НЕПЛАВЯЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Полезная модель относится к сварочной технике, а именно к конструкциям неплавящихся электродов для дуговой сварки и высокотемпературной обработки материалов и может быть применена в машиностроении, металлургии, химическом производстве.
Известен неплавящийся электрод для дуговых процессов (а.с. №1802773 МКИ В23К 35/02 опубликован 15.03.1993), состоящий из не менее двух продольных симметричных частей, соединенных между собой прослойкой из меди или другого материала с температурой плавления 1170-2400 К. По мнению авторов целью данной конструкции является упрощение подготовки электрода к работе и сокращение расхода вольфрама.
Однако данный электрод имеет ряд недостатков. Для его производства необходимо с высокой точностью подготовить тугоплавкие симметричные части, а затем спекать их при помощи медной прослойки в прессованном виде. Впоследствии, при сварке, из-за высокого нагрева рабочего участка электрода, примыкающая к нему часть прослойки вытекает, образуя, таким образом, паз (пазы) на рабочем участке и расщепленную его форму. Однако выплавляемый из зазора металл прослойки существенно загрязняет металл сварочной ванны, образуя медный или другие неметаллический включения, которые могут существенно изменить свойства в локальном участке шва и привести к образованию концентраторов напряжений.
Вольфрам, являясь активным металлом, в свою очередь, при высоких температурах образует интерметаллидные соединения с прослойкой, отличающиеся высокой хрупкостью и затрудняющие последующую механическую обработку. Важным недостатком является наличие конусной заточки, не позволяющее использовать его при больших значениях тока из-за быстрого разрушения рабочего участка.
Наличие конусной заточки, увеличивает непроизводственный расход вольфрама, а также исключает возможность работы на режимах с рассредоточенным катодным пятном на высоких токах.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является электрод для дуговой сварки (патент США №4471208 МКИ В23К 35/02 опубликован 11.09.1984), состоящий из цилиндрического корпуса и рабочего участка, по оси которого выполнены одна или несколько продольных прорезей, рабочий участок, имеет коническую заточку, заканчивающуюся притуплением около 1 мм в диаметре. Геометрия прорези имеет прямоугольную форму, в поперечном разрезе, начинающейся от притупления в осевом направлении проходящей до большой части конического участка.
Преимуществом данной конструкции является исключение загрязнения свариваемого металла посторонними примесями, однако наличие конической заточки, помимо увеличенного непроизводственного расхода вольфрама, приводит при сварке к контрагированию (сжатию) катодных пятен и высокой плотности теплового потока в них. При увеличении сварочного тока с целью повышения производительности это часто приводит к оплавлению одной или более частей рабочего участка. Увеличить допустимый сварочный ток посредством увеличения диаметра электрода не представляется возможным из-за наблюдаемого нестабильного выхода электрода на рабочий режим и блуждания катодного пятна по рабочему участку, приводящим к резким колебаниям давления дуги и нарушению формирования швов.
Конструкция данного электрода разработана для сварки преимущественно на малых токах, а роль прорези сводится к увеличению стойкости к металлическим парам, осаждающимся при сварке некоторых металлов и сплавов на рабочий участок электрода.
Задачей полезной модели является расширение диапазона рабочих токов неплавящегося электрода в сторону больших значений.
Техническим результатом настоящей полезной модели являются повышение производительности сварки, а также снижение вероятности образования прожогов при сварке и улучшение формирования шва.
Это достигается тем, что в неплавящемся электроде для дуговой сварки, состоящем из цилиндрического корпуса и рабочего участка, по оси которого выполнены одна или несколько продольных прорезей, рабочий участок имеет форму цилиндра диаметром равным или менее диаметра корпуса, а глубина прорези составляет не менее диаметра рабочего участка.
Цилиндрическая форма рабочего участка обеспечивает постоянство площади поперечного сечения, это обуславливает возможность выхода на режимы сварки, когда в тепловом балансе электрода значительную часть играет джоулево тепловыделение на вылете рабочего участка с прорезью. Такой режим, достигается при глубине прорези не менее диаметра электрода. Этот режим исключает локализацию активного пятна дуги на рабочем торце электрода и способствует переходу к режиму горения дуги с рассредоточенным (диффузным) катодным пятном, обеспечивающем повышение производительности сварки, а также снижение вероятности образования прожогов при сварке и улучшение формирования шва.
