Электроды для дуговой сварки. Неплавящиеся электроды

Электродуговая сварка - высокопроизводительный метод металлообработки, позволяющий эффективно работать с металлами повышенной толщины. Мы осуществляем сварку как плавким, так и тугоплавким электродом.

Электродуговая сварка металлов в среде газов тугоплавким электродом (GTAW или TIG-процесс) характеризуется дугой, возникающей между вольфрамовым стержнем (вольфрам, легированным торием) и рабочей поверхностью, с последующим расплавлением металла и формированием сварного шва. Инертный газ (смесь газов) подбирается с учетом свойств базовой поверхности, выполняет защитную функцию, вытесняя воздух из зоны сварочных работ, и улучшает качество соединения.

Особенности, сфера применения электродуговой сварки тугоплавким электродом

Электродуговую сварку металлов повышенной толщины тугоплавким электродом выполняют с применением присадочного материала: неизолированного прута, проволоки в бухте (для автоматического цикла). Обработка цветных металлов и легированных сталей незначительной толщины (0,5-4 мм) возможна без ввода присадочного прута (проволоки). Сварка вольфрамовым электродом в экранирующей среде аргона - основной вид обработки титана, алюминия, нержавеющей стали; заготовок в виде трубного проката. Для улучшения характеристик сварного шва используют защитную смесь аргона с кислородом (3-5%).

Технология

Ручная подача горелки с вольфрамовым электродом и присадочного прута в рабочую зону. Автоматическая подача электрода и присадочной проволоки к месту формирования сварного соединения.

Преимущества электродуговой сварки тугоплавким электродом

1. Узкая зона плавления. Концентрированный источник нагрева.
2. Стабильная электродуга. Надежная изоляция рабочей зоны защитным инертным газом.
3. Мало пористый шов высокого качества. Спокойная сварочная ванна без брызг, контроль глубины плавления металла на всех стадиях сварочного цикла.
4. Экономичность. Слабый износ электрода, отсутствие этапа финишной обработки швов.
5. Соединение разнородных металлов без нарушения их внутренней структуры.
6. Бесшумность.

Электродуговая сварка плавким электродом (GMAW,MIG) характеризуется дугой, сформированной между рабочей плоскостью из металла и проволочным электродом (автоматическая подача) в среде экранирующих газов. Преимущества электросварки легко плавящимся электродом:

• высокая скорость и производительность процесса,
• прочность сварного шва,
• возможность сварки в один проход металлов толщиной до 250 мм,
• сварка в узкий зазор («в лодочку»),
• этап подготовки свариваемых кромок отсутствует.

Особенности

Непрерывное расплавление проволочного электрода препятствует образованию окислов и принципиально улучшает качество шва при сварке металлов электродуговым способом. Принцип образования электродуги позволяет регулировать ее длину и влиять на интенсивность процесса сварки. В качестве экранирующей смеси применяются: аргон с кислородом (2%), аргон с углекислым газом (3%). Скорость электродуговой сварки плавким электродом возможно увеличить введением в защитную газовую среду водорода и гелия. Принципиальные отличия электродуговой сварки легко плавящимся электродом от прочих видов сварочных работ:

• электротоки повышенной плотности (порядка 90-200 А/мм2),
• высокая температура сварочной дуги,
• ярко выраженная плавкость проволочного электрода (около 8 мм/мин.),
• автоматизированная подача проволоки-электрода (полуавтоматический или автоматический цикл),
• использование защитных газов в зоне сварки,
• процессы окисления в сварочной ванне незначительны.

Нормативная документация

ГОСТ 14771-76. Сварка электродуговая в защитных газах. ГОСТ 5264-80. Ручная дуговая сварка. Конструктивные элементы, типы сварных соединений. ОСТ 26-291-79. Электродуговая сварка. Электроды. ГОСТ 11534-75. Электродуговая сварка (ручная). Конструкция соединений. ГОСТ 11533075. Электродуговая сварка (автоматическая, полуавтоматическая). Конструкция соединений. ГОСТ 9467-75, ГОСТ 9466-75. Электроды, присадочные материалы для электродуговой сварки. ГОСТ 14806-80. Электродуговая сварка алюминия.

