SU1145560A1 - Способ электродуговой обработки металлов в углеродсодержащем газе посто нно возобновл ющимс электродом - Google Patents

Abstract

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

Description

Изобретение относитс  к области электродуговой, в частности плазменной обработки, сварки, наплавки, на-, пылени  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 плазмообразующих смес х, в котором используют электрод (катод), выполненный составным, в виде активной вставки из металла с соответствующими термоэлектронными и термохимическими характеристика;, жестко закрепленной в медной водоохлаждаемой обойму

Недостатком этого способа  вл етс  малый ресурс работы электрода (даже при малых токах, до 300 А), не превышакиций нескольких часов, обусловленный интенсийной эрозией активной вставки

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому  вл етс  спос . $

соб электродуговой обработки металлов в углекислом газе посто нно восл зобновл ющимс  электродом со стержневой графитовой активной вставкой.

При этом способе активную вставку изготовл ют из того же материала, что и компонент плазмообразующей среды , высаживающийс  из нее при горении дуги на рабочей поверхности активной

-( сд сл вставки и посто нно ее возобновл ющей, В частности при горении дуги в углеродсодержащих газах (Углеводороды,

О5 углекислый газ, смеси их между собой или с другими газами) активную вставку выполн ют из графита. Подобное решение позвол ет исключить по вление во вставке и сбразун цимс  на ее поверхности истинном электроде (катоде) термомеханических напр жений, обусловленных разницей в свойствах материалов и привод щих к разрушению электрода , ,

Однако недостатком этого способа. |Явл етс  низкий ресурс работы элек|трода , так как не определены размеры

активной вставки, в частности ее диаметра , пр мо пропорционально св занного с плотностью тока в ней при электродуговой обработкео

Целью изобретени   вл етс  увеличение работы электрода в режиме посто нного возобновлени .

Это достигаетс  тем, что в способ электродуговой обработки металлов в углеродсодержащем газе посто нно возобновл ющимс  электродом со стержневой графитовой активной вставкой электродуговую обработку металлов производ т при плотности тока во вставке 10 - Ю А/см и тепловом сопротивлении вставки в ее поперечном сечении не превышающем 2,9 х МО м К/Вт„

Работа электрода в режиме постр н ного возобновлени  обеспечиваетс  при условии, что потери G материала электрода не превышают поступление G на него того же материала извне, из газовой фазы, Тоео

в частности, при работе электрода в качестве катода потери G определ ютс  испарением и катодным распылением , а поступление G - высаживанием свежего материала в основном в виде положительных ионов, нейтрализующихс  на рабочей поверхности катодас

I

Посто нное возобновление электрода (катода возможно из любой газовой атмосферы, содержащей соединени  диссоциирующие при температуре дуги с выделением продуктов, способных высаживатьс  на рабочей поверхности катода и обладающих соответствукндими термоэмиссионными и теплофизическими характеристикамио Распространенность дешевизна, легкость доставки к потребителю , простота и безопасность в обращении позвол ют отдать предпочтение как атмосфере, обеспечивающей посто нное воз бновление электрода, углеродсодержащим соединением: окисл 1м углерода СО и СО, углеводородам Диссоциаци  в ,дуге этих соединений обеспечивает получение нар ду с другими компонентами углерода, обладающего как высокой температурой фазового перехода ( 4000К), так и сравнительно низкой работой выхода (S 4,7 эВ)„

На фиг.1 представлена принципиальна  схема формирующегос  посто нно возобновл ю1чегос  электрода;нафиг.2 схема осуществлени  предложенного способа.

