Штучный покрытый электрод для дуговой сварки
PIECE COATED ELECTRODE FOR ARC WELDING

Предлагаемый электрод предназначен преимущественно для машиностроения и строительства и может использоваться при ручной сварке и наплавке деталей металлическими плавящимися штучными покрытыми электродами.
Известен штучный покрытый электрод для дуговой сварки, содержащий металлический стержень с нанесенным на него концентрично покрытием и оголенную часть для подключения электрода к электрододержателю, а также переходный конический участок покрытия к оголенной части и контактный конец электрода без покрытия для зажигания дуги. (см. Справочник «Сварка в машиностроении», М.: Машиностроение, т. 2. - стр. 38, рис. 1, табл. 2).
Электроды такой конструкции изготавливаются определенной длины, зависящей от диаметра электрода. При малых диаметрах электрода их изготавливают более короткой длины, чтобы рекомендуемые плотности тока на электроде не приводили к его перегреву в конце расплавления стержня.
Такая конструкция электрода не позволяет полностью использовать возможности повышения производительности его расплавления и производительности сварки, снижения отходов стержня и экономии времени на замену электрода.
Известен штучный покрытый электрод для дуговой сварки наклонным электродом, который содержит металлический стержень, с нанесенным на него концентрично покрытием и оголенную часть на конце стержня для подключения электрода к электрододержателю, а также переходный конический участок от оголенной части к покрытию и контактный конец электрода без покрытия для зажигания дуги.
При сварке электрод закрепляют в штативе, устанавливаемом на поверхность изделия через изолирующую подкладку и по мере его оплавления он опускается с обоймой под действием веса. Глубину проплавления и ширину шва регулируют изменением угла наклона электрода. Электрод после его полного сгорания периодически заменяют (см. «Сварка и резка материалов» под ред. Ю.В. Казакова. М.: Академия. - 2010, с. 123).
Такая конструкция электрода также не позволяет полностью использовать возможности повышения производительности его расплавления и производительности сварки, снижения отходов стержня и экономии времени на замену электрода.
Известно, что одной из причин значительно более низкой производительности ручной дуговой сварки и наплавки штучными покрытыми электродами по сравнению, например, с механизированной сваркой под слоем флюса, является использование низких плотностей тока на электроде, что обусловлено наличием большого вылета электрода при сварке. Это приводит к необходимости снижения тока дуги, во избежание перегрева покрытия и ухудшения его свойств. Другой причиной низкой производительности является необходимость затрат времени на замену электрода. Производительность работ также снижается вследствие периодической замены электрода в электрододержателе. Ограничение тока дуги создает низкий предел глубины проплавления изделия, что приводит к тому, что данным способом можно сваривать без разделки кромок односторонние стыковые соединения толщиной до 4 мм, а двухсторонние -до 6 мм, что намного ниже, чем при механизированных способах дуговой сварки.
Техническими результатами предлагаемого изобретения является повышение производительности расплавления электродов, производительности сварки или предела толщин, свариваемых без разделки кромок и производительности труда при сварке, сокращение отходов металлического стержня.
Предлагаемый штучный покрытый электрод для дуговой сварки содержит металлический стержень, с нанесенным на него концентрично покрытием, оголенную часть стержня для подключения электрода к электрододержателю, переходный конический участок от оголенной части к покрытию и контактный конец электрода без покрытия для зажигания дуги.
В отличие от прототипа оголенную часть стержня с двумя коническими переходами покрытия к стержню помещают в центральной зоне стержня электрода с двумя контактными концами без покрытия.
Одним из вариантов выполнения покрытого электрода является расположение оголенной части точно по центру металлического стержня.
Другим вариантом выполнения конструкции электрода является смещение центра оголенной части до 0,1 длины стержня от центра всего стержня.
Сущность предлагаемого изобретения по конструкции электрода заключается в том, что она позволяет повысить допустимый сварочный ток на электрод без ухудшения из-за нагрева свойств его покрытия и, вследствие этого, повысить производительность его расплавления, и повысить глубину проплавления детали, уменьшить относительную длину оголенной части электрода для подключения сварочного тока и, соответственно, уменьшить отходы металла, повысить производительность труда за счет повышения допустимой длины электрода и уменьшения частоты его замены в электрододержателе.