Различие физических свойств электрода и изделия, особенно сильное, например, при сварке вольфрамовым электродом алюминиевых сплавов, приводит к тому, что напряжение на дуге в одном полупериоде резко отличается от напряжения в другом полупериоде. Температура конца вольфрамового электрода в несколько раз выше температуры ванны с расплавленным алюминием, поэтому условия возбуждения дуги в соседних полупериодах оказываются также различными.

Дуга возбуждается при низком напряжении, когда катодом является вольфрам. Для возбуждения дуги в следующем полупериоде требуется очень большое напряжение, так как термоэлектронная эмиссия с алюминия мала. Поэтому формирование катода на алюминии оказывается возможным лишь при больших пиках напряжения зажигания. Для обеспечения надежного зажигания дуги в этих полупериодах приходится использовать импульсные генераторы, чтобы не увеличивать чрезмерно напряжение холостого хода трансформатора.

Рассмотрим электрические процессы в идеальном источнике питания, который может быть представлен в схеме замещения одной индуктивностью (ссылка на рис.), при работе его на дугу, обладающую заметной разницей падения напряжения в соседних полупериодах. Диаграмма напряжений и токов в цепи дуги при сварке неплавящимся электродом приведена на рис.5.11.

Рис.5.11. Диаграмма напряжений и токов.

Допустим, что в положительном полупериоде , а в отрицательном .

Основное уравнение дуги

(5.1)

решение этого уравнения для положительного полупериода

, (5.2)

для отрицательного . (5.3)

Т.к. рассматриваемая цепь не содержит активного сопротивления, то среднее значение напряжения дуги за период должно быть равно 0.

откуда , (5.5)

Постоянные интегрирования С 1 и С 2 и фаза могут быть найдены из следующих условий:

i d =0; при =0, = 1 , и =2,

– включение в сварочную цепь ёмкости, препятствующей протеканию постоянного тока;

– включение в сварочную цепь встречного источника постоянного тока;

– включение в сварочную цепь нелинейного активного сопротивления, ограничивающего постоянную составляющую тока (рис 5.12).

Первый – наиболее распространенный способ, однако он требует включения дополнительной индуктивности.

Второй – более сложный и громоздкий, применяется в лабораторных условиях.

Третий - способ требует подбора сопротивлений и диодов для различных режимов сварки.

Существуют и другие эффективные способы, в частности, преобразователь может быть рассчитан на несимметричную кривую напряжения холостого хода, что позволяет устранит постоянную составляющую тока без каких – либо специальных мер.

Рис.5.12. Ограничение постоянной составляющей тока дуги

нелинейным сопротивлением.

Аналогичный эффект может дать использование нелинейных индуктивных сопротивлений, обладающих несимметричными зависимостями числа потокосцеплений от сварочного тока.

Электродам относятся те электроды, которые имеют неметаллическое происхождение или сделаны из тугоплавких металлов. Покрытие таких электродов может быть основным, целлюлозным, кислым или рутиловым . Большим спросом пользуются графитовые электроды и находят свое применение в металлургии, электрохимической промышленности и электротермическом производстве.

Для того чтобы обеспечить высококачественное сваривание нужно подобрать электрод , который сделан из тугоплавких материалов, например вольфрам или графит, которые будут отлично плавить металл, при этом не расплавляясь.

