Электроды

Для воздушно-дуговой резки применяют преимущественно электроды из угля и графита. Стальные толстопокрытые электроды используются редко, так как они быстро расплавляются, а их высокая стоимость существенно снижает экономическую эффективность обработки. Главными из требований, предъявляемых к электродам для воздушно-дуговой резки, являются их стойкость в эксплуатации и устойчивое сохранение формы.

Расходование электрода в процессе резки происходит за счет нагревания рабочего торца и испарения материала электрода дугой и за счет окисления и эрозии сильно нагретой боковой поверхности электрода в результате воздействия омывающего ее потока воздуха. Общий секундный расход электрода ^ складывается из окислившейся g₀ и испарившейся g_u частей:

Электрическая дуга обусловливает расходование электрода с линейной скоростью

где I - величина рабочего тока в а;

U - напряжение дуги в в;

η_э - коэффициент поглощения энергии дуги электродом;

d_э - диаметр электрода в мм;

θ - теплота испарения электродного материала в кал/г;

Т_и - температура испарения электродного материала в °С;

С_н - теплоемкость электродного материала при температуре Т_и в кал/г °С;

Т_э - температура электродного стержня в °С;

С_э - теплоемкость материала стержня в кал/г °С при температуре Т_э;

q_э - количество теплоты в кал/сек, отводимое от рабочего торца в стержень электрода.

При этом температура электродного стержня зависит от плотности тока, проходящего по стержню,

удельного сопротивления электродного материала ρ ом·см, интенсивности теплоотдачи от поверхности электрода воздушной струе (коэффициент теплоотдачи α в кал/см²·сек °С), а также от длительности работы электрода t сек, плотности металла электрода γ г/см³ и его теплоемкости С кал/г °С.

Зависимость температуры электрода от этих параметров можно выразить следующей формулой:

(19)

где Т₀ -начальная температура стержня;

е - основание натуральных логарифмов.

Количество теплоты, поглощаемой стержнем электрода, зависит от температуры электродного стержня и температуры испарения его материала, диаметра электрода, теплоотдачи от поверхности стержня воздушному потоку и коэффициента теплопроводности электродного материала λ кал/см·сек °С и может быть найдено из формулы

Связанное с окислением боковой поверхности электрода расходование последнего определяется величиной окисляющейся поверхности, ее фактической температурой, температурой начала интенсивного окисления электродного материала и скоростью воздушной струи.

Следовательно, материал электрода для воздушно-дуговой резки должен обладать высокими температурой испарения, электро- и теплопроводностью, плотностью и температурой окисления. При этом электрод должен быть прочным и обладать достаточной твердостью во избежание интенсивной эрозии воздушной струей.

Изготовляемые промышленностью угольные электроды дешевле и прочнее графитовых, однако они имеют существенные недостатки. Электротехнический уголь имеет в 4 раза меньшую электропроводность по сравнению с графитом и, соответственно, сильнее нагревается проходящим по нему током. Воздушный поток, омывающий слабо нагретый электрод, понижает его температуру и снижает интенсивность его расходования. Воздух, скользящий вдоль поверхности сильно нагретого электрода, окисляет его материал, что влечет за собой быстрое сгорание электрода. Уголь начинает окисляться при температурах в 1,5 - 2 раза ниже температуры окисления графита (табл. 10), следовательно, графит является более стойким материалом. Однако электроды из графита менее прочны и более подвержены эрозии. Обычно для воздушно-дуговой резки используют электроды из смеси графита с углем. Важное значение имеет соотношение угля и графита. При недостатке графита электрод сильно разогревается во время резки, а его рабочий конец под действием струи воздуха быстро уменьшается в диаметре и заостряется. В результате рабочий ток самопроизвольно уменьшается, падает производительность резки, а рез имеет нестабильную ширину. Этот недостаток свойственен, в частности, электродам, получившим широкое применение в отечественной металлообрабатывающей промышленности для воздушно-дуговой резки и известным под названием "угли сварочные".

Таблица 10

Угли сварочные имеют цилиндрическую форму, изготовляются из электротехнического угля, характеризуются низким содержанием графита (1,5 - 2%) и обладают малой электропроводностью (удельное сопротивление не более 100 ом·мм²/м). Прочность стержней характеризуется временным сопротивлением излому (не менее 120 кГ/см²). Предусмотрен выпуск стержней длиной 250 и 700 мм и диаметром 4 - 18 мм. Наиболее ходовые размеры стержней диаметром 6 - 12 мм. Рациональная длина электрода 300 - 350 мм, поэтому обычно пользуются короткими углями или длинные угли ломают пополам.

Таблица 11

Наиболее эффективное использование электрода, определяемое количеством выплавленного им металла, достигается при правильном выборе рабочего тока (табл. 11). При слишком малых токах возбудить и поддерживать дугу не удается. Нижним пределом устойчивости дуги можно назвать величину тока, при которой дуга зажигается без затруднений и горит непрерывно не менее 30 сек, или при динамичном режиме, при котором не возникает затруднений при каждом повторном зажигании. Нижний предел устойчивости повышается со скоростью перемещения электрода и связан с диаметром электрода (фиг. 10). Верхний предел тока связан с перегревом электрода и возникающими при этом ограничениями: растрескиванием и обламыванием стержня, возрастающими потерями электроэнергии, науглероживанием металла на кромках реза и т. д. При правильном выборе величины рабочего тока производительность резки близка к максимальной, дуга устойчива и качество реза высокое. Ориентировочно можно подбирать ток по формуле

где d_э - диаметр электрода в мм.

