Неплавящийся электрод для плаз-МЕННОй ОбРАбОТКи Советский патент 1981 года по МПК B23K35/00 B23K9/16 

(54) НЕПЛАВЯЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ

1

Изобретение относится к обработке металлов и может быть использовано дли электродуговых процессов в среде углекислого газа, преимущественно для плазменной сварки металлов в среде углекислого газа или в смесях на основе углекислого газа.

Изйестен неплавящийся электрод для плазменной обработки в среде углекислого, газа, содержащий охлаждаемый водой металлический держатель, вьтолненный из меди, и активную вставку из циркония, соединенную с держателем при помощи пайки. При работе этого неплавящегося электрода в сре де углекислого газа активная вставка из циркония вступает в химическое взаимодействие с активными комтгонентами плазмообразующего газа (углеродом и кислородом), при этом на всей рабочей поверхности активной вставки образуется пленка,состоящая из соединения циркония с углеродом и кислородом - оксикарбид циркония.Слой из ок;сикарбида циркония имеет большую термическую устойчивость и более высокие эмиссионные свойства,чем металлический цирконий TI ..

Однако при плазменной обработке в среде углекислого газа на штоках электрической дуги свыше 300 А ресурс работы такого электрода (суммарное время горения электрической дуги при сварке) является неприемлемым для промьппленной. эксплуатации.

Известен также неплавящийся электрод для плазменной обработки в среде углекислого газа, содержащий держатель из меди или ее сплавов и расположенную в нем активную вставку из гафния, на поверхности которой расположен слой оксикарбида гафния

Недостатком такого электрода является невозможность его использования на токах Электрической дуги свьгще 400 А из-за нарушения термической стабильности с:лоя оксикарбида гафния. Это Практически исключает его использование для плазменной сварки низкоулеродистых и низколегированных стале толщиной свыше 6 мм в среде углекислого газа или в смесях на основе углекислого газа.

Цель изобретения - повьшение ресурса работы электрода путем.повышения его термической стойкости.

Для достижения указанной цели по крайней мере 0,25 поверхности слоя оксикарбида гафния покрыта слоем графи та.

Нанесение на слой оксикарбида гафния слоя графита, который о.бразует рабочую поверхность активной вставки обеспечивает снижение теплового потока, падающего на неплавящийся электрод и повышение термической устойчивости эмиссионных свойств предлагаемого неплавящегося электрода, т.е. уменьшение эрозии активной вставки.

Эксперименты показывают, что чем большая часть поверхности слоя из оксикарбида гафния покрыта слоем графита, тем вьше термическая стойкость электрода и тем выше его ресурс.Изучение зависимости ресурса неплавящегося электрода от площади поверхности слоя оксикарбида гафния, покрытого слоем графита, показывает, что хотя максимальный ресурс неплавящегося электрода реализуется при покрытии слоем графита всей поверхности слоя оксикарбида гафния, приемлемым для промышленного использования неплавящегося электрода для плазменной сварки в углекислом газе на токах электрической дуги свыше 400 А ресурс достигается, если слой графита составляет не менее чем 0,25 площади всей рабочей Поверхности слоя оксикарбида гафния. Эксперименты также показывают, что при работе неплавящихся электродов в среде углекислого газа или в смесях на основе углекислого газа на токах электрической дуги свьппе 400 А скорость эрозии активной вставки резко увеличивается. Причина столь быстрого выгорания неплавящегося электрода в среде углекислого газа или в его смесях связана с тем, что при работе неплавящегося электрода по мере эрозии активной вставки и погрз ения столба электрической дуги в образующийся кратер , тепловой поток растет и происходит катастрофическое разрушение электрода. Однако небольшое количество неплавящихся электродов (примерно 10% от общего числа исследованных электродов) при повышении тока электрической дуги cBbmie 400 А продолжает стабильно работать в среде углекислого газа или в смесях на основе углекислого газа в течение нескольких часов. Анализ строения рабочей поверхности гафниевой активной вставки исследуемых неплавящихся электродов показывает, что у всех стабильно работавших неплавяшлхся электродов слой оксикарбида гафния, расположенный на поверхности гафниевой активной вставки, покрыт слоем графита, а у всех неплавящихся электродов, имеющих высокую скорость эрозии, слой оксикарбида гафния, расположенный на поверхности гафниевой активной втавки, не имеет графитового покрытия.

