Покрытые электроды для дуговой сварки и наплавки

Покрытый электрод - плавящийся электрод для дуговой сварки, имеющий на поверхности покрытие, адгезионно связанное с металлом электрода.

Электрод для ручной дуговой сварки (рис. 2.2) представляет собой стер-жень длиной до 450 мм, изготовленный из сварочной проволоки, на поверх-ность которого нанесен слой покрытия 2. Один из концов электро­да 1 на длине 20 ... 30 мм освобожден от покрытия для зажатия его в электрододержателе с целью обеспечения электрического контакта. То­рец 3другого конца очищен от покрытия для возможности возбуждения дуги посредством касания изделия в начале процесса сварки

Рисунок 2.2- Покрытый электрод

ГОСТ 9466-75 в зависимости от отношения полного диаметра элек­трода D к диаметру стержня d покрытые электроды разделяет на сле­дующие виды: с тонким покрытием (D/d < 1,2) присвоен индекс М; со средним покрытием (1,2 < D/d < 1,45) - С; с толстым покрытием (1,45 < D/d< 1,8) - Д; с особо толстым покрытием (D/d > 1,8) - Г.

Покрытие электрода- смесь веществ, нанесенная на электрод для усиле-ния ионизации, защиты от вредного воздействия среды и металлур­гической обработки металла сварочной ванны.

Для изготовления покрытий применяют различные материалы (компонен-ты):

1. Газообразующие компоненты - органические вещества: крахмал, пище-вая мука, декстрин либо неорганические вещества, обычно карбона­ты (мрамор СаСО₃, магнезит MgCO₃ и др.).

2. Легирующие элементы и элементы-раскислители: кремний, мар­ганец, титан и др., используемые в виде сплавов этих элементов с желе­зом, так называемых ферросплавов. Алюминий в покрытие вводят в виде порошка-пудры.

3. Ионизирующие или стабилизирующие компоненты, содержащие эле-менты с низким потенциалом ионизации, а также различные соедине­ния, в состав которых входят калий, натрий, кальций, мел, полевой шпат, гранит и др.

4. Шлакообразующие компоненты, составляющие основу покрытия -обычно это руды (марганцовая, титановая), минералы (ильменитовый и рути-ловый концентраты, полевой шпат, кремнезем, гранит, мрамор, пла­виковый шпат и др.).

5. Связующие - водные растворы силикатов натрия и калия, назы­ваемые натриевым или калиевым жидким стеклом, а также натриево-калиевым жидким стеклом.

6. Формовочные добавки - вещества, придающие обмазочной массе лучшие пластические свойства, - бентонит, каолин, декстрин, слюда и др.

Для повышения производительности сварки, увеличения количества дополнительного металла, вводимого в шов, в покрытии электродов мо­жет содержаться железный порошок до 60 % массы покрытия. Многие материалы, входящие в состав покрытия, одновременно выполняют не­сколько функций, обеспечивая и газовую защиту в виде газа СО₂, и шла­ковую защиту в виде СаО и т.д.

Газовая защита образуется в результате диссоциации органических ве-ществ при температурах выше 200 °С:

С_n(Н₂О)_n-1 →( n -1)СО + (n -1)Н₂ + С,

диссоциации карбонатов при температуре ~900 °С (при парциальном давлении в газовой фазе р_Со₂ -0,1 МПа)

СаСО₃ →СаО + СО₂;

MgCO₃→MgO + CO₂,

а также последующей диссоциации СО₂

СО₂ →СО + 1/2О₂.

Процесс диссоциации происходит недалеко от торца электрода. Рас­четы показывают, что при температуре 1000 °С и давлении 0,1 МПа дис­социация карбонатов и органических составляющих покрытия, приходя­щихся на 1 г расплавленного электродного металла, занимающего объем 0,13 см³ при плотности 7,85 г/см³, приводит к выделению более 140 см³ защитного газа (СО₂ и Н₂). Количество выделяющихся газов зависит от состава покрытия. Такое количество газа обеспечивает достаточно на­дежное оттеснение воздуха от зоны сварки и попадание очень небольшо­го количества азота в металл шва (не свыше 0,02 ... 0,03 %).