Фиг. 10. Влияние скорости воздушно- дуговой резки на устойчивость процесса

Сварочные угли при резке нагреваются до вишневого цвета. При этом несколько снижается прочность электрода и создаются неблагоприятные условия для контактно-зажимных устройств резака, которые подвергаются заметному нагреву.

С достаточной для практических целей точностью, считая теплопередачу от рабочего торца электрода в стержень близкой к нулю (по малости коэффициента теплопроводности его материала), уравнение (17) можно представить в упрощенной форме

где К_э - коэффициент линейного расхода электрода в см/а·сек.

Весовой секундный расход электрод а (интенсивность расходования электрода, фиг. 11

где К_с - коэффициент весового расхода электрода или, как его иногда называют, коэффициент сгорания электрода в г/а·сек, пропорционален величине рабочего тока.

Фиг. 11. Влияние величины тока на расход электрода при воздушно-дуговой резке

В. М. Рыбаков, исследуя в Московском инженерно-строительном институте вопрос об угольных электродах, пришел к выводу, что фактически (коэффициент весового расхода электрода суммируется из двух частей: секундного расхода на 1 а тока за счет испарения электродного материала дугой (коэффициент испарения) и секундного расхода ;на 1 а тока за счет его сгорания в потоке воздуха (коэффициент окисления).

Рассматривая уравнение (17), легко убедиться в том, что фактически коэффициент расхода электрода не остается постоянным и несколько возрастает с увеличением величины рабочего тока. Это подтверждается и данными, полученными в экспериментах В. М. Рыбакова: для испытанных электродов разных марок суммарные коэффициенты расхода равны 1,17 - 1,55 при токе 260 а, увеличиваясь до 1,42 - 2,15 при токе 300 а и до 1,62 - 2,73 при токе 360 а. Аналогично изменяются коэффициенты испарения и окисления: первый от 1,15 - 1,28 до 1,36 - 1,98, а второй от 0,12 - 0,3 до 0,2 - 0,95 (все величины даны в г/а·ч).

Обращает на себя внимание тот факт, что коэффициенты расхода общий и испарения относительно близки между собой, в то время как значения коэффициента окисления в несколько раз меньше. Наряду с этим расход электрода за счет сгорания в значительной степени зависит от свойств его материала. Так, при токе 360 а крайние значения суммарного коэффициента расхода для испытанных при этих условиях электродов различаются в 2,5 раза (от 1,38 до 3,51), крайние значения коэффициента испарения в 1,5 раза (от 1,18 до 1,78), а значения коэффициента окисления более чем в 7 раз (от 0,17 до 1,21).

Для сварочных углей наибольшим значением коэффициента расхода является 2,94 г/а·ч. При этом характерно, что величина коэффициента окисления (1,21 г/а·ч) близка к величине коэффициента испарения (1,73 г/а·ч).

Сварочные угли могут быть покрыты слоем меди, наносимым электролитическим путем. Омедненные электроды расходуются медленнее, большее время сохраняют свой диаметр и улучшают условия работы резака. Расход за счет окисления при этом сокращается вдвое (коэффициент окисления равен 0,63 г/а·ч). Большое значение имеет толщина слоя омеднения. При использовании стержней, хорошо проводящих ток, слой омеднения служит в основном защитным покрытием и может быть очень тонким. Так, у угольно-графитовых электродов английской фирмы Линкольн, обладающих удельным сопротивлением 16 - 18 ом·мм²/м, толщина слоя меди составляет в среднем 0,06 мм на сторону. Угли сварочные покрывают слоем меди толщиной 0,1 - 0,2 мм на сторону, однако значительное увеличение толщины покрытия нежелательно, так как приводит к ухудшению работы дуги; кроме того, возможно образование в недопустимых количествах паров меди.

В Польской Народной Республике проводились опыты с электродами, покрытыми алюминием.

Целесообразнее использовать сочетание медного покрытия с соответствующим составом электродов. Коэффициент расхода упомянутых выше электродов фирмы Линкольн, например при токе 350 а и диаметре стержня 8 мм, составляет 1,9 г/а·ч. Коэффициент сгорания угольно-графитового электрода одной из отечественных марок составляет всего 1,42 г/а·ч. В настоящее время разработаны и выпускаются электродной промышленностью специальные угольно-графитовые электроды, предназначенные для воздушно- дуговой резки.

Наряду с промышленными электродами для резки могут быть использованы стержни, изготовленные из отходов электропечных электродов путем резки их пилами или дисковыми фрезами на полосы квадратного или прямоугольного сечения размером 6х8; 8х8; 8х10 и 10х10 мм. Пригодны также пластинчатые электроды различного назначения, например, угли элементные ограниченного сечения. Худшие результаты получаются при использовании фитильных прожекторных стержней и киноуглей. Фитильная набивка таких электродов при работе в раскаленном состоянии быстро выгорает, электрод расходуется интенсивно и неравномерно.

В некоторых случаях (при обработке чугуна и медных сплавов) для воздушно-дуговой резки целесообразно применять стальные покрытые электроды. Могут быть использованы недорогие сорта 34 промышленных сварочных электродов с покрытием достаточной толщины, например, электроды ЦМ-7. В работе [15] указано, что для латуни и других медных сплавов целесообразно применять специальные электроды с рутиловым покрытием, содержащим железный порошок.