RU2556256C2

RU2556256C2 - Consumable electrode for arc processes and method of dc welding by consumable electrode

Info

Publication number: RU2556256C2
Application number: RU2013144161/02A
Authority: RU
Inventors: Илья Николаевич Лабутин; Владимир Константинович Назарук; Владимир Борисович Соломатов
Original assignee: Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли РФ (МИНПРОМТОРГ РОССИИ)
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-07-10
Also published as: RU2013144161A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to welding and can be used at plasma DC reverse polarity welding in the medium of aluminium gas and that of aluminium alloys as well as nonferrous metals. Non-consumable electrode comprises conducting body with copper barrel fitted therein and provided with tungsten insert extending from said barrel by magnitude equal to barrel bottom depth. Note here that geometrical sizes of tungsten insert and copper barrel are selected from preset relationships. Water-cooled tube is fitted inside said barrel to cool electrode inner surface down. Cooling fluid is fed at the rate of 4-5 m/s. Note here that tungsten insert end temperature is kept equal to 2300-2500°C while welding at the current of 500-700 A.

EFFECT: higher quality of the weld, longer life of electrode.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электродуговым процессам, преимущественно к плазменной сварке постоянным током алюминия и его сплавов, а также цветных металлов больших толщин, где рекомендуется применение сварки на обратной полярности в среде защитного газа, и может быть использовано в различных областях промышленности.The invention relates to electric arc processes, mainly to plasma welding with direct current of aluminum and its alloys, as well as non-ferrous metals of large thicknesses, where it is recommended to use reverse polarity welding in a shielding gas medium, and can be used in various industries.

Известны различные конструкции электродов, применяемых при плазменной сварке и конструктивно входящих в состав плазмотронов. Так, широко известны электроды с припаянным медным наконечником, внутри которых расположена трубка для подвода к наконечнику охлаждающей воды. Например, неплавящийся электрод по патенту №2248868.There are various designs of electrodes used in plasma welding and structurally included in the plasma torches. Thus, electrodes with a soldered copper tip are widely known, inside of which there is a tube for supplying cooling water to the tip. For example, non-consumable electrode according to patent No. 2248868.

Однако подобные электроды имеют такой недостаток, как недостаточный ресурс и неустойчивость дуги, особенно при малых токах, при незначительном смещении электрода относительно плазмообразующего сопла.However, such electrodes have such a disadvantage as an insufficient resource and arc instability, especially at low currents, with a slight displacement of the electrode relative to the plasma forming nozzle.

Известен неплавящийся электрод для дуговых процессов на обратной полярности по патенту №1496969, принятый за прототип настоящего изобретения. Этот неплавящийся электрод содержит электропроводный корпус, в котором закреплен высокотемпературный стакан с запрессованной в нем вольфрамовой вставкой, а в полости стакана размещена водоохлаждаемая трубка.Known non-consumable electrode for arc processes on the reverse polarity according to patent No. 1496969, adopted as a prototype of the present invention. This non-consumable electrode contains an electrically conductive housing in which a high-temperature glass is fixed with a tungsten insert pressed into it, and a water-cooled tube is placed in the glass cavity.

Однако этот прототип слишком сложен в изготовлении.However, this prototype is too complicated to manufacture.

Почти все известные способы сварки плазмотронами с неплавящимися электродами используют для предохранения от расплавления стакана поток охлаждающей жидкости, чаще всего воды. При этом обычно варьируется только скорость охлаждения в зависимости от требований к температуре анодного пятна. Исходя из сказанного в качестве прототипа заявленного способа выбрана заявка на патент №2003120016.Almost all known methods of welding with plasmatrons with non-consumable electrodes use a stream of coolant, most often water, to protect the cup from melting. In this case, only the cooling rate usually varies, depending on the requirements for the temperature of the anode spot. Based on the foregoing, a patent application No. 2003120016 was selected as a prototype of the claimed method.

Задачей настоящего изобретения является создание неплавящегося электрода для плазмотронов, используемых при автоматической сварке постоянным током на обратной полярности алюминиевых сплавов большой толщины, и разработка способа сварки, обеспечивающего стабилизацию (стабильность) электрической дуги, горящей между электродом и изделием, и с эффективной системой охлаждения его электрода.The objective of the present invention is to provide a non-consumable electrode for plasmatrons used in automatic DC welding on the reverse polarity of large thickness aluminum alloys, and to develop a welding method that provides stabilization (stability) of the electric arc burning between the electrode and the product, and with an effective cooling system of its electrode .

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, будет повышение качества сварного шва за счет устойчивого горения дуги на больших токах, а также увеличение ресурса электрода.The technical result achieved by using the claimed invention is to improve the quality of the weld due to the stable burning of the arc at high currents, as well as an increase in the resource of the electrode.