Состав шлакообразующих может быть различным: это оксиды СаО, MgO, MnO, FeO, A1₂O₃, SiO₂, TiO₂, Na₂O, галогены CaF₂ и др. Имеющие­ся в покрытии ферросплавы связывают кислород, который отдают при нагревании шлакообразующие оксиды, входящие в покрытие.

По видам покрытий электроды подразделяют на следующие: с кис­лым покрытием - индекс А; с основным покрытием - индекс Б; с целлю­лозным покрытием - индекс Ц; с рутиловым покрытием - индекс Р; с покрытием смешанного вида - соответствующее двойное условное обо­значение; с прочими видами покрытий - индекс П. Если покрытие со­держит более 20 % железного порошка к обозначе-нию вида покрытия добавляют букву Ж.

При плавлении кислых покрытий (А) большая часть введенных в них ферросплавов окисляется рудами; легирование металла кремнием и марганцем идет по схеме кремнемарганцевосстановительного процесса; оно не позволяет легировать металл элементами с большим сродством к кислороду. Образую-щиеся шлаки, обычно кислые, не содержат СаО и не очищают металл от фос-фора. В наплавленном металле много растворен­ного кислорода и неметалли-ческих включений. Типовый химический и газовый состав наплавленного ме-талла,% (С 0,12; 0,1 Si; 0,6…0,9 Mn; S і P 0,05; 0,09…0,12О₂ ; 0,015…0,025N₂) и водорода 20…25см³/100г наплавленного металла). В результате швы обла­дают пониженной стойкостью к образованию горячих тре-щин и низкой ударной вязкостью металла шва. В связи с высоким содержанием в по­крытии ферромарганца и оксидов железа они более токсичны, так как аэро-золи в зоне сварки и зоне дыхания сварщика содержат большое ко­личество вредных соединений марганца. Эти электроды применяют для сварки неответс-твенных металлоконструкций.

Основу рутиловых покрытий (Р) составляют шлакообразующий компо-нент - рутиловый концентрат TiO₂ (до 45 %), а также алюмосили­каты (слюда, полевой шпат и др.) и карбонаты (мрамор, магнезит); фер­ромарганца в покры-тии обычно меньше 10 ... 15 %. Газовая защита обес­печивается введением ор-ганических соединений (до 5 %), а также разло­жением карбонатов. Покрытия этого вида обеспечивают высокое качест­во металла шва, малотоксичны и обла-дают хорошими сварочно-технологическими свойствами. Типичный хими-ческий и газовый состав наплавленного металла,% (С 0,12; 0,1...0,3 Sі; 0,5...0,8 Mn; S и P ≤0,05; 0,05...0,10О₂ ; 0,015...0,025N₂; ) и водорода 25...30см³/100г нап-лавленного металла.

Покрытия основного типа (Б) в качестве основы содержат карбона­ты (мрамор, мел, магнезит) и плавиковый шпат; газовая защита обеспе­чивается разложением карбонатов. Металл раскисляется марганцем, кремнием, титаном, вводимыми в покрытие в виде ферросплавов, или алюминием, вводимым в виде порошка.

Эти покрытия слабо окислительные, поэтому позволяют легировать ме-талл шва элементами с большим сродством к кислороду. Наличие большого количества соединений кальция, хорошо связывающих серу и фосфор и выво-дящих их в шлак, обеспечивает высокую чистоту наплав­ленного металла, его повышенные пластические свойства, а легирование марганцем и кремнием обеспечивает высокую прочность. Швы, выпол­ненные такими электродами, об-ладают высокой стойкостью против образования горячих трещин и наиболее высокой (по сравнению с любыми другими покрытиями) ударной вязкостью. Типичный химический и газовый состав наплавленного металла,% ( 0,3...0,6 Sі; 0,5...1,5Mn; S и P ≤0,035; 0,03...0,05О₂ ; 0,01...0,015N₂; ) и водорода 5...7см³/100г наплавленного металла.

