Электрод для сварки спиральный

Предлагаемое устройство относится к сварке и может быть использовано во всех отраслях промышленности для дуговой сварки узлов и деталей из различных металлов и сплавов.
Известный процесс сварки осуществляется следующим образом: при соприкосновении торца электрода с изделием происходит короткое замыкание. Так как торец электрода имеет неровную поверхность, замыкание происходит в отдельных точках торца электрода. В этих точках плотность тока достигает больших величин, за счет чего выделяется большое количество тепла, и металл мгновенно расплавляется. Расплавившийся металл в этом случае является проводником электрического тока между электродом и изделием. По мере отвода электрода от изделия зона расплавленного металла растягивается, а сечение ее уменьшается. При значительном отводе электрода от изделия жидкий мостик разрывается, и происходит вскипание металла. В этот момент разрядный промежуток заполняется нагретыми парами металла, электродного покрытия, и возникает сварочная дуга. Процесс возникновения дуги длится доли секунды. В момент разрыва жидкого мостика напряжение резко падает, а плотность тока увеличивается. Увеличение тока и понижение напряжения происходят до определенного предела, затем дуговой разряд приобретает устойчивое состояние, и начинается горение дуги.
Сварочная дуга имеет три основные зоны: катодную, столб дуги и анодную. Катодная зона является источником первичных электронов. Поверхность электрода, из которой выделяются электроны, называется катодным пятном. Анодная зона начинается у торца положительного электрода, в котором выделяется небольшой участок, называемый анодным пятном.
При сварке на прямой полярности плюс (анод) подсоединяют к детали, а минус (катод) - к электроду. Если необходимо, чтобы на детали выделялось меньшее количество тепла, например при сварке тонколистовых конструкций, а также сталей, не допускающих перегрева (нержавеющие, высокоуглеродистые), то применяют сварку на обратной полярности. В этом случае минус (катод) присоединяют к свариваемой детали, а плюс (анод) - к электроду. При этом не только обеспечивается меньший нагрев свариваемой детали, но и ускоряется процесс расплавления электродного металла за счет более высокой температуры анодной зоны и большего подвода тепла.
Электроды при электродуговой сварке служат для подвода тока к дуге и образования дуги. При сварке металлическим электродом он является и присадочным металлом. В зависимости от способа сварки электроды разделяются на неплавящиеся (угольные, графитовые и вольфрамовые) и плавящиеся. Неплавящиеся электроды служат только для возбуждения и поддержания горения дуги. Для заполнения металлом разделки шва в зону дуги вводят присадочный металл в виде прутков или проволоки. Плавящиеся электроды представляют собой покрытые обмазкой металлические стержни при ручной дуговой сварке или мотки сварочной проволоки при полуавтоматической и автоматической сварке.
Обмазки электродов повышают устойчивость горения дуги, создают вокруг дуги и расплавленного металла защитную оболочку из газа, предохраняют расплавленный металл от влияния кислорода и азота воздуха, легируют металл шва и улучшают его механические свойства.
Покрытия, которые наносятся на электрод тонким слоем, повышают устойчивость горения дуги, но не защищают расплавленный металл от кислорода и азота воздуха. Такие обмазки называются тонкими или стабилизирующими и применяются при сварке неответственных конструкций.
Электроды с толстым покрытием называются качественными или толстообмазанными и используются для получения шовного металла, не уступающего по механическим свойствам свариваемому металлу.
Сварочная цепь электрод- дуга - изделие вместе с подводящими проводниками образует сварочный контур, магнитное поле которого может отклонять дугу в ту или иную сторону. Магнитное дутье в большей степени проявляется при сварке на постоянном токе, чем на переменном, при сварке голыми электродами или с тонкой обмазкой, чем электродами с толстой обмазкой.
Широко известен классический электрод, применяемый в настоящее время. Его недостатком является то, что сварщик вынужден путем колебательных движений конца электрода перемещать дугу с одной детали на другую для равномерного оплавления кромок свариваемых деталей.
