Покрытые электроды для дуговой сварки и наплавки

2.3.1. ПОКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОДА

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

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

В покрытие электрода вводят следующие материалы (компоненты): ионизирующие, газообразующие, шлакообразующие, легирующие, раскисляющие, связующие и формовочные.

Ионизирующие, или стабилизирующие, компоненты вводят для обеспечения устойчивого горения дуги. Они содержат элементы с низким потенциалом ионизации, такие как калий, кальций, которые содержатся в меле, полевом шпате и граните, а также натрий и др.

Газообразующие компоненты вводят для создания газовой защиты зоны дуги и сварочной ванны. К ним относятся органические вещества: крахмал, пищевая мука, декстрин и др., а также неорганические вещества: обычно карбонаты (мрамор СаС0₃, магнезит МgС0₃) и др. Газовая защита образуется в результате диссоциации органических веществ при температуре выше 200°С и диссоциации карбонатов при температуре около 900°С. Процесс диссоциации происходит недалеко от торца электрода. При обычном составе электродных покрытий на каждый грамм металла электродного стержня выделяется 90-120 см³ защитного газа, состоящего из углекислого газа С0₂, угарного газа СО, водорода Н₂ и кислорода 0₂. При этом обеспечивается достаточно надежное оттеснение воздуха из зоны сварки и попадание очень небольшого количества азота в металл шва (не свыше 0,02-0,03%).

Шлакообразующие компоненты вводят для образования жидких шлаков. В качестве шлакообразующих используют руды и минералы: ильменит, рутил, полевой шпат, кремнезем, гранит, мрамор, плавиковый шпат и др. В состав шлакообразующих входят окислы СаО, Мg0, МnО, FеО, А1₂0₃, SiO₂, ТiO₂, Nа₂0, плавиковый шпат СаF₂ и др. Имеющиеся в покрытии ферросплавы связывают кислород, который отдают при нагревании шлакообразующие окислы, входящие в покрытие. Жидкий шлак, покрывая расплавленный металл электродных капель и сварочной ванны, химически взаимодействуя с расплавленным металлом, раскисляет металл шва и связывает окислы в легкоплавкие соединения. В то же время происходит легирование металла шва элементами, содержащимися в шлаке. Жидкий шлак пропускает (впитывает в себя) газы, выделяющиеся в процессе химических реакций в жидком металле, и формирует поверхность сварного шва.

Легирующие компоненты предназначены для придания металлу шва повышенных механических свойств, жаростойкости, износостойкости, коррозионной стойкости и других свойств. Легирующими элементами служат хром, марганец, титан, ванадий, молибден, никель, вольфрам и другие элементы. Легирующие элементы вводят в покрытие в виде ферросплавов и чистых металлов.

Раскисляющие компоненты вводят для раскисления (восстановления) части расплавленного металла, находящегося в виде окислов. К ним относятся элементы, имеющие большее, чем железо (при сварке сталей), сродство к кислороду и другим элементам, окислы которых требуется удалить из металла шва. Большинство раскислителей вводится в электродное покрытие в виде ферросплавов.

Связующие компоненты применяют для связывания порошковых составляющих покрытия в однородную вязкую массу, которая будет крепко удерживаться на стержне электрода при опрессовке и образовывать прочное покрытие после сушки и прокалки. В качестве связующих чаще всего применяют водные растворы натриевого (Nа₂0 SiO₂) или калиевого (К₂0 SiO₂) жидкого стекла.

Формовочные компоненты — вещества, придающие обмазочной массе лучшие пластические свойства: бентонит, каолин, декстрин, слюда и др.

Некоторые материалы в покрытии выполняют несколько функций, например: мрамор является одновременно стабилизирующим, шлакообразующим и газозащитным компонентом, а ферросплавы — легирующими и раскисляющими компонентами.