При использовании этих электродов металл шва склонен к образо­ванию пор при загрязнении кромок маслом и ржавчиной, а также при увеличении толщины покрытия и длины дуги.

На базе покрытий основного типа (Б) обычно составляют компози­ции покрытий электродов для сварки ответственных конструкций из низ­колеги-рованных и углеродистых сталей, среднелегированных сталей и всех электро-дов для сварки высоколегированных сталей.

Электроды с целлюлозным покрытием (Ц)

Покрытие имеет повышенное содержимое органических составляющих. В качестве шлакообразующих компонентов применяются рутил, марганцевая руда, алюмосиликаты, карбонаты). Основным раскислителем является ферро-марганец. Электроды склонны к разбрызгиванию ( 20%). Металл шва отвечает типу Е 42-Е50. Газовый состав наплавленного металла,%: 0…0,04; N = 0,01-...0,02; H₂ = 25...35см /100г.металла).Применяются в основном при сварке тру-бопроводов в монтажных условиях (марка электродов - ВСЦ-4).

Кроме вида покрытия на свойства и назначение электродов влияют тол-щина и состав покрытия.

На основе электродов с особо толстым покрытием (Г) разработаны элект-роды для специальных целей.

В покрытие электродов для сварки глубоким проплавлением вводят по-вышенное количество органического вещества - целлюлозы (до 30 %), рутила, карбонатов и железа. Покрытие наносят слоем повышенной тол­щины. При этом коэффициент массы покрытия (отношение массы по­крытия к массе стержня на этой же части электрода, выраженное в про­центах) составляет 80 ... 100 %.

В результате этого при сварке на торце электрода образуется глу­бокая втулка (рис. 2.3) из нерасплавившегося покрытия, что способст­вует направлен-ному мощному пото­ку газов, выделяющихся в большом количестве при раз-ложении органических веществ, а это обеспечивает оттеснение жидкого метал-ла из-под дуги и более глубокое проплавление основного металла.

Рисунок 2.3– Образование провара специальными электродами для сварки с глубоким проплавлением

Введение в покрытие железного порошка до 20 % улучшает технологиче-ские свойства электродов (стабильность дуги, равномерность рас­плавления покрытия и др.). При содержании порошка до 60 % повышает­ся производите-льность сварки, так как в шов вводится дополнительный металл. Коэффициент массы покрытий таких электродов составляет 120... 180%.

Для сварки лежачим и наклонным электродом применяют удлинен­ные электроды (до 2 м) диаметром до 8 мм. Покрытие этих электродов обычно также имеет повышенную толщину.

Одному и тому же типу электрода (см. табл. 2.2) могут соответство­вать электроды с покрытиями различного вида и различным составом стержня. Покрытия одного вида могут иметь различный состав.

Конкретный состав покрытия и стержня в данном электроде опреде­ляет так называемая марка электрода. Обозначения марок часто содержат начальные буквы названия организации, в которой были разработаны электроды, и порядковый номер.

При изготовлении электродов для сварки алюминия и его сплавов ввиду его большого сродства к кислороду применять покрытия из оксидов нельзя, так как металл будет разрушать эти оксиды и интенсивно окисляться. В этих случаях пок-рытия практически полностью состоят из безкислородных соединений, хлоридов и фторидов (KCI, NaCl, KF и т.п.), которые наносятся на стержни многократным окунанием в водные растворы указанных компонентов.

