ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ И НАПЛАВКИ

Полезная модель относится к ручной электродуговой сварке и наплавке стальных деталей и может быть использована в машиностроении, строительстве и других областях.
Известен электрод для дуговой сварки, состоящий из металлического стержня и двухслойного покрытия, нанесенного на поверхность этого стержня, при этом один из слоев покрытия содержит шлакообразующие и газообразующие компоненты, а другой слой состоит из активирующих компонентов, способствующих контрагированию сварочной дуги (пат. РФ №22244615, В23К 35/365, В23К 3/10).
Недостатком известного устройства является разрушение его покрытия при термической обработке, а также в результате нагрева электрода в процессе сварки вследствие различного значения коэффициентов термического расширения слоев покрытия.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является электрод для дуговой сварки, состоящий из металлического стержня с нанесенными послойно на его поверхность покрытиями, причем один из слоев покрытия состоит из шлако- и газообразующих компонентов со связующим, а другой - порошкообразную смесь микро- и наноразмерных тугоплавких компонентов со связующим. При этом толщина наружного слоя покрытия электрода составляет от 1,8 до 9% диаметра металлического стержня в зависимости от толщины внутреннего слоя покрытия. А наружный слой покрытия может быть выполнен сплошным или дискретным (патент РФ №2407617, МПК В23К 35/365).
Недостатком такого электрода является его низкая надежность. Это связано с тем, что слой, содержащий тугоплавкие компоненты расположен с внешней стороны электрода, в результате чего во время процесса сварки (наплавки) происходит неравномерный нагрев торца электрода, из-за чего происходит разрушение тонкого внешнего слоя и как следствие - потеря модифицирующих свойств покрытия. Также разрушение внешнего слоя может происходить при внешних механических или термических воздействиях.
Техническая проблема заключается в повышении качества наплавленного металла путем формирования равноосной, измельченной микроструктуры за счет его модифицирования цельными микро- и наноразмерными тугоплавкими компонентами.
Технический результат заключается в повышении технологической надежности электрода за счет усовершенствования его конструкции.
Поставленная проблема решается тем, что в электроде для дуговой сварки, состоящем из металлического стержня с нанесенными послойно на его поверхность покрытиями, причем один из слоев покрытия состоит из шлако- и газообразующих компонентов со связующим, а другой - из порошкообразной смеси микро- и наноразмерных тугоплавких компонентов со связующим, согласно изменению, покрытие выполнено трехслойным, причем внутренний и внешний слои покрытия состоят из шлако- и газообразующих компонентов со связующим, а центральный слой содержит порошкообразную смесь микро- и наноразмерных тугоплавких компонентов со связующим, при этом толщина центрального слоя покрытия составляет от 2 до 10% от диаметра металлического стержня в зависимости от толщины внутреннего слоя покрытия, а толщина наружного слоя составляет от 30 до 40% от толщины внутреннего слоя покрытия.
В качестве связующего материала может быть использовано жидкое натриевое стекло или жидкое натриево-калиевое стекло.
В качестве порошкообразной смеси микро- и наноразмерных тугоплавких компонентов со связующим может быть использован наноразмерный порошок карбида вольфрама, полученного путем коллоидного измельчения в жидкой среде и связующего вещества, например, жидкого натриевого стекла.
Толщину наружного слоя покрытия электрода выбирают в интервале от 30 до 40% от толщины внутреннего слоя покрытия, за которую принимают толщину покрытия стандартных электродов, регламентированных ГОСТ 9466-75 «Электроды, покрытые металлические для ручной дуговой сварки сталей и наплавки», в котором регламентировано в зависимости от отношения D/d (D - диаметр стержня с нанесенным на него покрытием, d - диаметр стержня электрода) подразделение электродов:
- с тонким покрытием (D/d ≤ 1,20);
- со средним покрытием (1,20 ≤ D/d ≤ 1,45);
- с толстым покрытием (1,45 ≤ D/d ≤ 1,80);
- с особо толстым покрытием (D/d > 1,80).
Выбирать толщину наружного слоя покрытия электрода меньше 30% от толщины внутреннего слоя покрытия нецелесообразно, в связи со сложностью обеспечения равномерности толщины слоя по всей длине электрода при его изготовлении.
Выбирать толщину наружного слоя покрытия электрода больше 40% от толщины внутреннего слоя покрытия также нецелесообразно, так как при термических воздействиях наружный слой покрытия может разрушиться, в наплавленном металле присутствуют поры и шлаковые включения.
Если толщина центрального слоя покрытия будет меньше 2% диаметра металлического стержня, то структура наплавленного металла будет представлять собой крупные кристаллиты столбчатого строения, при определенных условиях могут выступать концентраторами напряжений. В этом случае эффект модифицирования металлического шва не реализуется.
Если толщина центрального слоя покрытия будет больше 10% диаметра металлического стержня, структура металла будет иметь мелкозернистую структуру с тугоплавкими наноразмерными частицами на границах зерен, вследствие чего при термических воздействиях центральный слой покрытия будет разрушаться.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах, где:
- на фиг. 1 схематично изображена конструкция электрода;
- на фиг. 2 схематично изображено поперечное сечение электрода;
- на фиг. 3 изображена микроструктура наплавленного металла (х 200).
