Способ электродуговой обработки металлов в углеродсодержащем газе постоянно возобновляющимся электродом

 

СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ В УГЛЕРОДСОДЕРЖА1ЦЕМ ГАЗЕ ПОСТОЯННО ВОЗОБНОВЛЯЮИ|ИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ со стержневой графитовой активной вставкой, отличающийся тем, что, с целью увеличения ресурса работы электрода, электродуговую обработку металлов производят при плотности тока во вставке 10 и тепловом сопротивлении вставки в его поперечном сечении, не превышающем 2.910 м К/ВТо

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

° S«JJßÛ60

Р1) В 23 К 9/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 3701057/25-27 (22) 16.02.84 (46) 23.11.90. Бюл. У 43 (71) Государственный проектный и научно-исследовательский институт "Гипроникель" (72) М.Г.Фридлянд (53) 62).791о947 55(088.8) (56) Быховский Д.Г. Плазменная резка.

Л., Машиностроение. 1972, с.66-92, Авторское свидетельство СССР

В 671137, кл. В 23 К 9/16, 1977, Изобретение относится к области электродуговой, в частности плазменной обработки, сварки, наплапки, на- . пыления в машино- и. судостроении, а также может быть использовано при выплавке и переплаве металлов в электрометаллургии.

Известен способ электродуговой, в частности плазменной, обработки в химически активных плазмообразующнх смесях, в котором используют электрод (катод), выполненный составным, в виде активной вставки из металла с соответствующими термоэлектронными и термохимическими характеристика;ж, жестко закрепленной в медной водоохлаждаемой обойме.

Недостатком этого способа является малый ресурс работы электрода (даже при мапых токах, до 300 А), не превышающий нескольких часов, обусловленный интенсивной эрозией активной вставки.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является спо2. (54) (57) СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОИ ОБРАБОТКИ МЕТАПЛОВ В УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕМ

ГАЗЕ ПОСТОЯННО ВОЗОБНОВЛЯЮЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ со стержневой графитовой активной вставкой, отличающийся тем, что, с целью увеличения ресурса . работы электрода, электродуговую обработку метаплов производят при плотности тока во вставке 10 -10 A/ñè и и тепловом сопротивлении вставки s его поперечном сечении, не превышающем

2,9 10 м К/Вт. с. соб электродуговой обработки метал- 1 лов в углекислом газе постоянно возобновляющимся электродом со стержневой графитовой активной вставкой.

При этом способе активную вставку изготовляют из того же материала, р что и компонент плазмообразующей среды, высаживающийся иэ нее при горении дуги на рабочей поверхности активной вставки и постоянно ее возобновляющей.

В "астности при горении дуги в углеродсодержащих газах (углеводороды, углекислый газ, смеси их между собой или с другими газами) активную вставку выполняют из графита. Подобное решение позволяет исключить появление во вставке и образующимся на ее поверхности истинном электроде (катоде) термомеханических напряжений, ебус- .,фЬ ловленных разницей в свойствах материалов и приводящих к разрушению электрода., Однако недостатком этого способа. ,является низкий ресурс работы элек трода, так как ие определены размеры

114556О

55 активной вставки, в частности ее диаметра, прямо пропорционально связаннога с плотностью тока в ней при электродуговой обработке.

Целью изобретения является увеличение работы электрода в режиме постоянного возобновления.

Это достигается тем, что в способе электродуговой обработки металлов в углеродсоцержащем газе постоянно возобновчяющимся электродом со стержневой графитовой активной вставкой электродуговую обработку металлов производят при плотности тока во вставке 10 — IO А/см и тепловом сопротивлении вставки в ее поперечном сечении не превышающем 2,9 10 м К/Вт.

Работа электрода в режиме постоянного возобновления обеспечивается при условии, что потери G материала

I электрода не превышают поступление

G на него того же материала извне, (! из газовой фазы, т. е.

С G

В частности, при работе электрода в качестве катода потери G определяются испарением и катодным распы, я лением, а поступление 4 — высаживанием свежего материала в основном в виде положительных ионов, нейтрализующихся на рабочей поверхности катода.