Конструкция электрода предполагает поочередное использование двух его покрытых участков для сварки. При предлагаемой конструкции штучного электрода сварочный ток дуги может быть увеличен до такого значения, который обеспечит скорость расплавления в конце расплавления одной из покрытых частей электрода такой же, как при расплавлении электрода полной длины для электрода известной конструкции, что обеспечивает повышение средней скорости расплавления двух половин электрода с оголенной частью по его центру, по сравнению со средней скоростью расплавления электрода известной конструкции при меньшей длине каждого из покрытых участков предлагаемой конструкции по сравнению с известной конструкцией.
Соответственно уменьшается время расплавления единичной длины предлагаемого электрода по сравнению со временем расплавления единичной длины покрытия электрода известной конструкции. При этом не происходит перегрева покрытия в зоне близкой к оголенной части предлагаемого электрода, приводящего к ухудшению его свойств.
Предлагаемая конструкция электрода позволяет до двух раз увеличить общую длину покрытой части электрода при увеличении производительности расплавления и без потери свойств покрытия. Такой вариант применения удлиненного электрода позволяет уменьшить число замен электродов в электрододержателе, уменьшить длину огарков, приходящуюся на единицу длины покрытой части.
На фиг. 1 показана предлагаемая конструкция электрода при одинаковых длинах участков с покрытием, на фиг. 2 - предлагаемая конструкция электрода при смещении положения оголенной части от центра стержня, на фиг. 3 приведены зависимости изменения скорости плавления электрода во времени при двух значениях сварочного тока и принцип получения значения силы тока для электрода предлагаемой конструкции, на фиг. 4 - приведены кривые графического решения системы уравнений для определения значения силы сварочного тока при сварке предлагаемой конструкцией электрода, на фиг. 5 показана схема сварки предлагаемой конструкцией электрода при расплавлении части первой половины электрода.
Экспериментально установлено, что скорость плавления покрытого электрода известной конструкции из-за нагрева его в вылете растет линейно в процессе его расплавления
o
где V - начальная скорость расплавления электрода при зажигании дуги, см/с;
t - время, прошедшее с момента зажигания, секунд;
B - коэффициент пропорциональности, зависящий от диаметра электрода, тока на электроде, толщины и физических свойств и покрытия, физических свойств электродного стержня.
o
Значения начальной скорости V и коэффициента B для конкретного режима сварки определяются дифференцированием экспериментальной зависимости изменения длины расплавленной части электрода от времени t.
Зависимость коэффициента B от тока дуги для конкретного диаметра электрода и покрытия можно представить в виде степенной функции
где A и M - коэффициенты, определяемые из опыта.
С учетом (2) выражение (1) примет вид
Если известны начальная и конечная скорости расплавления электрода для двух граничных токов рекомендуемого паспортом на электроды диапазона (минимального и максимального), то можно записать систему уравнений
1
2
где t, t - время сгорания всего электрода в 1-м и 2-м опытах;
1
2
1
2
V, V - максимальные скорости расплавления всего электрода в конце расплавления покрытия для токов I и I соответственно.
2
I - это максимально допустимый ток для полной длины электрода известной конструкции;
1
I - соответственно минимальный ток, рекомендуемый паспортом на электроды.
Составив отношение выражений (4) и (5), получим значение показателя степени М. Затем из каждого уравнения (4) и (5) следует определить значения коэффициента пропорциональности А и рассчитать среднее значение А по двум расчетным значениям.
После этого составляется уравнение для отыскания необходимой скорости расплавления в конце расплавления любой длины покрытой части электрода без перегрева его покрытия.
2
Скорость к концу расплавления необходимой длины покрытия электрода должна быть такой же, как при расплавлении полной длины покрытой части V, то есть
o3
где V - начальная скорость расплавления при искомом токе дуги;
3
I - искомый ток дуги для расплавления длины покрытия до оголенной части электрода предлагаемой конструкции, А;
3
t - искомое время расплавления длины покрытия до оголенной части электрода предлагаемой конструкции, секунд.
o3
Начальная скорость расплавления V, как и любая другая начальная скорость, может быть выражена через начальный коэффициент расплавления электрода
po
где α - начальный коэффициент расплавления электрода при зажигании дуги при нулевом подогреве вылета, г/(А⋅с);
2
J - плотность тока дуги на электроде, А/см;
3
ρ - плотность металлического стержня, г/см.
Э
Плотность тока в сечении металлического стержня электрода диаметром D определяется по формуле
где - ток сварочной дуги, протекающий через электрод, A.
po
po
1
2
po
Начальный коэффициент расплавления α для дуги обратной полярности практически не зависит от плотности тока. Для дуги прямой полярности, которая в наименьшей степени используется при сварке, есть небольшая зависимость, но можно определять α, как полусумму значений, полученных при проведении опытов на токах I и I. Еще меньше зависимость α для дуги переменного тока.
