НЕПЛАВЯЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ДУГОВЫХ ПРОЦЕССОВ И СПОСОБ СВАРКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ Российский патент 2015 года по МПК B23K35/02 B23K9/167 

Изобретение относится к электродуговым процессам, преимущественно к плазменной сварке постоянным током алюминия и его сплавов, а также цветных металлов больших толщин, где рекомендуется применение сварки на обратной полярности в среде защитного газа, и может быть использовано в различных областях промышленности.

Известны различные конструкции электродов, применяемых при плазменной сварке и конструктивно входящих в состав плазмотронов. Так, широко известны электроды с припаянным медным наконечником, внутри которых расположена трубка для подвода к наконечнику охлаждающей воды. Например, неплавящийся электрод по патенту №2248868.

Однако подобные электроды имеют такой недостаток, как недостаточный ресурс и неустойчивость дуги, особенно при малых токах, при незначительном смещении электрода относительно плазмообразующего сопла.

Известен неплавящийся электрод для дуговых процессов на обратной полярности по патенту №1496969, принятый за прототип настоящего изобретения. Этот неплавящийся электрод содержит электропроводный корпус, в котором закреплен высокотемпературный стакан с запрессованной в нем вольфрамовой вставкой, а в полости стакана размещена водоохлаждаемая трубка.

Однако этот прототип слишком сложен в изготовлении.

Почти все известные способы сварки плазмотронами с неплавящимися электродами используют для предохранения от расплавления стакана поток охлаждающей жидкости, чаще всего воды. При этом обычно варьируется только скорость охлаждения в зависимости от требований к температуре анодного пятна. Исходя из сказанного в качестве прототипа заявленного способа выбрана заявка на патент №2003120016.

Задачей настоящего изобретения является создание неплавящегося электрода для плазмотронов, используемых при автоматической сварке постоянным током на обратной полярности алюминиевых сплавов большой толщины, и разработка способа сварки, обеспечивающего стабилизацию (стабильность) электрической дуги, горящей между электродом и изделием, и с эффективной системой охлаждения его электрода.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, будет повышение качества сварного шва за счет устойчивого горения дуги на больших токах, а также увеличение ресурса электрода.

Известно, что при плазменной сварке алюминия на обратной полярности деталей больших толщин (15÷20 мм) необходимо применять сварочный ток 500÷700 А. Сварочная ванна в этом случае может достигать в диаметре 20÷30 мм и она становится зависимой от плотности сварочного тока. При плотностях тока выше 20 А/мм² сварочная ванна начинает возмущаться (вскипать) и процесс сварки становится невозможным. Главным органом в плазматроне, формирующим определенную плотность тока, является электрод, а на втором месте - плазмообразующее сопло и далее другие параметры. Кроме управления плотностью тока электрод должен иметь определенную температуру рабочего торца вольфрамовой вставки. При сварке на обратной полярности анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода и его температура может превышать 2500°C. Эмпирически было установлено, что если анод переохладить, что происходит при высокой скорости охлаждающей жидкости, то будут нарушаться процессы, протекающие в столбе дуги, в результате чего на поверхности анода образуется серая корка, толщина которой увеличивается с течением времени, что отрицательно влияет на формирование сварного шва. Когда температура анода превышает температуру плавления вольфрама, то торец электрода меняет форму и начинает испаряться, что также отрицательно сказывается на формировании сварного шва.

Необходимость создания плазмотронов для автоматической сварки требует оптимизации конструкции его наиболее теплонагруженных узлов, одним из которых является электрод. Поэтому основным техническим результатом, обеспечивающим решение указанных задач, является оптимизация размеров электрода, например соотношения его наружного диаметра с размерами вольфрамовой вставки. Эти соотношения существенно оказывают влияние на работу всего плазмотрона, в том числе достигать устойчивого горения дуги за счет распределения анодного пятна дуги по всей поверхности вольфрамовой вставки. В результате такого распределения анодного пятна по всей поверхности вольфрамовой вставки не происходит повышения плотности тока более 20 А/мм², что обеспечивает формирование сварного шва при спокойной сварочной ванне без «вскипания», что, в свою очередь, благоприятно сказывается на повышении качества сварного шва.