В качестве неплавящихся электродов для сварки и дуговой резки металлов используются угольные электроды ГОСТ 10720-75. ГОСТ 10720 является регламентом их изготовления производство не омедненных и омедненных угольных электродов. Они применяются для воздушно-дуговой резки металлов и удаления видимых дефектов изделия. С их помощью можно проводить сваривание при силе тока до 580 А. В зависимости сечения электродов и их назначения ГОСТом 10720-75 предусматривается изготовление трех марок электродов: 1. ВДК – для воздушно-дуговой сварки (круглая форма); 2. ВДП – воздушно-дуговые (плоская форма); 3. СК – сварочные круглые электроды;

Специальные графитовые электроды изготавливаются для дуговой сварки . Однако их изготовление не предусмотрено государственными стандартами, поэтому их зачастую изготавливают путем обтачивания графитизированных электродов , изготовленных по ГОСТ 4426-71.

Неплавящиеся вольфрамовые электроды изготавливаются в виде прутков . Они производятся в соответствии со всеми технологиями. Электроды из вольфрама делятся еще на четыре вида :

• - лантанированный вольфрам;
• - иттрированный вольфрам;
• - торированный вольфрам;
• - обычный вольфрам;

Самое широкое применение находят электроды из лантинированного и иттрированного вольфрама. Самый частый диаметр этих электродов от 1 до 4 миллиметров. Использование электродов из торированного вольфрама встречается очень редко из-за того, что их использование связано с радиоактивностью, которую они излучают. На самом деле они излучают совсем небольшое количество радиации, однако многие крупные предприятия и строительные компании полностью отказались от их использования.

Также Вам нужно правильно подбирать электроды для сварки. Для начала Вам нужно определить тугоплавкость нужного Вам металла. Если Ваше изделие будет сделано из легкоплавких материалов, то Вам нужно покупать плавящиеся электроды, а если изделие будет сделано из сверхтугоплавких металлов, то Вам нужно подбирать плавящиеся электроды .

Как видите, применение неплавящихся электродов очень широкое. Однако Вам нужно правильно подбирать материал электродов и их вид, чтобы сваривание получалось максимально комфортным и рентабельным, разумеется, без потери высокого качества выполненных сварочных работ.

Использование: электродуговая сварка и наплавка, а именно производство электродов из композиционной проволоки с использованием тугоплавких металлов. Сущность изобретения: плавящийся электрод для электродуговой сварки и наплавки выполнен в виде стального стержня с сердечником диаметром 0,07-0,5 диаметра электрода. При этом сердечник выполнен из тугоплавкого металла - титана или циркония. Задача, решаемая изобретением: снижение величины критического тока, при котором обеспечивается струйный перенос электродного металла, и упрощение технологии изготовления плавящегося электрода. 1 табл.

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 o C. 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.

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.

Для сварки неплавящимся электродом применяют угольные, графитовые и вольфрамовые электроды. Они отличаются, прежде всего, высокой температурой плавления, а также тем, что не принимают участия в формировании шва. Аргонодуговая сварка представляет собой сварку в рабочей среде с наличием инертного газа аргона. Для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом применяют вольфрамовый электрод.

Существует ряд аббревиатур, обозначающих разновидности аргонодуговой сварки.

РАД - это ручная дуговая сварка неплавящимся электродом.

Характеристика аргонодуговой сварки

Как правило, аргон как химический элемент не вступает ни в какие химические взаимодействия с вольфрамовым электродом. Поскольку он практически на 40 % тяжелее воздуха, то вполне вероятно, что аргон будет вытеснять воздух из сварки и защитит сварочную ванну от взаимодействия с воздухом.

Если касаться сварки неплавящимся электродом, то и тут применяется вольфрамовый электрод. Диаметр электрода составляет 1-6 мм и 8-10 мм. Так, сваривая шины, использую электроды с диаметром 3-6 мм.

В качестве присадки выступают прутки в диаметре 10 мм, а по длине - 500 мм. Химический состав прутков соответствует химическому составу шин. Для данного типа сварки производят специальные горелки в соответствии с ГОСТом 59 17-71. Масса горелки равно 0, 35 кг, масса горелок при сварке вольфрамовыми электродами составляет 0, 625 кг, диаметр вольфрамовых электродов приравнен к 0,8-3,0 мм.