Известен способ сварки магнитоуправляемой дугой, согласно которому в процессе сварки дугу перемещают поперек шва внешним поперечным магнитным полем, создаваемым с помощью электромагнитной системы. Дугу при сварке задерживают в крайнем отклоненном положении, на одной из свариваемых кромок, на заданный промежуток времени. При перемещении дуги от одного крайнего положения до другого, находящегося на другой свариваемой кромке, устанавливают дежурный режим горения дуги. По достижении дугой крайнего положения переводят ее в режим сварки, на время перемещения дуги в направлении сварки в крайнем отклоненном положении. Величину сварочного тока и тока дежурной дуги регулируют независимо. Дугу удерживают в крайнем отклоненном положении за счет регулировки напряженности магнитного поля. Для реализации способа используется комплект оборудования, включающий в себя помимо самого сварочного источника питания, отдельно размещаемую, рядом с горелкой, электромагнитную систему, а также блок формирования управляющего сигнала, усилитель и умножитель. Как вытекает из описания изобретения, использование способа позволяет в широких пределах изменять форму проплава, не меняя при этом ширины шва, а также позволяет выполнять качественные сварные швы в труднодоступных местах (см. а.с. СССР 1581503, МПК 5 B23K 9/08, 1990 г.).
Однако использование этого способа сопряжено с необходимостью применения дополнительного сложного оборудования, что увеличивает сложность и стоимость необходимого комплекса оборудования. Помимо этого эффективность применения способа для сварки в труднодоступных местах будет либо весьма мала, либо для достижения высокой эффективности должна использоваться дополнительное дорогостоящее специализированное оборудование. При сварке в труднодоступных местах, таких как узкая разделка, сварочная дуга вместе с горелкой расположены ниже уровня поверхности изделия. Для обеспечения высокой эффективности, и главное стабильности, воздействия внешнего поперечного магнитного поля на дугу электромагнитная система должна располагаться, по высоте, на уровне дуги. При сварке в труднодоступных местах (например, как указано в описании к изобретению, при сварке стыка листов толщиной 18 мм без разделки кромок и зазоре 8 мм) обеспечить расположение электромагнитной системы на уровне дуги является сложно решаемой, дорогостоящей задачей, а полученное оборудование будет узкоспециализированно. Расположение же магнитной системы вне разделки, т.е. над поверхностью изделия, конечно, позволит создать в разделке магнитное поле, однако его параметры будут не стабильны и зависимы от величины погружения горелки в разделку, параметров и конструкции изделия в зоне сварки, свойств материала изделия.
Известен также способ дуговой сварки (см. а.с. СССР №465291, МКИ B23K 9/08, 1975 г.), согласно которому в процессе сварки производят программированное отклонение дуги под действием собственного магнитного поля. Изменение пространственного положения дуги основано на применении эффекта магнитного «дутья», заключающегося в вытеснении дуги из зоны с большей напряженностью магнитного поля в зону с меньшей напряженностью. Т.о. изменение пространственного положения дуги происходит за счет зонального изменения напряженности собственного магнитного поля дуги. Для целенаправленного изменения зональной напряженности магнитного поля в способе предложено использовать изменение места подключения тока к изделию. Изменение места подключения тока производят в процессе сварки автоматически или вручную по заданной программе. Применяя различные схемы подключения тока к изделию и изменяя порядок подключения тока в разных точках изделия, добиваются различных траекторий движения дуги. Использование предложенного в способе подхода для управления пространственным положением дуги позволяет регулировать процесс тепловложения в изделие и управлять качеством соединения в зависимости от условий сварки. Значительно упрощается и удешевляется применяемое для этого оборудование. Исчезает необходимость использовать внешнее магнитное поле, для создания и управления которым необходимо применять дополнительное оборудование в виде электромагнитных систем, а также оборудование для управления работой этих систем. Помимо этого, по сравнению с рассмотренным ранее способом, повышается эффективность управляемости процессом и снижается зависимость эффективности управления процессом от параметров изделия и условий сварки (таких как величина погружения горелки в разделку, параметры и конструкция изделия в зоне сварки, свойства материала изделия и др.).