Покрытие электродов оказывает существенное влияние на весь процесс сварки. Поэтому к покрытию предъявляются следующие требования:

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 включений и др.; легкая отделимость шлака с поверхности шва после остывания; хорошие технологические свойства обмазочной массы, не затрудняющие процесса изготовления электродов; удовлетворительные санитарно-гигиенические условия труда при изготовлении электродов и сварке. Состав покрытия определяет и такие важные технологические характеристики электродов как: род и полярность сварочного тока, возможность сварки в различных пространственных положениях или определенным способом (сварка опиранием, наклонным электродом и т. д.). Состав покрытия электродов и свойства образующихся шлаков определяют и величину рекомендуемого для сварки тока. Для получения качественных сварных швов покрытие электрода должно удерживаться на металлическом стержне и быть сплошным до конца использования электрода (огарка), чтобы обеспечить необходимую защиту зоны сварки. Поэтому нагрев металлического стержня, определяемый величиной сварочного тока, к концу расплавления электрода не должен быть более 500°С, а с покрытиями, содержащими органические вещества, не более 250°С.

К физическим свойствам шлака, образуемого покрытием, относят температуру плавления, температурный интервал затвердевания, теплоемкость, теплопроводность, теплосодержание, вязкость, газопроницаемость, плотность, поверхностное натяжение, тепловое расширение (линейное и объемное). Все электродные покрытия должны обеспечивать при их плавлении плотность шлака ниже плотности жидкого металла для обеспечения всплывания шлака из сварочной ванны. Температурный интервал затвердевания шлака должен быть ниже температуры кристаллизации металла сварочной ванны для пропускания газов, выделяющихся из сварочной ванны. Наилучшие качества при сварке имеют шлаки, если температура плавления их составляет 1100-1200°С. В зависимости от изменения вязкости шлака от температуры различают шлаки «длинные» и «короткие». «Длинные» шлаки, у которых переход от жидкого к твердому состоянию растянут на значительный температурный интервал, при прочих равных условиях хуже обеспечивают формирование шва. У «коротких» шлаков возрастание вязкости расплавленного шлака с понижением температуры происходит быстро и закристаллизовавшийся шлак препятствует отеканию металла шва, находящегося еще в жидком состоянии при сварке в различных пространственных положениях. «Короткие» шлаки дают электроды с основным покрытием. Вязкость шлака имеет важное значение. Чем менее вязок шлак, тем больше его подвижность, а следовательно, физическая и химическая активность, тем быстрее в нем протекают химические реакции и физические процессы растворения окислов, сульфидов и т. п. Кислые шлаки обычно бывают очень вязкими и длинными, при этом вязкость возрастает с повышением кислотности.

Затвердевшие шлаки должны иметь небольшое сцепление с металлом, коэффициенты линейного расширения шлака и металла должны быть различными для более легкого отделения шлака со шва.

К химическим свойствам относится способность шлака раскислять металл шва, связывать окислы в легкоплавкие соединения и легировать металл шва.

К сварочно-технологическим свойствам электродов относят легкое возбуждение дуги, стабильное горение дуги на оптимальных режимах для данного диаметра и марки, возможность сварки на постоянном и переменном токах, пригодность для сварки в различных пространственных положениях. Кроме этого, покрытие должно плавиться равномерно, без чрезмерного разбрызгивания, отваливания кусков и образования козырька, препятствующего нормальному плавлению электрода. Образующийся при сварке шлак должен обеспечить благоприятную гладкую форму шва и легко удаляться после охлаждения.

2.3.2. ВИДЫ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ

ГОСТ9466-75 «Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки сталей и наплавки. Классификация, размеры и общие технические требования» подразделяет электроды на следующие виды: А — с кислым покрытием; Б — с основным покрытием; Ц — с целлюлозным покрытием; Р — с рутиловым покрытием; П — с покрытием прочих видов. С покрытием смешанного вида используют соответствующее двойное обозначение. Если покрытие содержит железный порошок в количестве более 20%, к обозначению вида покрытия добавляют букву Ж.