Известно, что при плазменной сварке алюминия на обратной полярности деталей больших толщин (15÷20 мм) необходимо применять сварочный ток 500÷700 А. Сварочная ванна в этом случае может достигать в диаметре 20÷30 мм и она становится зависимой от плотности сварочного тока. При плотностях тока выше 20 А/мм² сварочная ванна начинает возмущаться (вскипать) и процесс сварки становится невозможным. Главным органом в плазматроне, формирующим определенную плотность тока, является электрод, а на втором месте - плазмообразующее сопло и далее другие параметры. Кроме управления плотностью тока электрод должен иметь определенную температуру рабочего торца вольфрамовой вставки. При сварке на обратной полярности анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода и его температура может превышать 2500°C. Эмпирически было установлено, что если анод переохладить, что происходит при высокой скорости охлаждающей жидкости, то будут нарушаться процессы, протекающие в столбе дуги, в результате чего на поверхности анода образуется серая корка, толщина которой увеличивается с течением времени, что отрицательно влияет на формирование сварного шва. Когда температура анода превышает температуру плавления вольфрама, то торец электрода меняет форму и начинает испаряться, что также отрицательно сказывается на формировании сварного шва.It is known that in plasma welding of aluminum on the reverse polarity of parts of large thicknesses (15 ÷ 20 mm) it is necessary to use a welding current of 500 ÷ 700 A. The welding pool in this case can reach a diameter of 20 ÷ 30 mm and it becomes dependent on the density of the welding current. At current densities above 20 A / mm ^{2, the} weld pool begins to perturb (boil) and the welding process becomes impossible. The main organ in the plasmatron, forming a certain current density, is the electrode, and in second place is the plasma-forming nozzle and then other parameters. In addition to controlling the current density, the electrode must have a certain temperature of the working end of the tungsten insert. When welding at reverse polarity, the anode spot is the entry point and neutralization of free electrons in the anode material and its temperature can exceed 2500 ° C. It was empirically found that if the anode is supercooled, which occurs at a high coolant speed, the processes occurring in the arc column will be disrupted, as a result of which a gray crust forms on the surface of the anode, the thickness of which increases over time, which negatively affects the formation of the welded seam. When the temperature of the anode exceeds the melting temperature of tungsten, the end of the electrode changes shape and begins to evaporate, which also negatively affects the formation of the weld.

Необходимость создания плазмотронов для автоматической сварки требует оптимизации конструкции его наиболее теплонагруженных узлов, одним из которых является электрод. Поэтому основным техническим результатом, обеспечивающим решение указанных задач, является оптимизация размеров электрода, например соотношения его наружного диаметра с размерами вольфрамовой вставки. Эти соотношения существенно оказывают влияние на работу всего плазмотрона, в том числе достигать устойчивого горения дуги за счет распределения анодного пятна дуги по всей поверхности вольфрамовой вставки. В результате такого распределения анодного пятна по всей поверхности вольфрамовой вставки не происходит повышения плотности тока более 20 А/мм², что обеспечивает формирование сварного шва при спокойной сварочной ванне без «вскипания», что, в свою очередь, благоприятно сказывается на повышении качества сварного шва.The need to create plasmatrons for automatic welding requires optimization of the design of its most heat-loaded units, one of which is an electrode. Therefore, the main technical result that provides the solution of these problems is the optimization of the size of the electrode, for example, the ratio of its outer diameter to the dimensions of the tungsten insert. These relationships significantly affect the operation of the entire plasma torch, including the achievement of stable arc burning due to the distribution of the anode spot of the arc over the entire surface of the tungsten insert. As a result of this distribution of the anode spot over the entire surface of the tungsten insert, there is no increase in current density of more than 20 A / mm ² , which ensures the formation of a weld with a quiet weld pool without “boiling”, which, in turn, favorably affects the quality of the weld .

Экспериментально были установлено, что наиболее оптимальные результаты сварки получаются при температуре анодного пятна в диапазоне 2300÷2500°C, когда торец вольфрамовой вставки не расплавляется, и при определенных геометрических размерах вольфрамовой вставки и медного корпуса.It was experimentally established that the most optimal welding results are obtained at an anode spot temperature in the range of 2300 ÷ 2500 ° C, when the end face of the tungsten insert does not melt, and at certain geometric dimensions of the tungsten insert and copper case.

Исходя из вышеизложенного заявленный технический результат достигается в техническом решении неплавящимся электродом для плазменной сварки на обратной полярности, содержащим электропроводный корпус, в котором закреплен медный стакан с установленной в нем вольфрамовой вставкой, а в полости стакана размещенной водоохлаждаемой трубкой. При этом геометрические размеры вольфрамовой вставки и медного стакана выбраны из следующих соотношений:Based on the foregoing, the claimed technical result is achieved in a technical solution by a non-consumable electrode for plasma welding on the reverse polarity, containing an electrically conductive housing in which a copper cup is mounted with a tungsten insert installed in it, and a water-cooled tube is placed in the cup cavity. The geometric dimensions of the tungsten insert and the copper glass are selected from the following ratios:

D=m√l, гдеD = m√l, where

D - диаметр вольфрамовой вставки;D is the diameter of the tungsten insert;

l - максимальный ток сварки;l is the maximum welding current;

m - эмпирический коэффициент =(0,41÷0,42).m - empirical coefficient = (0.41 ÷ 0.42).