Однако рассматриваемому способу присущ ряд недостатков, значительно снижающих эффективность влияния на качество сварного соединения и способствующих снижению надежности и работоспособности применяемого оборудования. Во-первых, способ не предусматривает никаких конкретных рекомендаций по области его применения, в плане применяемых процессов и параметров этих процессов. В способе не приведены данные, ограничивающие возможность его применения, что создает существенные препятствия, а иногда и невозможность его практического применения. В связи с полной неопределенностью условий, в которых может быть осуществлен способ, его реализация не позволяет запланированно достигать объявленного технического результата, т.е. улучшения качества соединений. Возможность достижения этого результата носит вероятностный, стохастический характер. Т.е. при определенных параметрах процесса невозможно заранее сказать, будет ли вообще достигнут эффект отклонения дуги, и удастся ли (каким образом и насколько) улучшить качество сварного соединения. Так, например, величина отклонения дуги под действием магнитного «дутья» в значительной степени определяется расстоянием от оси электрода до места подключения тока к изделию. Эффект магнитного дутья наблюдается при сравнительно небольших расстояниях от оси электрода до токоподвода, а при больших расстояниях он вообще не проявляется. Также возможность и величина отклонения дуги под действием магнитного «дутья» значительно зависит от силы сварочного тока. При определенном расстоянии от оси электрода до токоподвода имеется некоторое минимальное пороговое значение силы тока, при котором начинает проявляться эффект отклонения дуги. При токе меньше порогового, эффекта отклонения дуги не наблюдается. Причем это минимальное пороговое значение будет различно для каждого расстояния от оси электрода до токоподвода, т.е. является величиной не постоянной. Важным фактором является частота переключения направления токоподвода. В рассматриваемом способе указано, что частота может меняться в широком диапазоне. Однако следует иметь в виду, что электрическая дуга имеет определенную скорость реакции на изменения магнитного поля, т.е. наблюдается инерционность. Причем электрическая сварочная дуга, это достаточно инерционная система. При достижении частотой изменения направления токоподвода некоторой максимально возможной критической частоты дуга перестает (а точнее, не успевает) реагировать на изменения магнитного поля. Если рассмотреть возможность реализации предлагаемого способа в зависимости от реализуемых процессов сварки, то можно отметить, что в описании способа указано, что он может быть применен как для сварки плавящимся, так и неплавящимся электродом. Однако в силу специфики характеристик дуги при сварке плавящимся электродом (меньшая и постоянно меняющаяся длина дуги, меньшее время горения за цикл сварки, перенос расплавленного электродного металла через дугу) эффективность применения рассматриваемого способа для сварки плавящимся электродом будет гораздо меньше, чем для неплавящегося. Учитывая то, что применение способа для сварки плавящимся электродом повлияет не только на изменение характера тепловложения, но и на характер переноса металла через дугу, то, во-первых, использование этого способа без рекомендаций по эффективной области его применения может привести не к улучшению, а к ухудшению качества сварного соединения. Во-вторых, в рассматриваемом способе для изменения направления токоподвода предложено использовать электромеханические устройства - контакторы и электромеханические реле. Применение такого подхода значительно снижает эффективность и надежность применяемого для способа оборудования. Система управления имеет низкий ресурс работы, высокую восприимчивость к разного рода помехам (в связи с отсутствием гальванической развязки входа и выхода), а также способность работать только с оборудованием малой мощности (даже современные твердотельные реле ограничены напряжением холостого хода и подходят только к маломощным источникам питания сварочной дуги).
Известен способ электрической сварки плавлением, при котором замкнутую полость заполняют материалом плавящегося электрода, сообщая его концу перемещения по криволинейной траектории, причем перемещение конца электрода осуществляется путем подачи электрода в виде спирали, форма навивки которой соответствует требуемой траектории перемещения (аналог - а.с. СССР №398373 МПК6 B23K 9/00, B23K 35/02, B23K 25/00, 1973 г.)
Недостатком способа является то, что форма электрода не является универсальной, т.к. форма витков электрода определяется формой траектории рационального перемещения, то есть под каждое изделие - своя форма электрода. Дуга при этом перемещается по заданной траектории по мере выгорания электрода. Также недостатком является недостаточная жесткость электрода, которая не может быть компенсирована просто увеличением толщины стержня электрода или применением более жесткого материала, т.к. это нарушит стандартные требования к характеристикам электрода.
Известен электрод, содержащий стержень со слоем обмазки, выполненный в виде спирали, с внутренней охватывающей поверхностью для свариваемой детали, причем витки спирали плотно прижаты один к другому, слой обмазки нанесен на наружную поверхность спирали, а на боковых стенках спирали выполнены равномерно расположенные по высоте и образующей спирали сквозные отверстия (см. а.с. СССР №1581510, МПК 5 B23K 9/28, 1990 г.). Данное решение принято за прототип.
Недостатком электрода является отсутствие универсальности формы электрода, т.к. форма витков электрода определяется формой траектории рационального перемещения, то есть под каждое изделие - своя форма электрода. Дуга при этом перемещается по заданной траектории по мере выгорания электрода. Не определены параметры устройств, при которых возможно перемещение дуги под действием собственного магнитного поля.
Технической задачей является расширение арсенала технических средств за счет создания универсального электрода с изменением положения дуги под действием собственного магнитного поля.
Поставленная задача решается тем, что электрод, содержащий стержень, выполненный в виде спирали, со слоем обмазки по всей поверхности витков, согласно полезной модели содержит центральный стержень, соединенный перемычками с витками спирали, между которыми нанесен слой обмазки.
Причем соотношение сечений между ребристой и целой частью -центральным стержнем электрода находится в диапазоне от 50:50% до 90:10%.