У электродов с кислым покрытием (А) шлакообразующую основу составляют железные (гематит — Fe₂0₃) и марганцевые (Мn0₂) руды и кремнезем (SiO₂). Газовая защита расплавленного металла осуществляется органическими компонентами, сгорающими в процессе плавления электрода. В качестве раскислителей в покрытие вводят ферромарганец. Образующиеся кислые шлаки не содержат СаО и не очищают металл от серы и фосфора. В наплавленном металле много растворенного кислорода (до 0,12%), водорода (до15 см³ в 100 г металла) и неметаллических включений. В результате швы обладают пониженной стойкостью к образованию горячих трещин и пониженной ударной вязкостью. Электроды непригодны для сварки сталей, легированных кремнием и другими элементами, так как они интенсивно окисляются. При сварке спокойных низкоуглеродистых сталей с высоким содержанием кремния возможно образование пор. При сварке выделяется много токсичной пыли, содержащей окислы марганца и кремния и происходит повышенное разбрызгивание. Достоинствами этих электродов являются: стабильное горение дуги на постоянном и переменном токах; возможность сварки в различных пространственных положениях; отсутствие пор при наличии на свариваемых поверхностях окалины или ржавчины, а также при случайном удлинении дуги; достаточно высокая скорость расплавления и высокая проплавляющая способность. Типичными для этого вида покрытия являются электроды марок МЭЗ-04 и СМ-5. В настоящее время электроды с кислым покрытием выпускают в малом объеме. Эти электроды применяют для сварки неответственных металлоконструкций.

У электродов с рутиловым видом покрытия (Р) шлакообразующую основу составляют: рутиловый концентрат, содержащий до 45% рутила (TiO₂); алюмосиликаты — слюда (К₂0 ЗА1₂0₃ 6SiO₂ 2Н₂0), полевой шпат (К₂0 А1₂0₃ 6SiO₂), каолин (А1₂0₃ 2SiO₂ 2Н₂0) и др.; карбонаты — мрамор (СаС0₃) и магнезит (МgС0₃). Газовая защита расплавленного металла обеспечивается введением органических соединений (до 5%), а также разложением карбонатов. Наплавленный металл раскисляется и легируется ферромарганцем (до 10-15%). Поскольку окислительная способность рутилового покрытия меньше, чем кислого, количество марганца в нем ниже и его гигиенические характе­ристики гораздо лучше, чем у кислого. Содержание окислов марганца в аэрозоле при сварке меньше, чем у кислого в 3-5 раз. По качеству наплавленного металла электроды занимают промежуточное положение между электродами с кислым и основным покрытиями. Электроды обладают высокими сварочно-технологическими свойствами: обеспечивают отличное формирование шва с плавным переходом к основному металлу, малое разбрызгивание, легкую отделимость шлака, стабильное горение дуги на постоянном и переменном токах, сварку во всех пространственных положениях. Металл шва мало склонен к образованию пор при колебаниях длины дуги, при сварке по окисленной и загрязненной поверхности. Наплавленный металл соответствует по химическому составу полуспокойной или спокойной стали. К электродам с покрытием этого вида относятся электроды марок АНО-4, ОЗС-12 и др. Для повышения коэффициента наплавки в покрытия этого вида часто вводят порошок железа. При содержании железа в покрытии до 35% от массы покрытия (в электродах марок АНО-5, ОЗС-6 и др.) электродами можно варить в различных пространственных положениях. Электроды, содержащие в покрытии железного порошка 50-65% (например, электроды марок АНО-1, ОЗС-3 и др.) предназначены для высокопроизводительной сварки швов большой протяженности изделий толщиной 10-20 мм. Разбавляя металл сварочной ванны низкоуглеродистым железным порошком, можно существенно увеличить стойкость металла шва к образованию кристаллизационных трещин. Электроды с рутиловым видом покрытия применяют для сварки металлоконструкций и трубопроводов из углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением до 490 МПа.