Установлена взаимооднозначная связь между повышенной стойкостью неплавящегося электрода в среде углекислого газа или всмесях на основе углекислого газа при токах :3лектрической дуги свыше 400 А и наличием графитового слоя на рабочей поверхности пленки из оксикарбида гафния, покрывающей рабочую поверхность гафниевой активной вставки. Чем большая часть поверхности слоя из оксикарбида гафния покрыта слоем графита, тем ресурс неплавящегося электрода в среде углекислого газа или в смесях на основе углекислого газа,и образование слоя графита на слое оксикарбида гафния происходит всегда от периферии рабочей поверхности к центру,т..е.на участках поверхности слоя из оксикарбида гафния,имеющих наиболее низкую рабочую температуру.Образование слоя графита на поверхности пленки из оксикарбида гафния происходит в результате взаимодействия оксикарбида гафния с моноокисью углерода, образующейся при термической диссоциации углекислого газа в прикаточной части столба электрической дуги. Основной особенностью этого взаимодействия является узкий температурный интеграл, при котором оно происходит, с образованием графита, составляющей не более . Этим объясняется экспериментально наблюдаемое образование слоя графита на периферийнйй части поверхности слоя из оксикарбида гафния,где рабочая температура слоя с одной стороны минимальна а с другой стороны имеет малый радиальный градиент.Другой существенной особенностью взаимодействия оксикарбида гафния и моноокиси углерода является то, что данное взаимодействие происходит При высоком абсолютном уровне температуры, превышающем 250СГС При таких температурах слой графита может обеспечивать основную долю тока электрической дуги за счет тока термо электрической гэмиссии,что привЬдит к увеличению ресурса неплавящегося электрода, наблюдаемому при увеличении доли рабочей поверхности слоя из оксикарбида гафния, покрытой слоем графита. Экспериментальное изучение зависимости ресурса неплавящегося электрода от площади поверхности слоя окси карбида гафния, покрытой слоем графита, показывает, что хотя максимальный ресурс неплавящегося электрода реализуется при покрытии слоем графита всей поверхности слоя гафния, приемлемый для промьшшенного использования неплавящегося электрода для плазменной сварки в углекислом газе на токах электрической дуги свыше 400 А ресурс достигается, если при предлагаемой геометрии активной вста ки слой графита образуется и непреры но поддерживается в процессе работы неплавящегося электрода на площади .не менее чем 0,25 площади всей рабо чей поверхности слоя оксикарбида гаф ния. На чертеже изображен предлагаемый неплавящийся электрод, сечение. Неплавящийся электрод состоит из держателя , выполненного из меди и запрессованной в нее заподлицо актив ной вставки 2 из гафния. На наружной поверхности вставки 2 расположен сло 3 из оксикарбида гафния, на котором расположен слой 4 из графита. Пример 1. В неплавящемся электроде, содержащем медный держатель диаметром 20 мм и активную вста ку из гафния диаметром 3,6 мм, на поверхности активной вставки образован слой из оксикарбида гафния. На всей рабочей поверхности слоя из оксикарбида гафния образован слой графита. Высота активной вставки составляет 0,9 мм. Неплавящийся электрод испытывают в плазменной горелке с диаметром соп ла 11 мм в режимах плазменной сварки при следующих параметрах процесса: Материал свариваемых пластин низколегированная сталь 09г2 Толщина свариваемьк пластин, мм18-18 Плазмообразующий газ СОТок дуги, А . 1000 Расход плазмообразующего газа, л/ч 400 Пластины сваривают в нижнем положении без разделки кромок со сквоз- ным Проваром за один проход со скоростью 30 м/ч. Ресурс, как суммарное .время горения электрической дуги при сварке, составляет 1 ч. Пример2. В неплавящемся электроде, содержащем медный держатель диаметром 20 мм и активную вставку из гафия диаметром З.мм, на поверхности активной вставки образован слой из оксикарбида гафния. На 0,75 площади поверхности слоя из оксикарбида гафния образован слой графита. Высота активной вставки составляет 1,5 мм. Неплавящййся электрод испытывают в плазменной горелке с диаметром сопла 8 мм в режимах плазменной сварки при следующих параметрах процесса: Материал свариваемых изделий низкоуглеродистая сталь Ст.З Толщина свариваемых . пластин, мм Плазмообразующий газ 90% C0ri.+ 10%0, 750 Ток дуги,А Расход плазмообразующего газа, л/ч 800 Пластины сваривают в нижнем положении без разделки кромок со сквозным проваром за один проход со скоростью 50 м/ч. Ресурс неплавящегося электрода, как суммарное время горения электрической дуги при сварке,составля- ет 1,7ч. Пример 3. В неплавящемся электроде, содержащем медный держатель диаметром 16 мм и активную вставку из гафния диаметром 2,6 мм, на поверхности активной вставки образован слой из оксикарбида гафния. На 0,25 площади поверхности оксикарбида гсрения образован слой графита. Высота активной вставки составляет 1,9 мм. Неплавящийся электрод испытывают в плазменной горелке с диаметром соп