СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТУЧНОГО ЭЛЕКТРОДА Российский патент 2012 года по МПК B23K35/40 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к технологии изготовления электродов и может быть применено при отработке состава покрытия электрода.

Известен плавящийся электрод для электродуговой сварки и наплавки (заявка на изобретение №2002118422/02, от 27.03.2004 г., МПК⁷ В23K 35/02, 35/362). Активирующий материал выполнен в виде покрытого оболочкой сердечника. Оболочка состоит из смеси полимера с активирующим флюсом при следующем соотношении компонентов, мас.% активирующий флюс 5…80, полимер 20…95. Сердечник может быть выполнен из металлической проволоки, или металлической ленты, или металлического порошка. Полимер выбран из группы: политетрафторэтилен, полиамид, полиимид. За счет дегазации сварочной ванны и восстановления оксидов увеличивается плотность наплавленного металла, что позволяет улучшить качество соединений. Однако такая конструкция электрода достаточно сложна и трудоемка по технологии изготовления. Это не позволяет повысить технологичность процесса производства электродов и сэкономить время при разработке составов электродного покрытия.

Известен также электрод с двухслойным покрытием и технология его изготовления (заявка на изобретение №2003130908/02, от 20.01.2005 г., МПК⁷ В23К 35/365, 35/10). Электрод для дуговой сварки содержит металлический стержень, на поверхность которого нанесено двухслойное покрытие. 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 выполнение электрода позволяет улучшить его технологические свойства и повысить качество металла сварного шва. Однако электрод по прототипу недостаточно влияет на технологичность процесса производства электродов при отработке оптимального состава электродного покрытия, обеспечивающего требуемый химический состав наплавленного металла.

Известен способ изготовления штучных электродов для ручной дуговой сварки. (заявка на изобретение №2003130240/02, от 04.10.2005 г., МПК⁷ В23K 35/00). На металлический стержень наматывают ленту со сплошной поверхностью или в виде тканой, либо нетканой сетки из эластичного материала нейтрального или активного по отношению к атмосфере дугового промежутка и к металлу шва, на которую: 1) наклеивают порошки различных компонентов электродного покрытия или различные порошкообразные смеси этих компонентов; 2) на ленту в процессе ее изготовления из расплава или тестообразного состояния вводят тонкоразмолотые порошки компонентов электродных покрытий или смесей этих компонентов; 3) порошки компонентов или смесей компонентов покрытия замешивают на клейком связующем и загружают полученные пасты в бункеры, а в процессе намотки на металлический стержень ленты протягивают через бункеры. Такая конструкция электрода по сравнению с предыдущей еще более сложна и трудоемка по технологии изготовления, что также не позволит повысить технологичность процесса производства электродов и сэкономить время при разработке составов электродного покрытия, обеспечивающей качественный наплавленный металл.

Известен способ изготовления электрода, который 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. При изготовлении электрода применяется окунание. Упомянутый слой может быть нанесен в виде намотанной на поверхность ленты из одного или нескольких активирующих компонентов (патент РФ №2244615, опубл. 20.01.2005 г.) - прототип.

Использование электрода позволяет повысить производительность процесса ручной дуговой сварки. Однако данная технология не позволяет сократить время при отработке состава покрытия электрода.

Техническая задача изобретения - повышение технологичности процесса производства штучных электродов и сокращение времени и средств при отработке состава покрытия электрода.

Сущность изобретения состоит в том, что способ изготовления штучного электрода, включает нанесение на металлический стержень первого слоя покрытия обладающего повышенным сродством к кислороду, а затем второго слоя, содержащего шлакообразующие и газообразующие элементы окунанием, при этом производят нанесение на стержень из бронзы первого слоя покрытия путем плазменного напыления алюминиевого порошка и последующего нанесения второго слоя покрытия путем окунания, содержащего шлакообразующие и газообразующие компоненты. Слой компонентов, обладающих повышенным сродством к кислороду, наносится непосредственно на металлический стержень плазменным напылением под слой, содержащий шлакообразующие и газообразующие компоненты. Расположение слоя компонентов, обладающих повышенным сродством к кислороду, непосредственно на поверхности стержня приближает зону испарения этих компонентов к сварочной дуге, горящей между электродом и поверхностью наплавляемой детали. Пар этих компонентов в этом случае будет более полно захватываться газовым потоком, возникающим в приэлектродной области дуги вследствие действия электродинамических сил. Это увеличивает количество компонентов переносимых в сварочную ванну расплавленного металла и, соответственно в результате в наплавленный закристаллизовавшийся металл. Кроме того, газообразующие и шлакообразующие компоненты, входящие в состав второго внешнего слоя двухслойного покрытия, расположенные на периферии сварочной дуги предотвращают при этом окисление компонентов, обладающих повышенным сродством к кислороду, кислородом воздуха, обеспечивая пониженную газонасыщенность сварочной ванны расплавленного металла. Таким образом, достигается необходимый химический состав наплавленного металла, обеспечивающий его надлежащие свойства.

Такое выполнение электрода позволяет значительно уменьшить количество натурных экспериментов при отработке состава сварочных и наплавочных материалов (как компонентов шихты, так и марок жидкого стекла). Повышается технологичность при разработке и изготовлении плавящихся электродов.