Экспериментально были установлено, что наиболее оптимальные результаты сварки получаются при температуре анодного пятна в диапазоне 2300÷2500°C, когда торец вольфрамовой вставки не расплавляется, и при определенных геометрических размерах вольфрамовой вставки и медного корпуса.

Исходя из вышеизложенного заявленный технический результат достигается в техническом решении неплавящимся электродом для плазменной сварки на обратной полярности, содержащим электропроводный корпус, в котором закреплен медный стакан с установленной в нем вольфрамовой вставкой, а в полости стакана размещенной водоохлаждаемой трубкой. При этом геометрические размеры вольфрамовой вставки и медного стакана выбраны из следующих соотношений:

D=m√l, где

D - диаметр вольфрамовой вставки;

l - максимальный ток сварки;

m - эмпирический коэффициент =(0,41÷0,42).

D₁=2D; L=D, где

D₁ - диаметр медного стакана;

L - длина вольфрамовой вставки.

Заявленный технический результат достигается в техническом решении способа сварки неплавящимся электродом для плазменной сварки на обратной полярности, при котором внутреннюю поверхность электрода охлаждают жидкостью, которую подают со скоростью от 4 до 5 м/с. При этом поддерживают температуру торца вольфрамовой вставки в пределах 2300-2500°C, а для сварки применяют ток 500-700 А.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется с помощью фигуры (фиг.), на которой представлен общий вид электрода. Электрод состоит из электропроводного корпуса 1, к которому присоединяется при помощи резьбы или другим методом медный стакан 2, в котором находится вольфрамовая вставка 3. Предварительно вольфрамовая вставка устанавливается в графитовом тигле вместе с заготовкой из чистой меди (например, из меди марки М0 или М00). Тигель нагревают в вакуумной печи до расплавления меди, затем печь охлаждают и извлекают медную заготовку с вольфрамовой вставкой и обрабатывают согласно фиг. 1. Внутри медного стакана размещена водоохлаждаемая трубка 4, по которой подают воду или дистиллированную воду под давлением 0,4-0,5 МПа, обеспечивая скорость потока жидкости 4-5 м/с.

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано при плазменной сварке постоянным током на обратной полярности в среде защитного газа алюминия и его сплавов, а также цветных металлов больших толщин. Неплавящийся электрод содержит электропроводный корпус, в котором закреплен медный стакан с установленной в нем вольфрамовой вставкой, которая выступает из стакана на величину, равную толщине его дна, при этом геометрические размеры вольфрамовой вставки и медного стакана выбирают из заданных соотношений. В полости стакана размещена водоохлаждаемая трубка, посредством которой осуществляют охлаждение внутренней поверхности электрода. Охлаждающую жидкость подают со скоростью от 4 до 5 м/с и при этом поддерживают температуру торца вольфрамовой вставки в пределах 2300-2500°C, а сварку ведут на токах 500-700 А. Использование изобретений позволяет повысить качество сварного шва за счет устойчивого горения дуги на больших токах, а также увеличить ресурс электрода. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Неплавящийся электрод для плазменной сварки на обратной полярности, содержащий электропроводный корпус, в котором закреплен медный стакан с установленной в нем вольфрамовой вставкой, а в полости стакана размещена водоохлаждаемая трубка, отличающийся тем, что вольфрамовая вставка выступает из стакана на величину, равную толщине его дна, а геометрические размеры вольфрамовой вставки и медного стакана выбраны из следующих соотношений:
D=m√I, где
D - диаметр вольфрамовой вставки,
I - максимальный ток сварки,
m - эмпирический коэффициент =(0,41÷0,42),
D₁=2D; L=D, где
D₁ - диаметр медного стакана,
L - длина вольфрамовой вставки.

2. Способ плазменной сварки на обратной полярности с использованием неплавящегося электрода по п. 1, включающий охлаждение внутренней поверхности электрода с помощью водоохлаждаемой трубки, по которой подают жидкость со скоростью от 4 до 5 м/с и поддерживают температуру торца вольфрамовой вставки в пределах 2300-2500°C, а для сварки применяют ток 500-700 А.