Способ электродуговой обработки металлов в углеродсодержащем газе постоянно возобновляющимся электродом

(Я)5 В 23 К 9/16 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и на"Гирезка92,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Быховский Д.Г. ПлазменнаяЛ., Машиностроение. 1972, с.ббАвторское свидетельство СССВ 671137, кл. В 23 К 9/6, 197 Изобретение относится к областиэлектродуговой, в частности плазменной обработки, сварки, наплапки, на- .пыления в машино- и. судостроении, атакже может быть использовано привыплавке и переплаве металлов в электрометаллургии,Известен способ электродуговой,в частности плазменной, обработки вхимически активных плазмообразующнхсмесях, в котором используют электрод(катод), выполненный составным, ввиде активной вставки из металла ссоответствующими термоэлектроннымии термохимическими характеристикаж,жестко закрепленной в медной водоохлаждаемой обойме,Недостатком этого способа является малый ресурс работы электрода (даже при мапых токах, до 300 А), непревышающий нескольких часов, обусловленный интенсивной эрозией активной вставки.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является спо 2.(54) (57) СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОИ ОБРАБОТКИ МЕТАПЛОВ В УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕМ ГАЗЕ ПОСТОЯННО ВОЗОБНОВЛЯЮЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ со стержневой графитовой активной вставкой, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения ресурса работы электрода, электродуговую обработку метаплов производят при плотности тока во вставке 10-10 А/см ии тепловом сопротивлении вставки в его поперечном сечении, не превышающем 2,9 10 м К/Вт. соб электродуговой обработки метал лов в углекислом газе постоянно возобновляющимся электродом со стержневой графитовой активной вставкой, При этом способе активную вставь% ку 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 электрода, так как ие определены размеры10 15 20 25 30 35 40 45 50 Исходя из того, что постоянное возобновление электрода возможно лишьпри 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 55 активной вставки, в частности ее диаметра, прямо пропорционально связанного 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 возобновляющимся электродом со стержневой графитовой активной вставкой электродуговую обработку металлов производят при плотности тока во вставке 10 - 1 О А/см" и тепловом сопротивлении вставки в ее поперечном сечении не превышающем 2,9 х к 10 м К/Вт.Работа электрода в режиме постоянного возобновления обеспечивается при условии, что потери С материала электрода не превышают поступление С на него того же материала извне,из газовой фазы, т.е.С СВ частности, при работе электрода в качестве катода потери С определяются испарением и катодным распы, ялением, а поступление С - высаживанием свежего материала в основном в виде положительных ионов, нейтрализующихся на рабочей поверхности катода. 1Постоянное 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 1111 =4000 К), так и сравнительно низкои работой выхода (8 = 4,7 эВ). На фиг.1 представлена принципиальная схема формирующегося постоянно возобновляющегося электрода;нафиг.2 - схема осуществления предложенного способа,Истинный электрод катод 1 диаметром Й высаживается тонким слоем на поверхности активной вставки 2 диаметром Й 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, лищь 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 Я, Ио в аргоне ), либо соединениями этого материала с компонентами газовой атмосферы (Н,Ег, Т 1 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 фазы истинный графитовый катод диаметром около 0,3 см.Первое условие определяет содержание высаживающегося материала в газовой Фазе.Второе условие .определяет теплоотвод от рабочеи поверхности электроч5 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 4000 К).В таблице приведены полученные расчетным путем и подтвержденные экс" периментально температуры,на рабочей поверхности катода дуги, горячей на токе 500 А в смеси углекислого и природного газов в зависимости от диа метра и плотности тока в граФитовой вставке.В этой же таблице приведено тепловое сопротивление вставки в поперечном ее сечении, рассчитанное в соот ветствии с приведенной выше Формулой8(К = -) исходя из условия что толУ Эщина прогреваемого слоя (3) равна райдиусу вставки (-)2Анализ приведенных данных показывает, что при плотностях тока во вставке, меньших 1 О А/см , т.е. при4 Ядиаметре вставки, большем критического значения для тока 500 А, катод разрушается в связи с превышением на его рабочей поверхности температуры сублимации граФита 4000 К. Аналогичные результаты получены и для всех дру гих исследованных значений силы тока,Таким образом, плотность тока во вставке 10 А/см определяет при данФном токе тот критический диаметр 45 вставки, увеличение которого (диамет" ра) приводит к ее разрушению в связи с превышением на рабочей поверхности истинного электрода температуры сублимации граФита. 