Истинный электрод катод 1 диаметром df высаживаетс  тонким слоем на поверхности активной вставки 2 диаметром d и прилегающего к ней участка медной водоохпаждаемой обоймы З Активна  вставка  вл етс  таковой лишь в первыр момент после зажигани  дуги до образовани  истинного электрода из углерода, высаживающегос  из углеродсодержащей газовой атмосферы дуги. Далее вставка становитс  пассивной, выполн   как и медна  водоохлаждаема  обойма, лшиь функции одного из звеньев теплопередачи от рабочей поверхности электрода к охладающей его воде В этом заключаетс  основное и принципиальное отличие посто нно возобновл ющегос  электрода от традиционного, в той или иной степени аэрозирующего электрода, прив зка электродной (катодной) области дуги дл  которого происходит только и всегда на поверхности, образованной либо материалом вставки (W, Мо в аргоне ) , либо соединени ми этого материала с компонентами газовой атмосферы (Н.Г, Zr, Ti в воздухе) Поэтому диаметр активной вставки дл  традиционных катодов всегда равен ил больше диаметра рабочей поверхности, посещаемой катодной областью дуги Диаметр же истинного электрода в случае его посто нного возобновлени , как показали наши исследовани , 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 формируетс  и посто нно возобновл етс  из газовой фазы истинный графитовый катод диаметром около 0,3 см. Исход  из того, что посто нное возобновление электрода возможно лишь при равенстве на рабочей поверхности вставки прихода материала из газовой фазы и ухода этого материала в результате испарени , существуют два основных услови  работы электрода в таком режиме Первое условие определ ет содержание высаживающегос  материала в газовой фазе, Второе условие .определ ет теплоотвод от рабочей поверхности электро да к охлаждающей его водео Оно заключаетс  в том, что как в известном способе электродуговой обработки при горении дуги на данном токе температура рабочей поверхности электрода не должна превышать температуры плав лени  или сублимации высаживающегос  материала (дл  графита 4000К)о В таблице приведены полученные расчетным путем и подтвержденные экс периментально температуры на рабочей поверхности катода дуги, гбр чей на токе 500А в смеси углекислого и природного газов в зависимости от диаметра и плотности тока в графитовой вставке В этой же таблице приведено тепло вое сопротивление вставки в поперечном ее сечении, рассчитанное в соответствии с приведенной вьше формулой ( R -), исход  из услови , что толл щина прогреваемого сло  (S) равна ра . d. диусу вставки Анализ приведенных данных показывает , что при плотност х тока во вставке, меньших 10 А/см , т.е, при диаметре вставки, большем критического значени  дл  тока 500 А, катод разрушаетс  в св зи с превышением на его рабочей поверхности температуры сублимации графита 4000Ка Аналогичшл результаты получены и дл  всех других исследованных значений силы тока I Таким образом, плотность тока во вставке 10 А/см определ ет при данном токе тот критический диаметр вставки, увеличение которого (диамет ра) приводит к ее разрушению в св зи с превьппением на рабочей поверхности истинного электрода температуры сублимации графита При плотности Tolca, большей , в св зи с малостью поверхкости контакта истинного электрода с активной вставкой резко снижаетс  прочность их сцеплени о Это приводит к механическому разрушению электрода в результате отслаивани  истинного электрода от вставки, особенно.в переходных резкимах: включени х и выключени х дуги, резком изменении ее силы тока и т,ДоI Эксперименты показали, что обрабо гка при плотности тока во вставке Ю - 10 А/см  вл етс  необходимым, но недостаточным условием повышени  ресурса работы электрода в режиме посто нного возобнов-пени о Второе условие заключаетс  в том, что тепловое сопротивление вставки в поперечном ее сечении, определ емое ее диаметром , не должно превосходить определенной величинЫо Дл  графита ( Д г 60 Вт/МК) предельное тепловое сопротивление в поперечном сечении вставки составл ет d . 27i 27бО - что соответствует предельному диаметру активной вставки 0,35 смо При большем диаметре вставки в результате возросшего ее теплового сопротивлени  снижаетс  теплоотвод к охлаждающей воде, материал вставки перегреваетс  значительно выше температуры возгонки, и она интенсивно эрозирует С тепловой точки зрени  уменьшение диаметра вставки и ее теплового сопротивлени   вл етс  только положительным Предлагаемый способ осуществл етс  следующим образом К медной водоохлаждаемой обойме 3 с запрессованной в нее активной вставкой 2 в виде графитового стержн  Q тепловым сопротивлением в продольном (осевом) направлении 3,3 - ( (длина стержн  0,2 - 0,3 см) и в поперечном ее сечении J не превьш1акицем 2,) (диаметр стержн  не более 0,35 см) подключают один из полюсов источника 4 питани , в случае посто нного тока - отрицательный . Собранную таким образом обойму со вставкой вставл ют в сопловой узел, обеспечиваюпщй обдув рабочей поверхности активной вставки углеродсодержащим газом или смесью на eiO основе Основным элементом сопловох-о узла  вл етс  сопло 5, канал 6 которого соосен с обоймой При этом рабоча  поверхность активной вставки может находитьс  как внутри канала-сопла, так и вне его Первый случай характерен дл  плазменной обработки, .второй - дл  обычной газоэлектрической. Другие полюса источника электрического питани  (положитег1ьт 1й в

7П

случае, посто нного тока) подключают либо к соплу, либо непосредственно к обрабатываемому электрической дугой 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, окружающее рабочую поверхность активной вставки, на которой должен формироватьс  И посто нно возобновл тьс  истинный графитовый неплав щийс  электрод 1о Зажигают электрическую дугу 8, одним из электродов которой служит рабоча  поверхность активной вставки, а другим - либо сопло, либо обрабатываемый Mt .алЛо Устанавливают ток дуги, обеспечивающий при данном диаметре графитовой активной встав- „ ки плотность тока в ней 10 - 10 А/см и на этом токе ведут электродуговую плазменную обработкуо В процессе обработки на поверхности активной вставки формируетс  и посто нно возобновл етс  из газовой атмосферы дуги истинный графитовый электрод (катод

Пример ID Производили плазменную сварку по отбортовке стальных листов ТОЛ1ЦИНОЙ 0,3 см в углекислом газе с расходом 0,4 - 0,6 м /Чо Сварку ведут на токе i 95 А вынесенной дугой плазмотроном с составным водоохлаждаемым , состо щим из медной втулки с запрессованной в нее активной вставкой из стержневого графита марки С-2 с тепловым сопротивлением в продольном направлении 3,3 (длиной 0,2 см) и в плоскости поперечного сечени  4,540 м К/Вт (диаметром 0,05 см), при плотности тока во вст-авке 9, А/см практически равной 10 А/см (меньшей ее лишь на 0,66%), что укладывалось в диапазон погрешностей измеренийо Сварка идет при посто нном возобновлении катода, Тое прч неизменных его размерах и геометрии практически неограниченное грем о

