Ручная дуговая сварка покрытыми электродами

В настоящее время для сварки на воздухе разработаны и успешно применяются электроды, которые при расплавлении создают надёжную газошлаковую защиту сварочной ванны от её взаимодействия с окружающей атмосферой и обеспечивают высокое качество наплавленного металла.

Такие электроды разработаны для дуговой сварки сталей (в том числе высоколегированных), чугуна и цветных металлов: меди, бронз, латуней, медноникелевых сплавов, никеля, алюминиевых и магниевых сплавов.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами остаётся одним из самых распространённых методов сварки и широко используется при изготовлении сварных конструкций - как в нашей стране, так и за рубежом. Это объясняется универсальностью процесса, простотой и мобильностью применяемого оборудования, возможностью выполнения сварки в различных пространственных положениях и местах, труднодоступных для механизированных способов сварки.

Существенным недостатком ручной дуговой сварки покрытыми электродами является невысокая производительность процесса и зависимость качества сварного шва от практических навыков сварщика.

Рис. 3.9. Схема ручной дуговой сварки покрытым электродом:
1 - затвердевший шлак; 2 - сварочная ванна; 3 - слой расплавленного
шлака; 4 - дуга; 5 - электродное покрытие; 6 - металлический стержень

Сущность сварки покрытым электродом заключается в следующем. К электроду и свариваемому изделию для возбуждения и поддержания сварочной дуги от источника питания подводится постоянный или переменный ток (рис. 3.9). Дуга расплавляет металлический стержень электрода, его покрытие и основной металл. Расплавляющееся покрытие образует шлак и газы. Шлак обволакивает капли металла, образующиеся при плавлении электродной проволоки. В сварочной ванне электродный металл смешивается с расплавленным металлом изделия, а шлак всплывает на поверхность ванны.

Расплавленный шлак, покрывая капли электродного металла и поверхность расплавленной сварочной ванны, способствует предохранению их от контакта с воздухом и участвует в металлургической обработке расплавленного металла.

Образующиеся при расплавлении покрытия газы оттесняют воздух из реакционной зоны (зоны дуги) и таким образом способствуют созданию лучших условий для защиты нагретого металла.

Для повышения устойчивости горения сварочной дуги в электродное покрытие вводят соединения, содержащие ионы щелочных металлов. Пары этих соединений снижают сопротивление дугового промежутка за счёт увеличения степени его ионизации и делают дуговой разряд устойчивым.

В связи с тем, что большая часть теплоты выделяется на торце металлического стержня электрода, на его конце образуется коническая втулка из покрытия, способствующая направленному движению газового потока. Это улучшает защиту сварочной ванны. Кроме того, втулка удлиняет дугу, увеличивая её напряжение и мощность, а следовательно, и глубину проплавления.

Кристаллизация металла сварочной ванны по мере удаления дуги приводит к образованию шва. При смене электродов, при случайных обрывах дуги кристаллизация металла сварочной ванны приводит к образованию кратера (углубление в шве). Затвердевающий шлак образует на поверхности шва шлаковую корку.

Ввиду того, что от токопровода в электродержателе сварочный ток протекает по металлическому стержню электрода, стержень разогревается. Этот разогрев тем больше, чем дольше протекание по стержню сварочного тока и чем больше его величина. Перед началом сварки металлический стержень имеет температуру окружающего воздуха, а к концу расплавления электрода его температура может значительно повышаться (у стержней из стали до 500 - 600 ⁰С). Это приводит к увеличению скорости расплавления электрода по сравнению с начальной. Изменяется и глубина проплавления основного металла ввиду изменения условий теплоотдачи от дуги к основному металлу через прослойку жидкого металла в сварочной ванне. В результате изменяется соотношение долей электродного и основного металлов, участвующих в образовании сварного шва, а значит, и состав, и свойства металла шва, выполненного одним электродом. Это одна из причин нестабильности качества соединения.

При сварке покрытыми электродами перемещение вдоль линии стыка и подачу электрода в зону дуги по мере оплавления осуществляют вручную. При этом возникают трудности, связанные с поддержанием постоянства длины дуги. Колебания дугового промежутка отражаются на сварочном токе и напряжении и, как следствие этого, на размере сварочной ванны и механических характеристиках соединения. Поэтому для повышения стабильности качества соединения используют источники питания с крутопадающими вольт-амперными характеристиками.