При сварке на малых токах обеспечение режима горения дуги с диффузным катодным пятном затруднено, что объясняется высоким градиентом температуры по длине рабочего участка электрода и преимущественной локализацией активного пятна дуги на торце рабочего участка электрода. Однако уменьшение диаметра рабочего участка электрода по отношению к диаметру корпуса позволяет перейти к диффузному характеру течения катодных процессов при сварке на малых токах
На фиг.1 представлен неплавящийся электрод, на фиг.2, 3, 4 изображены поперечные сечения электродов соответственно с одной, двумя и тремя прорезями, на фиг.5 общий вид электрода для сварки на малых значениях тока.
Неплавящийся электрод для дуговой сварки представляет собой монолитный корпус 1 (фиг.1), изготовленный из вольфрама или другого тугоплавкого материала. В рабочем участке выполнены одна или более прорезей 2 (фиг.1, 2, 3, 4) образующие равные части 3 (фиг.2, 3, 4) в сечении электрода. При сварке на определенных токах, представленных в таблице, за счет равномерного нагрева рабочего участка джоулевым теплом, сил электромагнитного поля и охлаждения внешнего слоя посредством излучения формируется рассредоточенное (диффузное) катодное пятно дуги, смещающееся на внутренние поверхности. Такой режим, вследствие особенностей теплового баланса, достигается при глубине прорези не менее диаметра электрода. При меньшей глубине нарушается стабильность процесса и привязка катодного пятна, что вызывает неравномерный разогрев частей и переход к дуге с сосредоточенным катодным пятном.
При сварке на малых токах обеспечение режима горения дуги с диффузным катодным пятном затруднено, что объясняется высоким градиентом температуры по длине рабочего участка электрода и преимущественной локализацией активного пятна дуги на торце рабочего участка электрода. Однако уменьшение диаметра рабочего участка электрода по отношению к диаметру корпуса позволяет перейти к диффузному характеру течения катодных процессов при сварке на малых токах. Пример такой конструкции представлен на фиг.5. Протяженность участка меньшего диаметра должна составлять 2-3 диаметра рабочего участка (d), а отношение диаметров рабочего участка и корпуса (d/D)=0,5÷0,8. Такая конструкция электрода обеспечивает повышение плотности тока до требуемых значений, приводит к росту джоулева тепловыделения, близкому к равномерному распределению температуры по длине рабочего участка и способствует переходу к дуге с диффузным катодным пятном при малых значениях сварочного тока.
При сварке толстостенных конструкций требуется максимальное рассредоточение давления дуги на сварочную ванну. Это обеспечивается в случае горения дуги в режиме с диффузным катодным пятном. Такой режим горения дуги способствует также формированию швов без подрезов, наплывов и газовых полостей на форсированных режимах по току и скорости сварки.
При сварке тонколистовых горение дуги с диффузным катодным пятном обеспечивает снижение пикового давления сварочной дуги на ее оси и вероятность образования прожогов, а также улучшает формирование сварных швов.
ТаблицаДиапазоны допустимых токов для предлагаемого электрода с одной прорезью
Диаметр рабочего участка электрода, мм
Толщина прорези, мм
Глубина прорези, мм
Диапазон рабочих токов, А
2
0,4÷0,6
2,0÷4,2
14÷230
3
0,7÷0,9
3,0÷5,2
90÷400
4
1,0÷1,2
4,0÷8,2
210÷600
5
1,3÷1,5
5,0÷10,2
250÷750
6
1,6÷1,8
6,0÷12,2
300÷1200
Данные таблицы свидетельствуют, что конструкция предлагаемого электрода обеспечивает горение дуги с рассредоточенным катодным пятном и качественное формирование сварных швов в диапазоне токов от 14 до 1200 А. Тем самым в результате повышается производительность сварки, а также снижается вероятность образования прожогов при сварке и улучшается формирование шва.