Покрытие электродов оказывает существенное влияние на весь про­цесс сварки. Поэтому общие требования к ним при сварке различных металлов:

- обеспечение стабильного горения дуги; получение металла шва с необходимым химическим составом и свойствами;

– спокойное, рав­номерное плавление электродного стержня и покрытия;

– хорошее форми­рование шва и отсутствие в нем пор, шлаковых включе-ний и др.;

– легкая отделимость шлака после остывания с поверхности шва;

– хорошие техно­логические свойства обмазочной массы, не затрудняющие процесса изго­товления электродов;

– удовлетворительные санитарно-гигиенические ус­ловия труда при из-готовлении электродов и при сварке. Состав покрытия определяет и такие важ-ные технологические характеристики электродов, как: род и полярность сва-рочного тока, возможность сварки в различных пространственных положениях или определенным способом (сварка опиранием, наклонным электродом и т.д.).

Состав покрытия электродов и свойства образующихся шлаков оп­реде-ляют и силу рекомендуемого для сварки тока. Для получения качест­венных сварных швов покрытие электрода должно прочно удерживаться на металли-ческом стержне и быть сплошным до конца использования электрода (огарка), чтобы обеспечить необходимую защиту зоны сварки.

Допустимое значение сварочного тока для определенной марки электрода назначают так, чтобы нагрев металлического стержня к концу расплавления электрода был не более 500 °С, а с покрытиями, содержа­щими органические вещества, не более 250 °С для предупреждения от­слаивания покрытия от стержня.

Свойства шлаков.

Покрытие при расплавлении образует шлак.К физическим свойствам шлака относятся: теплофизические харак­теристики - температура плавления, температурный интервал затверде­вания, теплоемкость, энтальпия и т.п.; вяз-кость; способность растворять оксиды, сульфиды и т.п.; определенная плот-ность; определенная газо­проницаемость; достаточное различие в коэффициен-тах линейного и объемного расширения по сравнению с металлом, что необ-ходимо для легкого отделения шлака от поверхности шва.

К химическим свойствам относится способность шлака раскислять ме-талл шва; связывать оксиды в легкоплавкие соединения; легировать металл шва.

Наилучшие качества при сварке имеют шлаки, если температура их плав-ления составляет 1100 ... 1200 °С. Температурный интервал затвер­девания дол-жен быть небольшим или, как говорят, шлак должен быть "коротким". Шлаки, у которых переход от жидкого к твердому состоя­нию растянут на значительный температурный интервал (так называемые "длинные" шлаки), при прочих рав-ных условиях хуже обеспечивают формирование шва в различных пространст-венных положениях.

Вязкость шлака имеет важное значение. Чем менее вязок шлак, тем боль-ше его подвижность, а следовательно, физическая и химическая ак­тивность, тем быстрее в нем протекают химические реакции и физиче­ские процессы раст-ворения оксидов, сульфидов и т.п. Однако для надеж­ного закрытия металла шва шлак не должен быть чрезмерно жидким, это особенно важно при сварке на вертикальной плоскости и в потолочном положении. Для таких шлаков важно, чтобы переход из жидкого в твер­дое состояние совершался как можно быстрее.

Кислые шлаки обычно бывают очень вязкими, и длинными, при этом чем выше кислотность шлаков, тем больше их вязкость. Основные шлаки – корот-кие. Шлаки должны обладать небольшим удельным весом, чтобы легко всплы-вать на поверхность сварочной ванны. Слой шлака, покрывающий шов, в жид-ком виде и в процессе затвердевания должен легко пропускать газы, выделяю-щиеся из металла шва.

Затвердевшие шлаки должны иметь небольшое сцепление с метал­лом, ко-эффициенты линейного расширения шлака и металла должны быть различными для более легкого удаления шлака со шва.

Изготовление покрытых электродов.Электрод, состоящий из ме­талли-ческого стержня и толстого покрытия, расплавляясь, должен обес­печивать пос-тоянство вводимых в реакционную зону компонентов по объему, их химическому составу и реакционной способности.

Это достигается применением проволоки, имеющей стабильный хи­мичес-кий состав и диаметр с отклонениями, регламентированными стандартом. Покрытие, состоящее из смеси различных порошкообразных компонентов, скрепленных между собой и со стержнем жидким стеклом, также должно быть однородным в массе, что достигается при достаточно мелком размоле составляющих компонентов и хорошем перемешивании обмазочной массы.