Электроды с основным видом покрытия (Б) имеют шлакообразующую основу покрытия, состоящую из карбонатов (мрамор, мел, магнезит) и фто­ридов кальция (например, плавиковый шпат — СаF₂). Газовая защита расплавленного металла обеспечивается углекислым газом и окисью углерода, образующимися при диссоциации карбоната кальция в процессе нагрева и плавления покрытия. В качестве раскислителей покрытие может содержать ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и ферроалюминий. Покрытия этого вида слабоокис ленные, поэтому позволяют легировать расплавленный металл элементами с большим сродством к кислороду. Легирование осуществляется марганцем и кремнием при переходе их из ферромарганца и ферросилиция в сварочную ванну, что придает соединению высокую прочность. Кроме этого, для легирования в покрытие могут вводить металлические порошки. Наличие в покрытии большого количества соединений кальция, хорошо связывающих серу и фосфор с выделением их в шлак, обеспечивает высокую чистоту наплавленного металла с малым содержанием серы и фосфора. Плавиковый шпат при высоких температурах разлагается с выделением атомарного фтора, который связывает водород в устойчивую, нерастворимую в металле молекулу НF. В результате наплавленный металл содержит незначительное количество водорода (4-10 см³ в 100 г наплавленного металла). Применение в покрытии активных раскислителей (титана, алюминия и кремния) обеспечивает низкое содержание кислорода в металле шва (менее 0,05%). Поэтому наплавленный металл мало склонен к старению, стоек к образованию кристаллизационных трещин и имеет повышенные пластические свойства при низких температурах. Сварочно-технологические свойства электродов с основным видом покрытия ниже, чем у электродов с другим видом покрытия. Образование большого количества отрицательных ионов фтора при плавлении покрытия приводит к уменьшению проводимости дугового разряда и снижению устойчивости горения дуги. Поэтому сварку электродами с основным видом покрытия осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Для сварки переменным током необходимо применение электродов с дополнительным содержанием ионизирующих элементов в покрытии, например калия (в электродах марок СМ-11 и УП-1/55), или применение электродов со специальным двухслойным покрытием (например, электроды марки АНО-Д). Наличие влаги, масла, окалины или ржавчины на свариваемых кромках, наличие влаги в покрытии, а также увеличение длины дуги приводят к образованию пор в металле шва. Перед сваркой необходима прокалка электродов при температуре 350-400 С в течение одного часа. Для получения качественных швов необходимо строго соблюдать требования по подготовке изделия и выдерживать технологический режим процесса сварки. Электроды с основным видом покрытия предназначены для сварки ответственных конструкций из углеродистых, низколегированных и легированных сталей. Электроды с основным видом покрытия иногда называют электродами с фтористокальциевым покрытием.

Электроды с целлюлозным видом покрытия (Ц) содержат много (до 50%) органических составляющих (целлюлозу, травяную муку и т. п.) для образования большого количества газов. В качестве шлакообразующих применяют чаще всего рутил, карбонаты, алюмосиликаты и др. Иногда добавляют асбест — СаО ЗМg0 4SiO₂. Для раскисления наплавленного металла добавляют ферромарганец. При сварке на торце электрода образуется конусная втулка из нерасплавившегося покрытия, что способствует образованию направленного потока газов, который обеспечивает оттеснение жидкого металла из-под дуги и более глубокое проплавление основного металла. Эти электроды (марок ВСЦ-4А и др.) используют для сварки корневого слоя шва неповоротных стыков трубопроводов методом опирания сверху вниз с высокой скоростью, достигающей 25 м/ч. Они обеспечивают хорошую обратную сторону шва, поэтому отпадает необходимость в подварке шва изнутри. Для выполнения заполняющих и облицовочных швов при сварке ответственных конструкций из низколегированных сталей во всех пространственных положениях предназначены, например, электроды марки ВСЦ-60.