Во всех случаях предусмотрено естественное охлаждение. В случае если предусмотрено естественное охлаждение с помощью воды, искусственное охлаждение не нужно. Зато можно пользоваться двумя горелками, попеременно меняя их.

Сварка вольфрамовым электродом

Используя при сварке вольфрамовые электроды, вольфрам начинает плавиться в дуге, но если правильно подобрать режим, то плавится лишь конец электрода. При этом расход электродного стрежня не превышает 2 см каждый час сгорания.

Нагретые неплавящиеся вольфрамовые электроды начинают подвергаться процессу окисления в атмосфере. Именно поэтому возникает защита рабочей среды вольфрама защитным газом. Высокое качество сварки достигается за счет аргона и гелия. Зачастую, сварка протекает при постоянном токе с прямой полярностью. Горелка в этом случае облегченная, комфортная и ее легко использовать в процессе работы.

Температура рабочей среды при сварке вольфрамовым электродом может достигать 30000 градусов тепла. Именно поэтому, данный вид сварки, как и сам способ, не просто распространен, но с практической стороны удобен, сваривая качественные, чистые металлы. В том числе металлы из нержавейки, огнеупорные металлы и другие многочисленные марки металлов.

Требования к качеству производимой продукции неимоверно растут. А требования нужно качественно выполнять. Чтобы полностью удовлетворить запросы заказчиков применяется сварка в аргоне плавящимся электродом.

В некоторых случая аргон можно заменить на гелий. Сварка металла аргоном основана на образовании сварочной дуги за счет неплавящегося вольфрамового электрода и материалом, подвергающимся сварке. Электрод погружают в токопроводящее устройство горелки и окутывают с помощью керамического сопла. В результате мы наблюдаем расплавку свариваемых кромок, которая приводит к формированию целостной расплавленной ванны.

Аргон постепенно вытесняет кислород, сварочная ванна остается неподатливой. Температура в зоне плавления составляет 4000-6000 тыс. градусов. Запускаемый в зону присадки присадочный элемент не подсоединен к электроцепи. Шов металла, соединяясь со свариваемыми частями, образует целостную «композицию». Эта «композиция» является показателем высокой степени прочности, герметизации, а главное - долгосрочности материала.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что суть данного типа сварки заключается непосредственно в том, чтобы сформировать дугу между сварочным материалом и неплавящимся электрод.

Если же сварка с помощью аргона выполняется при постоянном токе, то тогда количество тепла на катоде и аноду будет неравномерным. Например, если сила тока составляет 300. А на аноде, то выделяемое тепло будет составлять 70 %, а на катоде -30%. Поэтому, чтобы добиться наилучших результатов, необходимо использовать прямую полярность. Правда, это не касается алюминия,

Во избежание пористости в аргон может быть добавлено 35 % кислорода, так как чистый аргон - это еще не гарантия максимальной защиты от попадания влаги, грязи и т.д. Если кислород будет взаимодействовать с опасными примесями, то это реакция может спровоцировать выгорание, либо вовсе превращение в соединения.

Сварочные работы с применением аргона могут протекать в двух режимах. Если это ручной режим, то тогда присадочный пруток с горелкой будет сконцентрирован в руках сварщика, а если это автоматический режим сварки - присадочная проволока с горелкой будет перемещены без участия специалиста.

В настоящий момент аргоновая сварка применяется не только в промышленной зоне, но и в быту, то есть, практически везде, где необходимо выполнять самые высокие требования, предъявляемые к качеству сварочных швов.

Одной из востребованных областей применения аргона и сварки неплавящимся электродом, становится строительная область, а если быть конкретнее, то строительство каркасного типа. Поскольку сварочные швы обязательно должны выдерживать сильную нагрузку. Сначала, создается непосредственно сам каркас, а потом в процессе сварки к нему присоединяют крепеж, необходимый в монтировке панелей.