Слой обмазки армирует витки стержня и увеличивает жесткость электрода, как и центральный стержень.
Технический результат от использования всех существенных признаков полезной модели заключается в расширении арсенала технических средств, предназначенных для дуговой сварки узлов и деталей из различных металлов и сплавов. Технический результат предлагаемого устройства заключается также в повышении качества сварного соединения и стабильности качества, достигаемое за счет выполнения электрода с центральным стержнем, соединенным перемычками с витками спирали, между которыми нанесен слой обмазки, что ведет к повышению эффективности управления сварочной дугой.
Уменьшение негативного влияния возмущений при сварке на качество сварного соединения за счет отказа от оборудования, применяемого для реализации процесса сварки дугой, отклоняемой собственным магнитным полем, что также повышает и надежность работы.
Указанное соотношение сечений обеспечивает устойчивость поперечного перемещения дуги под действием собственного магнитного поля, обеспечивая устойчивую ширину сварного валика и качество провара.
На приложенной фигуре показан заявляемый электрод (продольный разрез).
Электрод состоит из центрального стержня 1, соединенного перемычками 2 с витками 3 спирали. Перемычки 2 и витки 3 спирали вместе образуют ребристую часть электрода. Витки покрыты обмазкой 4, обмазка также содержится в пространстве между витками 3 спирали и перемычками 2. Отсутствие обмазки между перемычками допустимо.
Обмазка между витками спирали армирует стержень и тем самым повышает жесткость электрода. Эту же задачу выполняет центральный стержень 1 с перемычками 2.
Магнитное поле такого электрода концентрируется внутри электрода (по его длине), а на конце 5, где горит дуга, оно становится перпендикулярным оси электрода и рассеивается в окружающем пространстве. Т.е. на этом участке поле и ток электрической дуги взаимно перпендикулярны, что вынуждает дугу интенсивно перемещаться между кромок свариваемых деталей, ускоряя процесс сварки, делая его более качественным. Ток распределяется пропорционально площади сечения.
Для того, чтобы обеспечить рабочий процесс и надлежащую жесткость конструкции соотношение сечений между ребристой и целой частью - центральным стержнем электрода может быть выбрано в диапазоне - от 50:50% до 90:10%. Основная часть тока будет протекать там, где сечение больше.
Кроме того, в такой системе будет возникать эффект вытеснения тока на внешнюю часть проводника собственным магнитным полем. Поверхностный эффект - это известный из физики эффект вытеснения токов высокой частоты к поверхности проводника, приводящий к тому, что на высоких частотах реально работает только очень тонкий слой поверхности, а внутри проводника ток почти отсутствует.
Таким образом, практически весь ток будет протекать по виткам 3.
На прилагаемой фигуре показан электрод, внешний диаметр которого 4-8 мм, что соответствует цилиндрическому электроду в 1,5-3 мм. Конструкция может быть получена продавливанием через фильеру с последующей закруткой. После формовки электрод поступает в форсунку, где под давлением в его полости и на наружную поверхность впрыскивается обмазка.
Чтобы сварной шов обладал высокими механическими свойствам, обмазка должна:
1) обеспечивать стабильное горение дуги;
2) защищать расплавленный металл от воздействия кислорода и азота воздуха;
3) удалить серу и фосфор из расплавленного металла шва;
4) образовывать шлаковую корку над металлом шва, замедлять его охлаждение, способствуя выходу газов и неметаллических включений на поверхность металла;
5) изменять состав наплавленного металла вводом в него легирующих примесей;
6) раскислять образующиеся в металле шва окислы и удалять эти окислы в шлак;
7) кроме того, состав электродных покрытий не должен ухудшать санитарно-гигиенические условия при сварочных работах.
К полезным качествам электрода можно добавить лучшую адгезию обмазки из-за ребристой поверхности электрода.
При обычном применении известного электрода сварщик вынужден путем колебательных движений конца электрода перемещать дугу с одной детали на другую для равномерного оплавления кромок свариваемых деталей. В предлагаемом устройстве дугу с одной кромки на другую "гоняет" магнитное поле сварочного тока в спиральном электроде.
Заявляемый электрод расширяет арсенал технических средств, предназначенных для дуговой сварки узлов и деталей из различных металлов и сплавов, а также расширяет область применения электродов без использования специальных внешних устройств. Кроме того, повышается качество сварного валика как результат перемещения электрической дуги под действием собственного магнитного поля, создаваемого током в спиральном электроде.
Заявленный электрод может быть изготовлен на современном оборудовании с использованием известных материалов, применяемых при изготовлении сварочных электродов.