3
2
2
Заявляемый электрод для дуговой сварки и наплавки содержит металлический стержень 1 (фиг. 1, 2) и трехслойное покрытие. Причем внутренний слой 2 покрытия нанесен непосредственно на стержень 1 и содержит шлако- и газообразующие компоненты со связующим. На поверхность внутреннего слоя 2 покрытия нанесен центральный слой 3 покрытия, состоящий из порошкообразной смеси микро- и наноразмерных тугоплавких компонентов со связующим, в качестве которых могут быть использованы, например, наноразмерный порошок карбида вольфрама и связующее. Внешний слой 4 покрытия содержит шлако- и газообразующие компоненты со связующим. В состав шлакообразующих компонентов внутреннего 2 и внешнего 4 слоев покрытия металлического стержня входят: мрамор (CaCO), плавиковый шпат (CaF), кварц (SiO), ферромарганец (FeMn), ферросилиций (FeSi), при следующем соотношении компонентов мас. %:
3
СаСО 53-55,
2
CaF 14-16,
2
SiO 8-9,
FeMn 12-15,
FeSi 8-10.
В качестве связующего во всех трех слоях может быть использовано жидкое натриевое стекло или жидкое натриево-калиевое стекло. Все слои покрытия электрода выполнены сплошными. Толщина центрального слоя 3 покрытия составляет от 2 до 10% от диаметра металлического стержня 1 в зависимости от толщины внутреннего слоя 2 покрытия, а толщина наружного 4 слоя составляет от 30 до 40% от толщины внутреннего слоя 2 покрытия.
Пример 1
3
2
Исходными материалами для изготовления электрода с трехслойным покрытием служили: стержень из стали Св-08А диаметром 3 мм и длиной 350 мм (фиг. 1 и 2); шлако- и газообразующие компоненты в количестве, %: CaCO - 54, CaF - 15; SiO2 - 9; FeMn - 13; FeSi - 9 и связующее - жидкое натриевое стекло; модифицирующий компонент, состоящий из наноразмерного порошка карбида вольфрама WC (50-1000 нм), полученного путем коллоидного измельчения в жидкой среде, и связующего вещества, в качестве которого использовано жидкое натриевое стекло (фиг. 1 и 2).
Первоначально на стальной стержень наносили внутренний слой обмазки толщиной 0,5 мм, состоящий из шлако- и газообразующих компонентов. Далее электрод сушили на воздухе при температуре 20°С в течение 12 часов, а затем производили термообработку в электропечи в течение одного часа при температуре 400°С. Затем, на поверхность внутреннего слоя, наносили тонкий слой наноразмерного порошка толщиной 0,2-0,3 мм, перемешанного со связующим, например, жидким натриевым стеклом, при соотношении: 70% порошок, 30% связующее. Электрод сушили на воздухе при температуре 20°С в течение 12 часов, а затем производили термообработку в электропечи в течение одного часа при температуре 300°С.Далее на электрод снова наносили слой толщиной 0,2 мм из шлако- и газообразующих компонентов, сушили при температуре 20°С в течение 12 часов, а затем производили термообработку в электропечи в течение одного часа при температуре 400°С. Ручную дуговую наплавку производили на пластину из стали Ст 3 на постоянном токе обратной полярности. Сила сварочного тока составляла 130 А.
При наплавке на подложку из Ст 3 происходит расплавление стального стержня и электродного покрытия. При расплавлении внутреннего шлакообразующего слоя покрытия образуется расплавленный шлак, который обеспечивает основную защиту жидкого металла сварочной ванны от воздействия атмосферы воздуха. Тугоплавкие компоненты центрального слоя с каплями расплавленного металла и шлака, в твердом состоянии, переходят в сварочную ванну, при этом связующее вещество диссоциирует. Внешний слой также расплавляется с образованием расплавленного.шлака, при этом возможно неполное его расплавление с образованием втулки.
Как правило, при сварке преобладает гетерогенный характер кристаллизации, когда центрами кристаллизации выступают зерна основного металла на границе сплавления. Рост кристаллов происходит от края сварочной ванны к ее центру, вследствие чего кристаллы имеют крупное столбчатое строение и при определенных условиях могут выступать концентраторами напряжений. Таким образом, введение в сварочную ванну наноразмерных частиц тугоплавких компонентов позволяет добиться гомогенного процесса кристаллизации. Наночастицы порошка выполняют роль искусственных центров кристаллизации и изменяют строение и размер первичной структуры металла. В результате чего формируется равноосная, мелкодисперсная структура наплавленного металла (фиг. 3).
С целью обоснования преимуществ заявляемого электрода были проведены эксперименты с использованием электродов с толщинами наружного и центрального слоев, попадаемые в заявляемый диапазон, а также выходящие за заявляемые пределы.
Диаметр металлического стержня электрода составлял 3,0 мм. Толщина внутреннего слоя покрытия составляла: 0,2; 0,5; 1,0; 1,5 мм.
Результаты испытаний приведены в табл. 1 и 2.
Электрод заявляемой конструкции имеет в сравнении с известными электродами ряд преимуществ:
- увеличение технологической надежности электрода в процессе его изготовления и использования;
- возможность получения в наплавленном металле цельных микро- и наноразмерных тугоплавких компонентов;
- возможность получения равноосной, измельченной микроструктуры наплавленного металла.
Таким образом, заявляемый электрод имеет повышенную технологическую надежность и способствует более высокому усвоению металлом сварочной ванны модифицирующих компонентов покрытия.