Постоянное возобновление электрода (катода) возможно из любой газовой атмосферы, содержащей соединения, диссоциирующие при температуре дуги с выделением продуктов, способных высаживаться на рабочей поверхности катода и обладающих соответствующими термоэмиссионными и теплофизическими характеристиками. Распространенность, дешевизна, легкость доставки к потребителю, простота и безопасность в обращении позволяют отдать предпочтение как атмосфере, обеспечивающей постоянное возобновление электрода, углеродсодержащим соединением: окислам углерода СО и СО, углеводородам.

Диссоциация в,дуге этих соединений обеспечивает получение наряду с другими компонентами углерода, обладающего как высокой температурой фазового перехода (Т 11 11 =4000K), так и сравнительно низкои работой выхода ($ = 4,7 эВ).

На фиг.1 представлена принципиальная схема формирующегося постоянно возобновляющегося электрода;нафиг.2 - схема осуществления предложенного способа, Истинный электрод катод 1 диаметром d< высаживается тонким слоем на поверхности активной вставки 2 диаметром d и прилегающего к ней участка медной водоохлаждаемой обоймы 3.

Активная вставка является таковой лишь в первый момент после зажигания дуги до образования истинного электрода из углерода, высаживающегося из углеродсодержащей газовой атмосферы дуги. Далее вставка становится пассивной, выполняя как и медная водоохлаждаемая обойма, лишь функции одного из звеньев теплопередачи от рабочей поверхности электрода к охлаждающей его воде. В этом заключается основное и принципиальное отличие постоянно возобновляющегося электрода от традиционного, в той или иной степени аэрозирующего электрода, привязка электродной (катодной) области дуги для которого происходит только и всегда на поверхности, образованной либо материалом вставки (W, Ио в аргоне ), либо соединениями этого материала с компонентами газовой атмосферы (Н, /г, Ti в воздухе). Поэтому диаметр активной вставки для традиционных катодов всегда равен или больше диаметра рабочей поверхности, посещаемой катодной областью дуги.

Диаметр же истинного электрода в случае его постоянного возобновления, как показали наши исследования, больше диаметра активной вставки. Так, например, на электроде, выполненном в виде медной обоймы с запрессованной в нее активной графитовой вставкой диаметром 0,15 см при горении дуги на токе 500 А формируется и постоянно возобновляется из газовой фаI зы истинный графитовый катод диаметром около 0,3 см.

Исходя из того, что постоянное возобновление электрода возможно лишь при равенстве на рабочей поверхности вставки прихода материала из газовой фазы и ухода этого материала в результате испарения, существуют два основных условия работы электрода в таком режиме„

Первое условие определяет содержание высаживающегося материала в газовой фазе.

Второе условие .определяет теплоотвод от рабочеи поверхности электро5 да к охлаждающей его воде. Оно заключается в том, что как в известном способе электродуговой обработки при горении дуги на данном токе температура рабочей поверхности электрода не должна превышать температуры плавления или сублимации высаживающегося материала (для графита 4000К).

В таблице приведены полученные расчетным путем и подтвержденные экспериментально температуры,на рабочей поверхности катода дуги, горячей на токе 500А в смеси углекислого и нриродного газов в зависимости от диа- 20

1I метра и плотности тока в графитовой вставке.

В этой же таблице приведено тепловое сопротивление вставки в поперечном ее сечении, рассчитанное в соот- 25 ветствии с приведенной выше формулой

S (R = -) исходя из условия что толt щина прогреваемого слоя (S) равна pad диусу вставки (-)

Анализ приведенных данных показывает, что при плотностях тока во вставке, меньших 10 А/см, т.е. при

4 Z диаметре вставки, большем критического значения для тока 500 А, катод разрушается в связи с превышением на

его рабочей поверхности температуры сублимации графита 4000К. Аналогичные результаты получены и для всех дру- 4р гих исследованных значений силы тока, l

Таким образом, плотность тока во вставке 10 А/см определяет при дан4 ном токе тот критический диаметр 4 вставки, увеличение которого (диаметра) приводит к ее разрушению в связи с превышением на рабочей поверхности истинного электрода температуры сублимации графита. 50

При плотности тока, большей

10 À/cì, в связи с малостью поверхности контакта истинного электрода с активной вставкой резко снижается прочность их спепления. Это пРиводит к механическому разрушению электрода в результате отслаивания истинного электрода от вставки, особенно в переходных режимах: включениях и вы60 6 ключениях дуги, резком изменении ее силы тока и т.д.