К электродам со смешанным видом покрытия относят электроды с рутилово-основным (рутилкарбонатным или карбонатно-рутиловым) видом покрытия (РБ), электроды с кисло-рутиловым видом покрытия (АР), с рутилово-целлюлозным видом покрытия (РЦ) и др. К электродам с кисло-целлюлозным видом покрытия относят электроды марки ОМА-2, предназначенные для сварки тонколистовых конструкций (толщиной 1-3 мм) из углеродистых и низколегированных сталей постоянным и переменным током. К электродам с кисло-рутиловым (ильменитовым) видом покрытия относят электроды марок ОММ-5, АНО-6, АНО-6М, АНО-17 и др. Они содержат в покрытии ильменит (FеО TiO₂) и предназначены для сварки конструкций из углеродистых сталей во всех пространственных положениях постоянным и переменным током. Электроды с рутилово-основным видом покрытия появились в результате попыток объе­динить преимущества рутиловых и основных покрытий. Они предназначены для сварки оборудования из углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением до 490 МПа, когда к металлу сварных швов предъявляются повышенные требования по пластичности и ударной вязкости. К электродам с рутилово-основным видом покрытия относят электроды марок МР-3, АНО-30, ОЗС-28 и др.

Кроме указанных видов покрытий, имеются специальные электродные покрытия: гидрофобные, для сварки и наплавки цветных металлов и их сплавов и др. Гидрофобные покрытия предназначены для выполнения сварочных работ в особо влажных условиях: при повышенной влажности атмосферы, под водой и т. д. В них добавляют до 10% специальных гидрофобных полимеров, которые в процессе полимеризации заполняют поры между частицами покрытия и перекрывают пути проникновения влаги во внутренние слои покрытия. Для сварки лежачим и наклонным используют специальные электроды, например, электроды марок НЭ-1, НЭ-5, ОЗС-17Н и др. В этом случае часто применяют удлиненные электроды (до двух метров) и диаметром до 8 мм. Покрытие этих электродов обычно имеет повышенную толщину.

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

2.3.3. КЛАССИФИКАЦИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ

Электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки, в стандартах классифицируются по следующим признакам: металлу, для сварки которого они предназначены; толщине и типу покрытия; механическим свойствам металла шва и др.

Согласно ГОСТ 9466-75 электроды для сварки и наплавки сталей в зависимости от назначения разделены на классы: для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей σ_в < 600 МПа — У (условное обозначение); для сварки легированных конструкционных сталей σ_в> 600 МПа — Л; для сварки теплоустойчивых сталей — Т; для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами — В; для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами — Н. Этот стандарт регламентирует размеры электродов, толщину и типы покрытий, условные обозначения, общие технические требования, правила приемки и методы испытания.

НЕПЛАВЯЩИЕСЯ ЭЛЕКТРОДЫ

Неплавящиеся электроды служат для обеспечения стабильного горения электрической дуги. Они должны обладать высокой стойкостью при высоких температурах. Поэтому наиболее широкое применение получили электроды из тугоплавких материалов: графита, имеющего температуру плавления 3900°С, и вольфрама с температурой плавления 3410°С.

Угольные электроды.Для воздушно-дуговой резки и сварки металлов, для удаления прибылей и дефектов литья, строжки прихваток и сварных швов, для поверхностной резки металлов, срезки заклепок, подготовки кромок под сварку выпускают угольные электроды — омедненные и неомедненные, круглые — диаметром 4-18 мм и плоские сечением — 12x5 и 18x5 мм.

Вольфрамовые электроды. Электроды для дуговой сварки неплавящимся электродом в среде инертных газов (аргона и гелия), а также для плазменных процессов сварки и резки, наплавки и напыления выпускают в соответствии с ГОСТ 23949-80 из чистого вольфрама и вольфрама с активирующими присадками (двуокиси тория, окиси лантана и окиси иттрия) диаметром 0,5-10 мм.