D₁=2D; L=D, гдеD ₁ = 2D; L = D, where

D₁ - диаметр медного стакана;D ₁ - the diameter of the copper glass;

L - длина вольфрамовой вставки.L is the length of the tungsten insert.

Заявленный технический результат достигается в техническом решении способа сварки неплавящимся электродом для плазменной сварки на обратной полярности, при котором внутреннюю поверхность электрода охлаждают жидкостью, которую подают со скоростью от 4 до 5 м/с. При этом поддерживают температуру торца вольфрамовой вставки в пределах 2300-2500°C, а для сварки применяют ток 500-700 А.The claimed technical result is achieved in the technical solution of the method of welding with a non-consumable electrode for plasma welding at reverse polarity, in which the inner surface of the electrode is cooled with a liquid that is supplied at a speed of 4 to 5 m / s. At the same time, the temperature of the end face of the tungsten insert is maintained within 2300-2500 ° C, and a current of 500-700 A is used for welding.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется с помощью фигуры (фиг.), на которой представлен общий вид электрода. Электрод состоит из электропроводного корпуса 1, к которому присоединяется при помощи резьбы или другим методом медный стакан 2, в котором находится вольфрамовая вставка 3. Предварительно вольфрамовая вставка устанавливается в графитовом тигле вместе с заготовкой из чистой меди (например, из меди марки М0 или М00). Тигель нагревают в вакуумной печи до расплавления меди, затем печь охлаждают и извлекают медную заготовку с вольфрамовой вставкой и обрабатывают согласно фиг. 1. Внутри медного стакана размещена водоохлаждаемая трубка 4, по которой подают воду или дистиллированную воду под давлением 0,4-0,5 МПа, обеспечивая скорость потока жидкости 4-5 м/с.The essence of the proposed technical solution is illustrated using the figure (Fig.), Which shows a General view of the electrode. The electrode consists of an electrically conductive housing 1, to which a copper cup 2 is attached using thread or another method, in which a tungsten insert is located 3. The tungsten insert is preliminarily mounted in a graphite crucible together with a blank made of pure copper (for example, M0 or M00 copper) . The crucible is heated in a vacuum furnace until copper is melted, then the furnace is cooled and a copper billet with a tungsten insert is removed and processed according to FIG. 1. Inside the copper cup is placed a water-cooled tube 4, through which water or distilled water is supplied at a pressure of 0.4-0.5 MPa, providing a fluid flow rate of 4-5 m / s.

Claims

1. Неплавящийся электрод для плазменной сварки на обратной полярности, содержащий электропроводный корпус, в котором закреплен медный стакан с установленной в нем вольфрамовой вставкой, а в полости стакана размещена водоохлаждаемая трубка, отличающийся тем, что вольфрамовая вставка выступает из стакана на величину, равную толщине его дна, а геометрические размеры вольфрамовой вставки и медного стакана выбраны из следующих соотношений:
D=m√I, где
D - диаметр вольфрамовой вставки,
I - максимальный ток сварки,
m - эмпирический коэффициент =(0,41÷0,42),
D₁=2D; L=D, где
D₁ - диаметр медного стакана,
L - длина вольфрамовой вставки.1. Non-consumable electrode for plasma welding on the reverse polarity, containing an electrically conductive housing in which a copper glass is fixed with a tungsten insert installed in it, and a water-cooled tube is placed in the glass cavity, characterized in that the tungsten insert protrudes from the glass by an amount equal to its thickness bottom, and the geometric dimensions of the tungsten insert and copper glass are selected from the following ratios:
D = m√I, where
D is the diameter of the tungsten insert,
I is the maximum welding current,
m - empirical coefficient = (0.41 ÷ 0.42),
D ₁ = 2D; L = D, where
D ₁ - the diameter of the copper glass,
L is the length of the tungsten insert.

2. Способ плазменной сварки на обратной полярности с использованием неплавящегося электрода по п. 1, включающий охлаждение внутренней поверхности электрода с помощью водоохлаждаемой трубки, по которой подают жидкость со скоростью от 4 до 5 м/с и поддерживают температуру торца вольфрамовой вставки в пределах 2300-2500°C, а для сварки применяют ток 500-700 А. 2. The method of plasma welding on the reverse polarity using a non-consumable electrode according to claim 1, comprising cooling the inner surface of the electrode using a water-cooled tube, which serves the fluid at a speed of 4 to 5 m / s and maintain the temperature of the end face of the tungsten insert within 2300- 2500 ° C, and a current of 500-700 A is used for welding.