плавящийся электрод для электродуговой сварки и наплавки

Формула изобретения

Плавящийся электрод для электродуговой сварки и наплавки, выполненный в виде стального стержня с использованием тугоплавкого металла, отличающийся тем, что тугоплавкий металл введен в виде сердечника, диаметр которого составляет 0,07 0,5 диаметра электрода, при этом в качестве тугоплавкого металла использован титан или цирконий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электродуговой сварке и наплавке, конкретнее к производству электродов, используемых для сварки металлоконструкций и при упрочнении и восстановлении быстроизнашиваемых деталей оборудования и инструмента.

Известна конструкция плавящегося электрода в виде стального стержня с покрытием из тугоплавкого металла, например из титана, который обеспечивает снижение разбрызгивания металла при сварке в среде углекислого газа за счет струйного переноса электродного металла (SU, авт. св. N 1061962, кл. B 23 K 35/02, 1983).

Известный электрод обладает недостатками: струйный перенос электродного металла достигается лишь на сварочном токе выше его критического значения. При диаметре известного электрода 2 мм и напряжении на дуге 30-32 В критическое значение тока составляет . Столь высокое значение критического тока ограничивает реализации достигаемого преимущества известного электрода лишь при сварке металла больших толщин.

Кроме того, покрытие из титана наносится на проволоку дорогостоящим методом вакуумного испарения, что существенно снижает экономическую эффективность известного электрода.

Технический результат изобретения снижение величины критического тока, а также упрощение технологии его изготовления.

Результат достигается тем, что в плавящийся электрод для электродуговой сварки и наплавки, выполненный в виде стального стержня с использованием тугоплавкого металла, последний, согласно изобретению, введен в виде сердечника, диаметр которого составляет 0,07-0,5 диаметра электрода, при этом в качестве тугоплавкого металла использован титан или цирконий.

Титан и цирконий имеют более высокую температуру плавления, чем сталь и легко растворяются в расплавленном железе, поэтому в процессе сварки как в среде аргона, так и в среде углекислого газа, предлагаемым электродом, возникают физические процессы, вызывающие появление конуса на торце электрода и струйный перенос электродного металла при низких критических значениях тока.

В начальный момент горения дуги скорость плавления тугоплавкого сердечника ниже скорости плавления оболочки, поэтому сердечник выдвигается из торца электрода, образуя конус. Расплавленный металл оболочки стекает по поверхности конуса, растворяет в себе металл сердечника и переносится через дугу в виде струи. За счет растворения тугоплавкого металла, а также в связи с концентрацией тепловыделения на вершине конуса скорости расхода сердечника и плавления оболочки выравниваются. Таким образом возникает саморегулирующаяся система, стабильно поддерживающая конус на торце электрода и струйный перенос электродного металла в течение всего времени сварки. Обнаруженный эффект действует при изменении диаметра тугоплавкого сердечника в пределах от 0.07 до 0.5 диаметра электрода. Если диаметр сердечника меньше 0,07 диаметра электрода, то конус на торце электрода не возникает и при переносе электродного металла появляются короткие замыкания. При увеличении диаметра сердечника более, чем 0,5 диаметра электрода, сердечник выдвигается далеко от торца электрода, и перенос электродного металла становится крупнокапельным с короткими замыканиями.

Сварочная дуга со струйным переносом электродного металла обладает наилучшими технологическими свойствами, так как обеспечивает минимальное разбрызгивание, бездефектный наплавленный металл и его хорошее формирование.

Предлагаемый электрод изготовляется обычным методами прокатки и волочения проволоки из биметаллической заготовки, исключая дорогостоящие приемы последующей тщательной очистки ее поверхности и вакуумного нанесения на нее тугоплавких покрытий.

Тугоплавкие металлы титан и цирконий по сравнению с такими, как молибден, обладают повышенной пластичностью при нормальной температуре, и особенно при нагреве более 600^oC. Это повышает качество биметаллического электрода и упрощает технологию его изготовления.

Титан и цирконий обладают высокой химической активностью в расплавленном состоянии, интенсивно взаимодействуя с кислородом и азотом, поэтому в металл шва переходит лишь 0,05-0,3 от их содержания в электроде, остальная часть в виде продуктов химического взаимодействия переходит в шлак. Это свойство данных тугоплавких металлов по сравнению с такими, как молибден, позволяет расширить область применения электродов с тугоплавким сердечником. Они могут применяться, например, для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей, вместо таких проволок (Св 08ГСМТ, Св 15СТЮЦА, Св 20ГСТЮА), когда содержание титана и циркония в швах рационально лишь в малых количествах 0,01-0,2% для сварки аустенитных сталей типа X18H10T; для наплавки износостойких слоев типа 25X10Г10Т и др.

Теплофизические, механические и химические свойства титана и циркония используются в изобретении для существенного улучшения технологических свойств электродов, упрощения технологии их изготовления.

Для испытаний электрода методом горячей прокатки и волочения из биметаллических заготовок были получены композиционные проволоки сплошного сечения диаметром 1,6 км, состоящие из тугоплавкого сердечника из титана или циркония и оболочки из сталей 08Г2С, 04Х19Н9 и У12А (см. таблицу).

Опытные наплавки производили полуавтоматом в среде углекислого газа или аргона на постоянном токе обратной полярности. Процесс осциллографировали с помощью прибора С1-74, замеряли ток и напряжение на дуге. Скорость подачи проволоки изменяли в пределах от 100 до 500 м/ч, напряжение от 19 до 30 В, сварочный ток от 100 до .

Результаты опытов показали, что процесс сварки предлагаемым электродом характеризуется отсутствием коротких замыканий при частоте перехода капель от 170 до 320 1/С, отсутствием разбрызгивания как при сварке в аргоне, так и при сварке в среде углекислого газа. В отличие от известного электрода струйный перенос начинается при минимальных токах и минимальном напряжении на дуге (17-19 В), причем сразу наблюдается максимальная частота перехода капель 300-320 1/С. С ростом напряжения частота перехода капель уменьшается до 170-180 1/С, но процесс также идет без коротких замыканий. При изменении диаметра тугоплавкого сердечника ниже 0,07 и более 0,5 диаметра электрода струйный перенос электродного металла нарушается.

Химический анализ четвертого слоя наплавленного металла показал, что при использовании оболочки из стали 08Г2С содержание титана и циркония составляет 0,014-0,020% что соответствует их содержанию в проволоках (Св 08ГСМТ, Св 15 СТЮЦА, Св 20ГСТЮА (ГОСТ 2246-70). Эти марки сварочных материалов могут быть получены в виде композиционной проволоки по изобретению.

При использовании оболочки из стали 04Х19Н9 и сердечника из титана доказана возможность получения композиционных электродов типа Х18Н10Т, 08Х20Н9Г7Т, так как содержание титана в наплавке составило 0,45% что соответствует требуемому. Опыты 4,5 (см. таблицу) подтвердили возможность получения композиционных электродов со струйным переносом, которые обеспечивают наплавку твердых высокоизносостойких слоев за счет использования высокоуглеродистой оболочки и материала сердечника, являющегося сильным карбидообразователем.

Испытания показали, что достигается снижение величины критического тока, при котором наблюдается струйный перенос электродного металла при сварке, а также упрощение технологии изготовления электрода с использованием тугоплавкого металла.