На поверхности электродов не должно быть раковин, расслоений, трещин, окислов, остатков технологических смазок, посторонних включений и загрязнений. Качество поверхности сильно влияет на время работы электрода до следующей перезаточки. Большей работоспособностью обладают электроды со шлифованной поверхностью.

Электроды должны быть прямыми. Непрямолинейность электродов не должна быть более 0,25% длины.

Введение в вольфрам присадок с меньшей величиной работы выхода электронов (окиси лантана, окиси иттрия и двуокиси тория) увеличивает эмиссию электронов с поверхности катода. Например, величина эмиссии с катода торированного вольфрама при температуре 3140 К примерно такая же, как у катода из чистого вольфрама при температуре 4000 К. Поэтому использование электродов с активирующими присадками позволяет значительно увеличить допустимый сварочный ток на электрод и увеличить работоспособность электрода.

СВАРОЧНЫЕ ФЛЮСЫ

Флюсы по химическому составу бывают: окисные (SiO2, MnO, CaO …), солевые (NaF, CaF2 …), солеоксидные.

По способу получения различат флюсы: плавленые, керамические, плавленно-керамические.

Керамические в качестве связующего, так же как и в обмазке качественных электродов, имеют жидкое стекло. Применяют преимущественно при наплавке поскольку можно вводить ферросплавы.

Плавленые флюсы по способу получения бывают стекловидные и пемзовидные. Последние получают, выливая расплав в воду или в струе воды.

После получения флюсов плавленым или керамическим путем их размалывают обычно механическим путем и просеивают.

Флюсы должны выполнять несколько функций:

- защита сварочной ванны и остывающего металла от окружающей среды (прежде всего от O и N), поэтому температура плавления флюса должна быть заметно ниже температуры плавления металла;

- флюс должен долго оставаться в вязком состоянии, чтобы обеспечить защиту поверхности металла от окисления при охлаждении в условиях, когда происходит линейное сжатие металла при охлаждении. Расплавленные металлы имеют достаточно большие диапазоны пластичного состояния (обычно несколько градусов);

В литературе используют терминологию: короткие и длинные шлаки, характеризующие падение вязкости при охлаждении. Это позволяет управлять удержанием металла сварочной ванны. При сварке в наклонных положениях используют короткие шлаки.

В ряде случаев флюсы могут обеспечивать рафинирование расплавленного металла, в основном уменьшение содержания окислов.

Окисные флюсы используют для сварки углеродистых и низколегированных сталей. Для сварки высоколегированных сталей и цветных металлов используют в основном солевые или солеоксидные флюсы.

Многие легирующие элементы при высоких температурах имеют высокую химическую активность и легко окисляются. Поэтому сварка под окисными флюсами в таких случаях может приводить к загрязнению шва за счет окисления и перехода в шлак легирующих добавок с соответствующим ухудшением механических и коррозионных свойств. Поэтому в таких случаях используют безкислородные флюсы на основе галогенов, а в каких-то пограничных случаях – солеоксидные.

Преимущественно в сварочном производстве применяются плавленые стекловидные окисные флюсы в связи с тем, что в основном металлоконструкции изготавливаются из углеродистых и низколегированных сталей.

Плавленые пемзовидные флюсы используют реже - они более гигроскопичные.

Использование солевых флюсов резко снижает устойчивость горения дуги, поскольку галогены в дуговом разряде образуют отрицательные ионы, захватывая свободные электроны, поэтому уменьшается проводимость дугового разряда и устойчивость горения дуги.

Флюсы сварочные плавленые для автоматической сварки в России выпускают по ГОСТ Р 52222-2004, этот ГОСТ регламентирует характеристики нескольких десятков марок флюса для дуговой сварки и наплавки разных сталей, и для электрошлаковой сварки.