50При плотности тока, большей 10 А/см , в связи с малостью поверхности контакта истинного электрода с активной вставкой резко снижается прочность их сцепления. Это приводит к механическому разрушению электрода в результате отслаивания истинного электрода от вставки, особенно в переходных режимах: включениях и вы 60 6ключениях дуги, резком изменении ее силы тока и т,д.Эксперименты показали, что обработка при плотности тока во вставке 10 ф - 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 ( 9 с ".60 Вт/м К) предельное тепловое сопротивление в поперечном сечении . вставки составляетс 1 03510 - 2К = - , - = - , --- = 2 9 О м К/ВФ292 60 ф 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 с тепловым сопротивлением в продольном (осевом) направлении 3,3 - 5-1(ГмфК/Вт (длина стержня 0,2 - 0,3 см) и в поперечном ее сечении, не превышающем 2,910 мК/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 в50 случае постоянного 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, окрукающее рабочую поверхность активной вставки, на которой должен формироваться ипостоянно возобновляться истинный графитовый неплавящийся электрод 1. 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/см4 5 и на этом токе ведут электродуговую плазменную обработку. В процессе обработки на поверхности активной вставки формируется и постоянно возобновляется из газовой атмосферы дуги истинный графитовый электрод (катод 1,П р и м е р 1. Производили плазменную сварку по отбортовке стальных листов толщиной 0,3 см в углекислом газе с расходом 0,4 - О,б м /ч, Свар 9 ку ведут на токе 95 А вынесенной дугой плазмотроном с составным водоохлаждаемым катогом, состоящим из медной втулки с запрессованной в нее ак" тивной вставкой из стержневого :рафита марки Сс тепловым сопротивлением в продольном направлении 3,3 10 м К/Вт (длиной 0,2 см) и в плос-6 й кости поперечного сечения 4,5 10 м К/Вт (диаметром 0,05 см), при плотности тока во вставке 9,9341 О А/см4.2практически равной 10 А/см (меньшеи ее лишь на 0,66%), 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 6,9% выше верхнего допустимого предела плотности тока 10 А/см 2, каждый раз при выключении дуги происходит отрыв истинного катода от активной вставки. Это не позволяет обеспечить длительный ресурс работы катода в режиме постоянного возобновленияП р и м е р 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 0,3 см 1, 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.П р и м е р 3. 11 роизводили 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 2 К/Вт (диаметром 0,32 см) при плотности тока во вставке. 1,02 10 А/см , практически2.равной ОЙ/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 во вставке 9,3 "10 А/см , или5 2 на 6,7% ниже предельной величины 10 А/см происходила интенсивная эро 4 йзия вставки.в течение нескольких минут.П 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 токво вставкефг а1/-. - А/см4 Тепловое сопротивление вставДиаметр вставки,Й, смра на рабочей поки в поперечномсеченииЙ мК2 ЯВт верхности истинногоо катода, С 1,25 10 0,15 3605 83 1 О 3919 4218 4510 1,6510 2,15 . 10 250 О 4,50 , 10,59 1 О ,42О ,07 1 О ,55 ф 0 0,20 0,26 0,30 915 0,5 мообраэования использовали смесь метана и углекислого газа с расходом 4 и 10 м /ч соответственно. 11 одогрев вели на токе 11 ООА составными водоохлаждаемыми катодами с активными графитовыми вставками, имеющими различное тепловое сопротивление в поперечном направлении и одинаковое (5 гг г 10 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 ф 10 А/см , во втором - при плотФ йности тока во вставке 1,08 ф 10 фА/сгг. 45560 1 ОНесмотря на то, что в обоих случаях,плотность тока во вставке превьшала10 А/см , в первом случае, когда тепг еловое сопротивление в поперечном сечении вставки было меньше 2,9 ни 10 м"К/Вт, катод работал в режиме постоянного возобновления несколько десятков циклов, а во второ случае, когда тепловое сопротивление впоперечном сечении вставки превьшга-"ло 2,9 10 м К/Вт, разрушался ужепосле 1 - 2 циклов.По отношению к известному способуобработки с постоянно возобновляющимся катодом повышение ресурса работы катода позволяет применить этотспособ в непрерывных производствах:металлургии, химии ит.п.1 Катод работает в режиме постоянного воэо новленияКатод разрушается Катод интенсивно разрушается145560цс дактор Л.Пйсьман Техред Л,Олийнык ектор С.иек нно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 1 роизв аказ 4343 Тираж 650НИИПИ Государственного комитета п113035, Москва, ЖобрРауш одписноениям и открытиям при ГКНТ СССРая наб., д, 4/5