При увеличении тока сварки до 210 А, что при данном диаметре активной вставки 0,05 см соответствует плотности тока в ней 1,0710 А/см , или всего лишь на 6,9% вьш1е. верхнего допустимого прр.дела плотности тока , казедый раз при выключении дуги происходит отрыв истинного катода от активной вставкИо Это не поз55608

вол ет обеспечить длительный ресурс работы катода в режиме посто нного возобновлени  о

П р и м е р 2„ Производили механизирова1п ое плазменное напыле1ше жаростойкого защитного покрыти  из порошка корунда (окисел алюш-пт ) на поверхность плит из карборунда (кар-;

Q бид кремни ). Дл  плазмообразоваш1  использовали смесь природного и углекислого газов с расходом 2,0 и 6,0 MV4 соответственно Напыление вели на токе 600 А плазмотроном типа

5 ПВК с составным катодом, выполненным в виде водоохлаждаемой медной втулки с запрессованной в нее графитовой стержневой активной вставкой с тепловым сопротивлением в продольном наQ правлении 5 (высотой 0,3 см), в плоскости поперечного сечени  1 «10 м К/Вт (диаметром 0,12 см) при плотности тока во вставке 5,, Катод работает в режиме посто нного

5 возобновлени  в течение нескольких мес цев

Пример Зо Производили плазменную плавку никельсодержашдх шлаков Дп  плазМОобразовали  использовали

0 смесь метана и углекислого газа с расходом 1,5 и 3,0 соответственно. Плавку вели на токе 820 А вынесенной дугой плазмотроном с водоохлаждаемым составным катодом, состо щим из мед5Г ной втулки и запрессованной в него активной вставкой из стержневого графита с тепловым сопрбтивлением в продольном направлении 540 (высотой 0,3 см) в плоскости поперечного 0 сечени  - 2,66 40 м -К/Вт (диаметром 0,32 см) при плотности тока во вставке, 1, А/см , практически равкой Ю А/см (большей ее всего лишь на Ij95%, что укладываетс  в диапазон погрешности измерений). При снижении .тока с тем же катодом до 750 А, что соответствовало плотности тока во вставке 9,3-10 А/см , или на 6,7% ниже предельной величины JQ 10 А/см происходила интенсивна  эрози  вставки.в течение нескольких минут

П р и м е р 4, Производили плазменный нагрев медных заготовок с толсс щиной стенки 20 мм под сварку кратко временным по 30 - 50 с воздействием плазменной струи, генерируемой в плазмотроне , аналогичном примен емому дл  напылени  в примере 3 Дл  штаз9М

мообраэовани  использовали смесь метана и углекислого газа с расходом 4 и 10, м /ч соответственноо Подогрев вели на токе I100А составными водоохлаждаемыми катодами с активными графитовыми вставками, имеющими различное тепловое сопротивлен11е в поперечном направлении и одинаковое (5 Л х10 м%/Вт) в продольном направлении . В первом случае тепловое сопротивление вставки в поперечном его сечении составл ло 2,5 К/Вт (диаметр вставки 0,3 см), во втором 3«10 м К/Вт (диаметр вставки 0,36 см)о В первом случае обработка велась при плотности тока во вставке 1,5540 А/см , во втором - при плотности тока во вставке 1,08Ю А/см о

556010

Несмотр  на то, что в ov6oHx случа х, плотность токг во вставке превьш1ала , в первом случае, когда теп ловое сопротивление в поперечном се5 чении вставки было меньше 2,9f X , катод работал в режиме посто нного возобновлени  несколь ко дес тков циклов, а во второго случае , когда тепловое сопротивление в

0 поперечном сечении вставки превыша-ло 2,9 К/Вт, разрушалс  уже после 1 - 2 циклово

Яо отношению к известному способу

r об дботки с посто нно возобновл ющимс  катодом повышение ресурса рабо ты катода позвол ет применить этот способ в непрерывных производствах: металлургии, химии и ТоП

0,15 2,83 . 10 0,50 2,55 10 1,65 -10 2,15 . 10;. 2,50 . 10 4,50 . 10 Катод работает в режиме посто нного возобновлени  - Катод разрушаетс  Катод интенсивно разрушаетс 

Claims (1)

1. СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ В УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕМ ГАЗЕ ПОСТОЯННО ВОЗОБНОВЛЯЮЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ со стержневой графитовой активной вставкой, отличающийся тем, что, с целью увеличения ресурса работы электрода, электродуговую обработку металлов производят при плотности тока во вставке Ю^-Ю^А/см^и тепловом сопротивлении вставки в его поперечном сечении, не превышающем г.ЭЧО'^м^К/Вт»