Электроды, например для сварки стали, представляют собой стержни, изготовленные из сварочной проволоки, на поверхность которой нанесён слой покрытия, предназначенного для повышения устойчивости горения дуги, образования комбинированной газошлаковой защиты, легирования и раскисления металла шва. Для изготовления покрытий применяют различные компоненты.

Ионизирующие и стабилизирующие компоненты - соеди-нения, содержащие ионы щелочных металлов с низким потен-циалом ионизации (Na₂CO₃, K₂CO₃, CaCO₃, NaF, то есть поташ, мел, мрамор, полевой шпат и т.п.)

Газообразующие компоненты - вещества, разлагающиеся с выделением большого объёма газа - мрамор, мел или органические вещества: декстрин, крахмал, целлюлоза, которые при нагреве ещё до расплавления металла в результате разложения и окисления дают много газообразных продуктов - СО₂, СО, Н₂, Н₂О.

C_n(H₂O)_n-1 → (n-1)CO + (n-1)H₂ + C;
H₂ + 0,5O₂ → H₂O;
C + O₂ → CO₂;
CaCO₃ → CaO + CO₂;
CO₂ → CO + 0,5O₂.

Образующееся значительное количество газов обеспечивает хорошую защиту от атмосферы воздуха и, в частности, от азота. В то же время эта газовая среда является сама окислительной по отношению к железу и легирующим элементам.

Шлакообразующие компоненты - минералы: полевой шпат K₂O · Al₂O₃ · 6SiO₂; мрамор, мел CaCO₃; глинозём Al₂O₃; флюорит CaF₂; кварцевый песок SiO₂; иногда гематит Fe₂O₃; марганцевая руда, титановый концентрат TiO₂ · FeO.

При сплавлении эти компоненты образуют шлаки различ-ного состава и основности.

Раскислители и легирующие компоненты - кремний, марганец, титан и др., используемые в виде порошков сплавов этих элементов с железом (так называемых ферросплавов), быстро растворяющихся в жидкой стали. Алюминий в покрытие вводят в виде порошка - пудры.

Некоторые компоненты могут выполнять несколько функций одновременно, например, мел, который, разлагаясь, выделяет много газа (CO₂), оксид кальция идёт на образование шлака, а пары кальция имеют низкий потенциал ионизации и стабилизируют дуговой разряд, CO₂ служит газовой защитой.

Для соединения порошков компонентов в замес используют жидкое стекло или полимеры. Нанесение покрытия на металлический стержень осуществляется в специальных прессах или методом окунания в жидкий замес.

Покрытия электродов для магниевых сплавов аналогично покрытиям для сварки алюминиевых сплавов состоят из фтористых и хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов.

Основными параметрами режима ручной дуговой сварки являются диаметр электрода и значение сварочного тока. Остальные параметры подбираются сварщиком в процессе сварки и не регламентируются.

Диаметр электрода устанавливают в зависимости от толщины свариваемых кромок, вида сварного соединения и размеров шва. Для стыковых соединений рекомендуются следующие диаметры электродов в зависимости от толщины свариваемых кромок:

толщина кромок, мм, < 2 | 3-5 | 6-8 | 9-12 | 13-15 | 16-20 | 20
диаметр электрода, мм, < 2 | 3-4 | 4-5 | 5-6 | 6-7 | 7-8 | 8-10.

По выбранному диаметру электрода устанавливают значение сварочного рока. Обычно для каждой марки электродов значение тока указано на заводской этикетке, но можно также определить его по формулам

I_св = (40 - 50)d_эл ;
I_св = (20 + 6d_эл)d_эл ;
I_св = p · r_эл ² · j,

где I_св - сварочный ток, A; d_эл и r_эл - диаметр и радиус электрода соответственно, мм; j - плотность тока, А/мм².

Полученные значения сварочного тока корректируют, учитывая толщину металла и положение сварного шва. При толщине кромок (1,3 - 1,6)d_эл расчетное значение сварочного тока уменьшают на 10 - 15 %, а при толщине кромок > 3d_эл - увеличивают на 10 - 15 %. Сварку вертикальных и потолочных швов выполняют сварочным током, на 10 - 15 % уменьшенным против расчетного.

Напряжение на дуге при ручной дуговой сварке составляет 20 - 36 В и при проектировании технологических процессов ручной сварки не регламентируется.

Сварочный пост дуговой сварки - место производства сварочных работ - оснащается в зависимости от вида сварочных работ и выбранной технологии сварки.

Основное оборудование сварочного поста состоит из источника питания дуги, сварочных проводов, инструментов сварщика и сварочного стола (рис.3.10).

Рис.3.10. Сварочный пост для ручной электросварки