Сравнение заявляемого решения с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:

- нанесение на стержень из бронзы первого слоя покрытия путем плазменного напыления алюминиевого порошка;

- последующее нанесение второго слоя покрытия путем окунания, содержащего шлакообразующие и газообразующие компоненты.

Поэтому можно предположить, что заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна».

Изобретательский уровень заявляемой совокупности признаков определяется следующим:

1) практически отсутствует окисление напыляемого порошка и основного металла, что имеет большое значение при применении алюминия имеющего повышенное сродство к кислороду (т.е. обеспечивается необходимый перенос алюминия в наплавленный металл);

2) отсутствие в наплавленном металле оксида алюминия Аl₂О₃, приводящего к появлению дефекта типа «шиферный излом», значительно снижающего качество наплавленного металла;

3) возможность широкого варьирования нанесения толщины покрытия от нескольких мкм до 2 мм (в первом слое двухслойного покрытия электрода) в зависимости от режима напыления и, соответственно, количества алюминия в наплавленном металле, что подтверждают результаты химического анализа (см. таблицу).

Кроме того, результаты исследования металла наплавленного электродом с двухслойным покрытием, первый слой которого выполнен обычным способом (нанесение окунанием на стержень из бронзы АМц 9-2 алюминиевого порошка на жидком стекле), подтверждают невозможность применения обычных способов изготовления электродов (опрессовкой и окунанием) для переноса в наплавленный металл необходимого количества элемента, имеющего повышенное сродство к кислороду (в нашем случае алюминия, см. таблицу).

В таблице показаны результаты химического анализа содержания алюминия в верхнем наплавленном слое металла (наплавка в три слоя) в зависимости от способа нанесения алюминия в первый слой двухслойного электрода, мас.%.

Таблица Способ нанесения Результаты анализа Плазменное напыление, δ* Окунание, δ* 0,05 мкм 0,10 0,15 0,20 1 MM Содержание алюминия 7,53 8,02 8,47 8,98 5,73 * Примечание: δ - толщина первого слоя электрода с двухслойным покрытием

При проведении сварочно-технологических испытаний и изготовлении макрошлифов отмечено снижение качества наплавленного металла (наличие большого количества пор и дефектов типа «шиферный излом»), в случае нанесения обоих слоев двухслойного электродного покрытия окунанием.

Заявляемая совокупность признаков не была выявлена при проведении патентно-информационных исследований, поэтому можно предположить, что заявляемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Примером применения предлагаемого электрода может служить ручная дуговая наплавка штучными электродами, стержень бронза марки Бр АМЦ9-2, диаметром 3 мм с экспериментальным составом покрытия на Ст3. Отработка состава двухслойного электродного покрытия была проведена по заявляемому способу. Способом плазменного напыления на поверхность металлического стержня был нанесен алюминий, который, как известно, обладает повышенным сродством к кислороду, с толщиной его покрытия 0,05; 0,10; 0,15 и 0,20 мм на сторону, что было достигнуто варьированием режимов плазменного напыления (подобная толщина покрытия невозможна при обычных способах его нанесения - опрессовкой и окунанием). Второй слой компонентов двухслойного покрытия нанесен методом окунания в виде их порошкообразной смеси, замешанной на жидком стекле. За основу газообразующих и шлакообразующих компонентов, входящих в состав второго внешнего слоя двухслойного покрытия была использована система флюоритно-карбонатного типа СаСО₃ (мрамор)+CaF₂ (флюоритовый концентрат). Кроме того, в состав шихты была введена лигатура на основе редкоземельных металлов. Как известно, редкоземельные металлы обладают большим сродством к кислороду по сравнению с алюминием, что позволяет еще в большей степени увеличить переход алюминия в наплавленный металл. Наплавку пластин производили на Ст3 на постоянном токе обратной полярности. Сила тока составляла 90…100 А. Наплавку осуществляли в 3 слоя. После наплавки определяли химический состав верхнего наплавленного слоя металла образцов, по которому, как следствие, устанавливали оптимальную величину толщины покрытия первого слоя, нанесенного способом плазменного напыления, обеспечивающую необходимое содержание алюминия в наплавленном металле.

Таким образом, применение предлагаемого электрода позволяет значительно уменьшить количество натурных экспериментов при отработке составов наплавочных материалов. Это свидетельствует о том, что предлагаемая конструкция электрода позволяет повысить технологичность при разработке и изготовлении плавящихся электродов.

Изобретение может быть использовано при отработке состава покрытия и изготовлении штучных электродов. На стержень из бронзы плазменным напылением наносят первый слой покрытия из алюминиевого порошка, обладающий повышенным сродством к кислороду. Затем окунанием наносят второй слой, содержащий шлакообразующие и газообразующие компоненты, которые предотвращают окисление компонентов внутреннего слоя, понижая газонасыщенность сварочной ванны. Электрод также обеспечивает необходимый химический состав наплавленного металла за счет увеличения количества легирующих компонентов, переносимых в сварочную ванну. 1 табл.

Способ изготовления штучного электрода, включающий нанесение на металлический стержень первого слоя покрытия, обладающего повышенным сродством к кислороду, а затем второго слоя, содержащего шлакообразующие и газообразующие компоненты, окунанием, отличающийся тем, что первый слой покрытия наносят на стержень из бронзы плазменным напылением алюминиевого порошка.