Поэтому процесс изготовления электродов предусматривает ряд строго последовательных операций по подготовке проволоки, компонен­тов покрытия, сухой смеси компонентов (шихты) и обмазочной массы, нанесению ее на стержень с последующей сушкой и прокалкой электро­дов с целью придания необходимой прочности покрытию (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Последовательность технологических операций при изготовлении покрытых электродов

Рассмотрим основные операции изготовления электродов. Сварочную проволоку в бухтах на специальных станках подвергают правке и рубке на стержни определенной длины.

При изготовлении стержней из проволоки отбирают пробы для про­верки соответствия ее техническим условиям, а также проверяют длину стержней, стрелу прогиба, волнистость и т.д. После правки и рубки стержни очищают, а затем закладывают в контейнеры для подачи их к электродообмазочным прес-сам. Компоненты покрытия после сушки при определенных для каждого ком-понента температурах (например, СаСО₃ при 650 °С начинает диссоциировать) проходят контроль влажности и поступают на грубое и среднее дробление, а затем тонко измельчаются в шаровых и других конструкций мельницах.

Конечный размер частиц разных компонентов различен, так как он влияет на характер участия компонента в металлургических взаимодейст­виях при сварке и на технологический процесс производства электродов.

Измельченные ферросплавы подвергают пассивированию, которое заклю-чается в том, что при выдержке их во влажной атмосфере или замачивании во-дой (подкисленной марганцевокислым калием КМnО₄ или хромпиком К₂Сr₂0₇) на поверхности ферросплавов создается окисная пленка, предотвращающая возможное преждевременное реагирование ферросплавов с жидким стеклом при изгото-влении обмазочной массы.

Из подготовленных материалов приготовляют сухую шихту путем взве-шивания компонентов согласно рецептуре покрытия и тщательно пе­ремеши-вают ее, контролируя равномерность перемешивания и влажность.

Жидкое стекло, используемое как связующее в электродном произ­вод-стве, получают из так называемой силикатной глыбы, т.е. силиката натрия (Na₂O • п • SiO₂) или калия, не содержащего воды. Для приготовле­ния жидкого стекла силикатную глыбу разваривают в автоклаве с пода­чей воды или пара.

Из подготовленных материалов приготовляют обмазочную массу путем смешения сухой смеси с жидким стеклом до определенной конси­стенции.

Покрытие на электроды наносят опрессовкой на специальных прес­сах. Электродные стержни специальным механизмом проталкиваются через фильер обмазочной головки, в которую при давлении 70 ... 90 МПа выжимается обма-зочная масса. Электрод выталкивается из обмазочной головки полностью пок-рытый обмазочной массой и попадает на транспор­тер зачистной машины, на которой есть устройство для зачистки торца электрода и снятия с другого его конца покрытия на длине 20 ... 30 мм. С конвейера электроды укладывают на специальные рамки и подвергают сушке на воздухе в течение 18 ... 24 ч или в сушилке при температуре до 100 °С в течение 3 ч, после чего подают на про-калку, режим которой за­висит от состава покрытия (наличия органических со-единений, ферро­сплавов и т.д.). В результате сушки и прокалки содержание влаги в покрытии сни­жается с 3 ... 3,5 % до 0,1 ... 0,3 % и покрытие приобретает довольно высокую прочность.

После прокалки электроды подвергают контролю, упаковке во вла­гостой-кую парафинированную битумную бумагу или пластмассовую пленку в пачки по 3 ... 8 кг, либо в герметически закрывающуюся метал­лическую тару.

На пачку наклеивают паспорт электрода, на котором указано наиме­нова-ние или товарный знак предприятия-изготовителя, условное обозна­чение элект-родов, номер партии и дата изготовления, область примене­ния электродов, осо-бые условия выполнения сварки или наплавки, до­пустимое содержание влаги, режим повторного прокаливания, рекомен­дуемый режим сварки, масса элект-родов в коробке или пачке.