Тогда выражение (6) с учетом (7) и (8) можно представить в виде
3
3
В этом уравнении два неизвестных - ток дуги I и время горения t. Поэтому требуется второе независимое уравнение. Этим уравнением является интеграл по времени t по выражению (9), который должен давать выбранную длину расплавляемой покрытой части предлагаемой конструкции электрода Lэ до его оголенной части. Значение такого интеграла:
где ϕ - доля длины от полной длины Lэ покрытия стандартного электрода известной конструкции. Для повышения средней скорости расплавления коэффициент ϕ для электрода предлагаемой конструкции должен быть меньше единицы. Если коэффициент ϕ будет равен или больше единицы, то максимальный ток на электрод необходимо уменьшать по сравнению с электродом известной конструкции, чтобы не допустить перегрева и порчи покрытия в конце его расплавления. В этом случае средняя скорость расплавления каждого из покрытых участков будет меньше средней скорости расплавления электрода известной конструкции, но останутся и только увеличатся преимущества экономии огарков электрода и времени на замену электрода.
3
3
Решение системы уравнений (9-10) при найденных ранее значениях коэффициентов A и M должно дать значение тока I и времени сгорания t выбранной длины Lэ⋅ϕ покрытой части одной из половин предлагаемой конструкции электрода.
1
На фиг. 1 показан вариант предлагаемой конструкции электрода. Электрод содержит металлический стержень 1 и концентрично расположенное покрытие 2. В центре металлического стержня 1 располагается оголенная часть 3 для закрепления электрода в электрододержателе, а остальную часть длины электрода составляет покрытие 2. Чтобы обеспечить повышение производительности расплавления электрода предлагаемой конструкции длина каждого покрытого участка предлагаемого электрода L не должна превышать длину покрытой части электрода известной конструкции. Диаметр металлического стержня 1 электрода Dэ, диаметр стержня электрода с покрытием Dп. Суммарная длина электрода L. Длина оголенной части предлагаемой конструкции электрода одинакова с длиной оголенной части известной конструкции.
1
2
1
На фиг. 2 изображена предлагаемая конструкция электрода при смещении положения центра оголенной части от центра стержня. Место расположения центра оголенного участка 3, смещено относительно центра стержня 1. На остальной части стержня расположено покрытие электрода 2. Длина более длинного покрытого участка электрода L, длина более короткого L. Чтобы обеспечить повышение производительности расплавления электрода предлагаемой конструкции длина более длинного покрытого участка предлагаемого электрода L не должна превышать стандартную длину покрытой части электрода известной конструкции.
2
1
o1
o2
p
На фиг. 3 показано изменение скоростей расплавления электрода от времени горения дуги при расплавлении всего покрытия целого электрода известной конструкции. Зависимости имеют линейный вид. Они получены путем дифференцирования экспериментально полученной и аппроксимированной с помощью метода наименьших квадратов зависимости длины расплавившейся части электрода от времени. Прямая 4 показывает зависимость скорости расплавления для электрода марки LB-52U диаметром Dэ=4 мм на токе 107 А. Прямая 5 показывает скорость расплавления для того же электрода при токе 216 А. Диаметр электрода с покрытием Dп=6,5 мм. Площади под прямыми 4 и 5 представляют значения длины расплавившейся части электрода, то есть площади равны друг другу. Время расплавления на токе I=66,7 секунды, намного меньше расплавления на токе I=123,3 секунды. Значения начальных скоростей расплавления V и V позволяют рассчитать начальные коэффициенты расплавления электрода данной марки и получить его среднее значение, используемое впоследствии для расчета необходимого тока сварки по предлагаемому способу. Получили среднее значение α=8,34 г/(А⋅час) = 0,0023 г/(А⋅с).
3
3
o3
o2
Прямая 6 на фиг. 3 показывает принцип определения значений времени t, необходимого для расплавления длины покрытия одной стороны покрытой части электрода предлагаемой конструкции в случае, если длина покрытия равна половине длины покрытия электрода известной конструкции и значения тока I. Значение коэффициента ϕ в этом случае ϕ=0,5. Значение начальной скорости расплавления электрода V должно быть равно конечной скорости расплавления электрода известной конструкции V Площадь под прямой 6 в этом случае должна быть равна половине площади под прямой 5, так как площадь характеризует длину покрытого участка электрода.