Эксперименты показали, что обработка при плотности тока во вставке

10 — 10 А/см является необходимым, но недостаточным условием повышения ресурса работы электрода в режиме по" стоянного возобновления. Второе условие заключается в том, что тепловое сопротивление вставки в поперечном ее сечении, определяемое ее диаметром, не должно превосходить определенной величины. Для графита (Я

60 Вт/м.К) предельное тепловое сопротивление в поперечном сечении . вставки составляет

d 0 35i10 -5 2

R = —,— = —. — — — = 2 9 !О м К/ВФ

2ф 2 60 Э что соответствует предельному диаметру активной вставки 0,35 см.

При большем диаметре вставки в ре- зультате возросшего ее теплового сопротивления снижается теплоотвод к охлаждающей воде, материал вставки перегревается значительно выше температуры возгонки, и она интенсивно эрозирует. С тепловой точки зрения уменьшение диаметра вставки и ее теплового сопротивления является только положительным.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

К медной водоохлаждаемой обойме 3 с запрессованной в нее активной вставкой 2 в виде графитового стержня тепловым сопротивлением в продольном (осевом) направлении 3,3 — 5-10 м К/Вт (длина стержня 0,2 — 0,3 см) и в поперечном ее сечении, не превышающем

2,9 ° 10 м К/Вт) (диаметр стержня не более 0,35 см) подключают один из полюсов источника 4 питания, в случае постоянного тока — отрицательный. .Собранную таким образом обойму со вставкой вставляют в сопловой узел, обеспечивающий обдув рабочей поверхности активной вставки углеродсодержащим газом или смесью на его основеь

Основным элементом соплового узла является сопло 5, канал 6 которого соосен с обоймой. При этом рабочая поверхность активной вставки может находиться каквнутри канала-сопла, так и вне его. Первый .лучай характерен для плазменной обработки, вто-. рой — для обычной газоэлектрической, Другие полюса источника электрического питания (положительный в

1145560

50 случае постоянного тока) подключают либо к соплу, либо непосредственно к обрабатываемому электрической дуzoH металлу 7. Подают охлаждающую воду в собранную обойму с активной вставкой, а в случае необходимости также в сопловой узел и включают подачу углеродсодержащего газа или смеси на его. основе в пространство, окру.кающее рабочую поверхность активной вставки, на которой должен формироваться и постоянно возобновляться истинный графитовый неплавящийся электрод l. .Зажигают электрическую !5 дугу 8, одним из электродов которой служит рабочая поверхность активной вставки, а другим — либо сопло, либо обрабатываемый м :алл. Устанавливают ток дуги, обеспечивающий при данном диаметре графитовой активной вставки плотность тока в ней 10 — 10 А/см

4 5 и на этом токе ведут электродуговую плазменную обраббтку. В процессе обработки на поверхности активной встав-25 ки формируется и постоянно возобновляется из газовой атмосферы дуги истинный графитовый электрод (катод11, Пример 1. Производили плазменную сварку по отбортовке стальных 30 листов толщиной 0,3 см в углекислом газе с расходом 0,4 — 0,6 м /ч. Свар9 ку ведут на токе 195 А вынесенной дугой плазмотроном с составным водоохлаждаемым катогом, состоящим из медной втулки с запрессованной в нее ак" тивной вставкой из стержневого :рафита марки С-2 с тепловым сопротивлением в продольном направлении 3,3 10 м К/Вт (длиной 0,2 см) и в плос- 40

-6 2 кости поперечного сечения 4,5 10 м

К/Вт (диаметром 0,05 см), при плотности тока во вставке 9,934 10 А/см

2 практически равной 10 А/см (меньшеи ее лишь на 0,66X), что укладывалось в диапазон погрешностей измерений.

Сварка идет при постоянном возобнов" ленни катода, т.е. прч неизменных его размерах и геометрии практически неограниченное время.

