки, разбрызгивания (приращения) и коэффициента выхода шлака, а также с неудовлетворительной отделимостью шлака.

Результаты сравнительных испытаний опытно-промышленных электродов с плавиковым шпатом в покрытии и лучшего варианта опытных электродов, в покрытии которых плавиковый шпат заменен равным количеством полевого шпата, показали, что замена на полевой шпат существенно изменила характер плавления электродов, обеспечила уменьшение размаха значений упомянутых выше коэффициентов, что привело к более спокойному горению дуги, более равномерному переносу капель металла в сварочную ванну.

Параметром процесса сварки (при возможном неудовлетворительном качестве электродов), который поддается регулированию в зависимости от полученных при испытании электродов значений показателей качества, является также сварочный ток. Правильный выбор сварочного тока не только при испытании электродов, но и в производственных условиях позволяет косвенно улучшить качество сварных швов при некоторых недостатках электродов и получить шов с гладкой, мелкочешуйчатой поверхностью и с плавным переходом от кромки валика к основному металлу. При этом, прежде всего, выбирают ток, близкий по значениям к минимальному рекомендованному производителем. Этот ток называют оптимальным и его можно изменять в пределах ±2A.

Приведенные примеры использования предлагаемого способа показывают, что среди всех показателей качества в различных случаях одни из них более значимы, чем другие, в зависимости от целей проводимых исследований, при этом сфера применения способа не ограничивается приведенными примерами.

Изобретение может быть использовано для контроля и управления качеством электродов на всех операциях их изготовления. Фиксируют значения выбранных параметров технологического процесса и для каждого из них определяют в по меньшей мере одной выборке электродов две группы показателей качества. Первая характеризует показатели изготовления электрода, а вторая - технологические показатели электродов и включает определяемые раздельно показатели плавления электрода и показатели плавления покрытия электрода. Показатели изготовления электрода оценивают путем измерения и вычисления диаметра стержня и электрода с покрытием, коэффициента массы покрытия, условной плотности покрытия и степени неоднородности покрытия в выборке. Технологические показатели электродов определяют путем расплавления электродов с определением показателей плавления электрода и показателей плавления покрытия электрода. Выбирают показатели, имеющие допустимый размах значений, таким образом, выявляют параметры технологического процесса, обеспечивающие стабильное качество изготовленных электродов. Способ обеспечивает повышение достоверности оценки качества электродов, возможность выявления погрешностей технологического процесса изготовления электродов на различных его этапах. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления покрытых электродов для ручной дуговой сварки, включающий выбор параметров технологического процесса, обеспечивающих стабильное качество изготовленных электродов, при этом фиксируют значения параметров технологического процесса и для каждого из них определяют в, по меньшей мере, одной выборке электродов две группы показателей качества, первая из которых включает показатели изготовления электрода, а вторая группа - технологические показатели электродов в виде определяемых раздельно показателей плавления электрода и показателей плавления покрытия электрода, причем в качестве показателей изготовления электрода используют диаметр стержня d, мм и диаметр стержня с покрытием D, мм, коэффициент массы покрытия К_мп=М_п/М_с, где М_п - масса покрытия на стержне, г; M_с - масса покрытой части стержня, г; условную плотность покрытия П_у=M_п/D²-d², г/см³ и степень неоднородности покрытия в выборке (П_{у mах}-П_{у min})/П_{у max}, %, а в качестве технологических показателей электродов используют показатели плавления электрода, включающие скорость его плавления V_пл, см/с, коэффициенты расплавления электрода α_р=М_р/I_св·t и наплавки α_н=М_н/I_св·t, г/А·ч, где М_р - масса расплавленного стержня, г; М_н - масса наплавленного металла, г; I_св - сварочный ток, A; t - длительность плавления электрода, с, коэффициент разбрызгивания электродного металла или приращения наплавленного металла ±ψ_м=(α_р-α_н)/α_р, %, а также показатели плавления покрытия электрода, включающие коэффициент выхода шлака К_вш=М_ш/М_п·100%, где М_ш и М_п - масса шлака на сварном шве и масса покрытия электрода, соответственно, коэффициент шлакообразования К_шл=М_ш/М_нм·100%, где М_нм - масса наплавленного металла, коэффициент металлургической эффективности покрытия К_ма=К_мп-К_шл, коэффициент суммарного перехода металлических составляющих в наплавленный металл ΣК_п=М_н/М_р·100%, после чего выбирают значения параметров технологического процесса, при которых упомянутые показатели качества в выборке электродов имеют допустимый размах значений, составляющий для диаметра стержня с покрытием - 0,015 мм, для степени неоднородности покрытия - 1,5%, для скорости плавления электрода - 0,002 см/с, для коэффициента разбрызгивания или приращения наплавленного металла - 2%, а для каждого из показателей плавления покрытия электрода - 0,8%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров технологического процесса изготовления электродов выбирают давление опрессовки, длину обмазочной камеры, диаметр фильеры, фракционный состав компонентов шихты, количество жидкого стекла и пластификаторов, вводимых в шихту, состав покрытия электродов.