-10
3
По данным зависимостей 4 и 5, приведенным на фиг. 3, рассчитывали, решая систему уравнений (4) и (5), значение коэффициентов A и M. Получили M=3,167; А=1,213⋅10. При этом размерности физических величин при решении системы уравнений (4) и (5) - времени - секунды, тока - амперы, плотности стержня - г/см, скорости расплавления - см/с.
2
2
2
3
3
На фиг. 4 показан графический метод решения системы уравнений (9) и (10) при найденных значениях коэффициентов М и А. Кривая 7 на фиг. 4 представляет изолинию в координатах «ток - время расплавления» для максимальной скорости V, полученную с помощью уравнения (9). Для этого по выражению (9) строится несколько зависимостей для скорости расплавления электрода от времени горения дуги при ряде значений тока дуги. После этого, задав значение максимальной скорости V, получают на этих зависимостях точки кривой изолинии. Аналогично с помощью выражения (10) строится изолиния 8 для искомой длины покрытой части электрода. Точка пересечения изолиний Б дает необходимый для достижения скорости V ток дуги и время расплавления половины покрытой части электрода. Для длины покрытой части 20 см ток дуги составил I=240 A, время горения t=30,3 секунд.
В результате время расплавления двух половин покрытия электрода общей длиной 40 см сокращается на 6,1 секунд по сравнению с временем расплавления покрытия такой же длины электрода известной конструкции электрода. Итоговое расчетное повышение производительности расплавления составляет около 10%.
На фиг. 5 показана схема сварки предлагаемой конструкцией электрода. Сварка ведется от сварочного источника питания 14 на обратной полярности тока. В электрододержатель 9 вставлен электрод 10 оголенной частью, расположенной в центральной части металлического стержня. Сварочная дуга 13 горит между электродом 10 и изделием 11, установленном на сварочном столе 12. В верхней половине покрытого электрода 10 сварочный ток в рассматриваемый момент времени не протекает. После сгорания первой половины покрытой части электрода 10 сварщик гасит дугу 13, поворачивает электрод 10 и зажигает дугу снова на втором конце электрода 10 и ведет сварку до полного расплавления покрытой части.
Сварщик при использовании предлагаемой конструкции электрода зажигает дугу на одном из концов покрытой части электрода. При этом устанавливается ток дуги, обеспечивающий скорость расплавления в конце покрытой части перед оголенной частью такую же, как на максимально рекомендуемом для данной марки электрода токе при расплавлении всего электрода известной конструкции. После сгорания первой половины сварочного электрода сварщик гасит дугу и зажигает ее на втором конце покрытой части электрода. При этом общая длина покрытой части предлагаемой конструкции электрода может достигать удвоенной длины покрытой части известного электрода. Длина оголенной части предлагаемого электрода для подключения электрода к электрододержателю остается такой же, как у известной конструкции электрода. При сварке каждой из половин электрода, вторая половина не нагревается проходящим током, поэтому практически не оказывает влияния на процессы плавления расплавляемой части электрода.
При расположении оголенной части электрода со смещением до 0,1 длины металлического стержня относительно центра стержня должны использоваться разные токи. Для сварки с более коротким участком покрытия используется больший ток, а при сварке с участком покрытия большей длины используется меньший ток.
Пример 1.
3
Выполняли наплавку предлагаемой конструкцией электрода марки LB-52U с диаметром стержня 4 мм. Сварка велась на обратной полярности дуги. Электрод получали из электрода известной конструкции длиной 450 мм путем стачивания его оголенного участка длиной 30 мм. Точно по центру оставшейся длины стержня и покрытия был выполнен оголенный участок длиной 30 мм. Таким образом, длина покрытой части электрода осталась 390 мм, по 195 мм на каждую сторону от оголенного участка. Предварительно была установлена максимальная скорость расплавления электрода для длины покрытой части 42 см на токе 190 A, рекомендуемом как максимальный для данной марки электрода. Она составила 0, 62 см/с. Начальная скорость расплавления электрода составляла 0,44 см/с.Время расплавления покрытия на длине 42 см составило 79 секунд. Средняя скорость расплавления электрода 0,53 см/с. Путем решения системы уравнений (9) и (10) для длины покрытой части электрода 19,5 см был определен необходимый ток дуги, обеспечивающий ее расплавление при достижении максимальной скорости. Этот ток I=215 A. Расчетное время расплавления половины покрытой части электрода составило 35 секунд. После этого установили расчетный ток дуги 215 A на источнике питания, подключили к положительному полюсу источника питания изготовленный электрод и произвели сварку. В результате две части электрода предлагаемой конструкции расплавились полностью на покрытых участках за 69 секунд. При известной конструкции электрода время расплавления на длине покрытия 39 см составило 74 секунды. Таким образом, производительность расплавления выросла на 6,8%. Допустимый сварочный ток увеличился на 13%.