При увеличении тока сварки до

210 А, что при данном диаметре активной вставки 0 05 см соответствует плотности тока в ней 1,07 !О А/см, 2 или всего лишь на 6,9Х выше верхнего допустимого предела плотности тока

10 A/см, каждый раз при выключении дуги происходит отрыв истинного катода от активной вставки. Это не позволяет обеспечить длительный ресурс работы катода в режиме постоянного возобновления„

Пример 2. Производили механизированное плазменное напыление жаростойкого защитного покрытия из порошка корунда (окисел алюминия) на поверхность плит из карборунда (кар-; бид кремния). Дпя плазмообразовання использовали смесь природного и углекислого газов с расходом 2,0 и

6,0 м /ч соответственно, Напыление вели на токе 600 А плазмотроном типа

ПВК с составным катодом, выполненным в виде водоохлаждаемой медной втулки с запрессованной в нее графитовой стержневой активной вставкой с тепловым сопротивлением в продольном направлении 5 -10 м К/Вт (высотой О, 3 см1, в плоскости поперечного сечения

1 <10= м К/Вт (диаметром 0,12 см) при плотности тока во вставке 5, 3 О А/см, г

Катод работает в режиме постоянного возобновления в течение нескольких месяцев.

Пример 3. Производили плазменную плавку никельсодержапдх шлаков.

Для плазмообразования использовали смесь метана и углекислого газа с расходом 1,5 и 3,0 м /ч соответственно.

Плавку вели на токе 820 А вынесенной дугой плазмотроном с водоохлаждаемым. составным катодом, состоящим из медной втулки и запрессованной в него активной вставкой из стержневого графита с тепловым сопротивлением в продольном направлении 5 ° 10 м К/Вт (высотой 0,3 см) в плоскости поперечного сечения — 2,66 10 м К/Вт (диаметром 0,32 см) при плотности тока во вставке 1,02 10 А/см, практически

2. равной 10 А/см (большей ее всего .пишь на 1,95%, что укладывается в диапазон погрешности измерений). При снижении .тока с тем же катодом до

750 А, что соответствовало плотности тока BO вставке 9,3 "10 А/см, или

2 на 6,7Х ниже предельной величины

10 А/см происходила интенсивная эро4 и зия вставки.в течение нескольких минут.

Ei р и м е р 4. Производили плазменный нагрев медных заготовок с тол" щиной стенки 20 мм под сварку кратковременным по 30 — 50 с воздействием плазменной струи, генерируемой в плазмотроне, аналогичном применяемому для напыления в примере 3, Для плазПримечание

ТемператуПлотность ток во вставке г! а

Z/-.— А/см

Тепловое сопротивление вставДиаметр вставки, d см ра на рабочей поки в поперечном сечении

d м ° К

2Я В верхности истинного о катода, С

l,25 10

0 ° l5 2,83 1О

3605 новления и

3919

4218

4510

0,20 1,59 10

0,26 9,42 10

1,65 IO

2 15 . 10

2 ° 50 ° lO

0 50 . 2,55 !О

4,50 . 10

4915 мообраэования использовали смесь метана и углекислого газа с расходом

4 и 10 м /ч соответственно. 11одогрев вели на токе 1100А составными водоохлаждаемыми катодами с активными графитовыми вставками, имеющими раз1 личное тепловое сопротивление в поперечном направлении и одинаковое (5гг х10 м К/Вт) в продольном направлении. В первом случае тепловое сопротивление вставки в поперечном его сечении составляло 2,5 10 м К/Вт (диаметр вставки 0,3 см), во втором—

3 10 м К/Вт (диаметр вставки

0,36 см). В первом случае обработка велась при плотности тока во вставке

1 55 IO А/см, во втором — при плотФ ности тока во вставке 1,08 10 А/сгг .

45560 1О

Несмотря на то, что в обоих случаях, плотность тока во вставке превьш ала

10 А/см, в первом случае, когда теп г I ловое сопротивление в поперечном сечении вставки было меньше 2,9н и 10 м"К/Вт, катод работал в режиме постоянного возобновления несколь ко десятков циклов, а во второгг случае, когда тепловое сопротивление в поперечном сечении вставки превыша-" ло 2,9 ° 10 м К/Вт, разрушался уже после 1 — 2 циклов.

По отношению к известному способу обработки с постоянно возобновляющимся катодом повышение ресурса рабо ты катода позволяет применить этот способ в непрерывных производствах: металлургии, химии и т.п.

Катод работает в режиме постоянного воэобКатод разрушается

Катод интенсивно разрушается

1!45560

dc

1 2

Фиг.1 иг.2

Редактор Л.Письман Техред Л.Олийнык Корректор С.Иекмар

Заказ 4343 Тираж 650 Подписное .ВНЦИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101