Технологическая схема изготовления сварочных электродов с применением наноструктурированных материалов

 

FLOW SHEET MANUFACTURING welding electrodes with applications of nanostructure materials

 

Макаров С.В., Сапожков С.Б. (ЮТИ ТПУ, г. Юрга, РФ)

Makarov S.V., Sapozhkov S.B. (The Yurga Technological Institute of Tomsk Polytechnic University)

 

В данной статье рассматривается технологическая схема изготовления электродов. Описывается метод введения нанопорошка в сварочную ванну на стадии производства через жидкое стекло.

 

This article discuss technological scheme of electrode fabrication. Describes a method for the introduction of nano-powder into the molten pool at the manufacturing stage through the sodium silicate.

 

Ключевые слова: жидкое стекло, нанопорошок, сварочные электроды

Keywords: sodium silicate, nanopowder, welding electrodes

 

Покрытые сварочные электроды предназначены для ручной дуговой сварки металлоконструкций из различных сталей, металлов и сплавов, для наплавки слоёв с особыми свойствами на поверхности деталей и узлов, а также для дуговой резки и строжки металлов [1]. 

Покрытые электроды обладают рядом важных функций:

·           подводят электрический ток к дуговому промежутку;

·           зажигают дугу и перемещают её в пространстве;

·           регулируют токовый режим в процессе сварки;

·           расплавляют основной и присадочный металлы;

·           формируют сварочную ванну;

·           формируют сварной шов необходимых геометрических параметров и качества.

Качество сварочных материалов и электродов определяется следующими факторами (рис. 1):

1.           сырьевой базой;

2.           технологией подготовки сварочных электродов;

3.           наличием необходимого технологического оборудования, обеспечивающего технологию сварочных материалов;

4.           наличием научно-исследовательской базы и соответствующего научно-технического персонала;

5.           наличием сварочного оборудования, адаптированного под данные сварочные материалы и электроды.

 

Рисунок 1 – Строение сварочного электрода марки МР-3

1 – стержень; 2 – участок перехода; 3 – марка электрода; 4 – покрытие.

 

Поэтому, для производства современных качественных электродов необходимо совершенствование технологии изготовления электродов, применяемых материалов и повышение культуры производства.

Производство сварочных электродов заключается в соответствующей обработке каждого материала, входящего в состав покрытия, дозировке по рецепту, изготовлении однородной сухой и мокрой смеси, нанесении определенного слоя этой смеси на стержни, сушке и прокалке готовых электродов [2].

Все материалы покрытия проходят следующую обработку: дробление, размол, просев, дозировку, сухое смешивание, смешивание сухой шихты с жидким стеклом, рубку проволоки на стержни, нанесение на стержни покрытия, провяливание, сушку и прокалку электродов, сортировку, взвешивание и упаковку электродов (рис.2).

Электроды очень чувствительны к малейшим нарушениям технологического процесса. Все операции обработки материалов покрытия следует тщательно выполнять, параметры жидкого стекла строго выдерживать, замесы хорошо перемешивать. Величина замесов должна быть по возможности меньшей, ввиду того, что такая смесь долго храниться не может. Температурный режим печи следует строго соблюдать, так как такие электроды в большой степени склонны к трещинообразованию и вздутию покрытия во время прокалки.

Ферросплавы и минералы, поступающие от поставщиков в крупных кусках, подвергают дроблению до размеров кусков 15-20 мм.

Основная задача, которую преследуют при размоле ферросплавов, заключается в получении необходимой фракции с минимальным содержанием пыли. Кроме того, всегда надо помнить, что ферромарганец  взрывоопасен при размоле.

Размол ферросплавов можно производить следующими способами:

·       на мельницах непрерывного действия в среде инертного газа с просевом;

·       путём мокрого помола;

·       на мельницах периодического действия с добавкой инертного материала и последующим просевом на механических ситах.

Размол ферросплавов на мельницах непрерывного действия в среде инертного газа с одновременным просевом – процесс достаточно производительный, фракция получается однородной и почти не содержит пыли.

Известны следующие методы пассивирования:

·           мокрая обработка водой или пассивирующими средствами;

·           путем прогрева;

·           путем «остаривания» (окисления с поверхности) на воздухе, с последующим внесением пассивирующих средств в жидкое стекло или в мокрый смеситель при изготовлении замеса.

Остаривание – выдержку просеянного ферросплава на воздухе в течение 5-6 суток можно ускорить периодическим перелопачиванием. С учетом требований эстетики производства, техники безопасности и трудоемкости, лучшим является третий метод пассивирования [2].

Размол руд и минералов производят на мельницах непрерывного действия с сепарацией, и пневмотранспортом, а также на мельницах с одновременным просевом на мельницах периодического действия.

Для смешивания шихты применяют барабанные смесители в виде усеченного конуса, валковые смесители или же смешивание производят при помощи сжатого воздуха.

Наиболее эффективным смесителем является барабан в виде усеченного конуса с лопастями на внутренней поверхности.

Взвешенные материалы поступают в смеситель, где и течение 10-12 минут усредняются до полной однородности. Правильность работы весов и однородность смешивания контролируются систематически.