Пример 2. На тех же режимах, что и в примере 1 выполняли сварку предлагаемой конструкцией при расположении центра оголенного участка длиной 30 мм на расстоянии 42 мм от центра стержня длиной 420 мм, то есть на расстоянии 168 мм от одного из концов стержня. Электрод был изготовлен аналогичным образом из электрода стандартной длины. Длина одного покрытого участка составила 168-15=153 мм, другого 237 мм. Суммарная длина покрытой части составила, как и в предыдущем примере 390 мм.
3
Предварительно была установлена максимальная скорость расплавления электрода для длины покрытой части 42 см на токе 190 A, рекомендуемом как максимальный для данной марки электрода. Она составила 0,62 см/с. Начальная скорость расплавления электрода составляла 0,44 см/с. Время расплавления покрытия на длине 42 см составило 79 секунд. Средняя скорость расплавления электрода 0,53 см/с. Путем решения системы уравнений (9) и (10) для длины покрытой части длиной 15,3 см был определен необходимый ток дуги, обеспечивающий ее расплавление при достижении максимальной скорости. Этот ток I=225 А. Расчетное время расплавления короткой части покрытия электрода составило 26 секунд.
3
Аналогично для длины покрытой части электрода 23, 7 см определен необходимый ток дуги, обеспечивающий ее расплавление при достижении максимальной скорости. Этот ток I=212 А. Расчетное время расплавления длинной части покрытия электрода составило 42 секунды.
После этого установили расчетный ток дуги 212 A на источнике питания, изготовленный электрод с помощью электрододержателя подключили к положительному полюсу источника питания и зажгли дугу со стороны длинной части электрода. Время расплавления составило 41,5 секунды. После расплавления длинной части погасили дугу и изменили значение тока на источнике питания до 225 А. После этого вновь зажгли дугу для короткого участка. Время расплавления составило 25,5 секунд. Суммарное время расплавления составило 67 секунд. При известной конструкции электрода время расплавления на длине покрытия 39 см составило 74 секунды. Таким образом, общее время расплавления электрода сократилось на 7 секунд.
Повышение производительности расплавления составило 9,5%.
Пример 3.
Выполняли сварку электродом марки LB-52U предлагаемой конструкции с диаметром стержня 4 мм и длиной 60 см. Сварка велась на обратной полярности дуги. Электрод изготовили из двух электродов обычной конструкции длиной 450 мм путем стачивания их оголенных участков длиной 30 мм до 15 мм у каждого. После этого укорачивали каждый из электродов со стороны целого покрытия до длины 28,5 см. Затем соединяли оголенные концы оставшихся частей электродов с помощью медной муфты. Получили электрод с длиной покрытой части 57 см.
Аналогично примерам 1 и 2 определяли с помощью решения системы уравнений (9) и (10) значение требуемого тока для достижения допустимой скорости расплавления половин изготовленного электрода. Такой ток составил 207 A. Время расплавления половины покрытой части электрода длиной 28,5 см составило 51 секунду. При выполнении наплавки данным электродом на токе 207 A время расплавления покрытых участков электрода составило 101 секунду. Средняя скорость расплавления составила 0,564 см/с, что на 6,4% выше, чем у электрода известной конструкции. Сварочный ток повышается на 10%, что позволяет повысить глубину проплавления основного металла и производительность сварки.
При этом процент отходов стального стержня и время на замену электродов уменьшаются на 34%.
Конструкция предлагаемого электрода позволяет не только увеличить производительность расплавления электрода до 10%, что повышает производительность при сварке сварных соединений с разделкой кромок, но и позволяет повысить глубину проплавления основного металла за счет увеличения тока дуги примерно до 20%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить глубину проплавления металла без разделки свариваемых кромок или повысить скорость сварки при сварке металла с толщиной, которая и ранее сваривалась без разделки кромок.
Таким образом, с помощью данного электрода можно повысить скорость расплавления электродов без опасности их перегрева, увеличить ток сварки и, следовательно, глубину проплавления при увеличении общей длины покрытой части, что приведет к сокращению времени на замену электродов и снижению отходов оголенной части электродов.
Предлагаемый штучный покрытый электрод может быть изготовлен с помощью известных устройств и технологий, им можно выполнять сварку от любых сварочных источников питания для ручной дуговой сварки.