Рубка проволоки на стержни производится на правильно-отрезных станках различных типов. Отличаются станки в основном конструкцией режущего устройства: летучие ножи (ножи укрепляются на вращающихся роликах) и гильотинный нож. Угол среза стержней получается лучше на станках с гильотинным резом, но эти станки менее производительны и сложнее по конструкции. Перед заправкой проволоки в правильно-отрезной станок рубщик обязан убедиться, что проволока проверена контролером ОТК.

Нарубленные стержни перегружаются в контейнеры и транспортируются к прессам или с помощью транспортера переносятся от станков непосредственно к прессам.

Технология изготовления мокрых замесов.

Сухая шихта по замесам или определенная доза сухой шихты переносится в бегунковый смеситель, куда с помощью автоматического дозатора и другого устройства подается заданное количество жидкого стекла требуемой характеристики. Время перемешивания 10-16 мин. Смесь должна быть однородной, без сухих комков [2].



Прокалка электродов.

Термообработку электродов проводят с целью придания покрытию достаточной механической прочности при содержании в нем влаги в пределах, способствующих нормальному протеканию сварочного процесса, позволяющих обеспечить заданный химический состав и свойства наплавленного металла и сварных соединений [3].

Полный цикл термообработки включает предварительную сушку, сушку, прокалку и охлаждение. Непосредственно после опрессовки электродов влажность покрытия обычно составляет 9-13%. Допустимое содержание влаги после прокалки зависит от вида покрытия. Принято, что электроды с основным покрытием должны иметь влажность не более 0,2% массы покрытия. Влажность определяют при температуре 400±10°С с доведением навески покрытия до постоянной массы.

Существует множество различных способов введения нанопорошка в сварочную ванную, но наиболее эффективным является введение нанопорошка в жидкое стекло, т.е. на стадии изготовления электродов.

Суть данного способа заключается в следующем: в жидкое стекло с модулем 3,13, вязкостью 0,604 Па*с и плотностью 1,433 г/см³ добавляют нанопорошок сложного состава (Al2O3, Si, Ni, Ti, W) в количестве 1,0% к массе жидкого стекла. Введение нанопорошка в жидкое стекло производится на механо-активаторной установке кавитационного типа в течении 2 минут, при температуре 30-35ºС [4].

      

Таблица 1 - Показатели качества калиево-натриевого жидкого стекла

Наименование показателя

Серийное

Экспериментальное

1.

Модуль

3,13

3,20

2.

Вязкость, Па*с

0,604

0,292

3.

Плотность, г/см³ 

1,433

1,43

 

 Как видно из таблицы 1, введение нанопорошка в жидкое стекло, снизило вязкость стекла в 2 раза.

Для определения возможности использования нанопорошков при производстве сварочных электродов  (с целью повышения качественных характеристик электродов, в первую очередь сварочно-технологических свойств и механических свойств металла шва), были изготовлены электроды марки МР3 Ø4,0мм. Несмотря на низкую вязкость жидкого стекла, его «клейкость» позволила без проблем изготовить обмазочную массу. Следует отметить, что расход жидкого стекла был меньше, чем по стандартной технологии (22 кг стекла на 100 кг сухой шихты против 24,5 кг стекла на 100 кг шихты при серийном производстве, т.е. расход жидкого стекла снизился на 10%).

Механические свойства металла шва и химический состав наплавленного металла представлены в таблицах 2 и 3.

 

Таблица 2 - Механические свойства металла шва

Электроды марки МР3 Ø4,0мм

σв, Н/мм²

δ5,%

КСU, при 20ºС, Дж/см²

Серийные

460

25

159

Опытные

487

27

192

Требования Н и ТД

не менее

 

450

20

80

 

Таблица 3 - Химический состав наплавленного металла

Электроды марки МР3 Ø4,0мм

Массовая доля элементов, %

С

Si

Mn

S

P

Серийные

0,07

0,03

0,47

0,025

0,046

Опытные

0,07

0,05

0,61

0,025

0,047

Требования Н и ТД

-

-

-

не более

 

 

 

 

0,040

0,045

 

Как видно из таблиц 2 и 3, механические свойства металла шва и химический состав наплавленного металла соответствуют требованиям Н и ТД.

Было установлено, что структура металла шва, выполненного экспериментальными электродами – более дисперсная и однородная, в отличие от неравномерной структуры металла серийными электродами [4].

Данный способ введения наноструктурированных материалов в сварочную ванну более эффективен и рационален, т.к. отсутствуют потери нанопорошка при введении его в сварочную ванну, значительно увеличиваются механические свойства металла шва и улучшается микроструктура сварного соединения.

Список использованных источников

1. Юхин Н.А. Выбор сварочного электрода. – М.: Соуэло, 2003. – 68 с.

2. Крюковский Н.Н. Производство электродов для дуговой сварки. – Москва: Машиностроение, 1956. – 278 с.

3. Макаров С.В. Термическая обработка сварочных электродов. – Технические науки - от теории к практике: материалы XII Международной заочной научно-практической конференции. овосибирск: Изд-во Сибирская ассоциация консультантов, 2012. – С. 44-50.

4. Макаров С.В., Сапожков С.Б. Изготовление электродов с применением нанопорошка сложного состава (Zr, Si, Ni, Ti, Сr). – Материалы VIII Международной научно-практической конференции «Становление современной науки – 2012». -Прага:  Изд-во «Образование и наука», 2012. – С. 88-91.