СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

КАЧЕСТВЕННЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ

20 лет тому назад началось промышленное применение электро­дов с качественными обмазками или, как их называют, качествен­ных электродов. Эти электроды легко отличить по внешнему виду, они имеют слой обмазки значительной толщины — 1—3 мм, вес об­мазки не менее 15—20*% от веса электродного стержня. Изобрете­ние качественных электродных обмазок и их промышленное освое­ние являются крупнейшим достижением непрерывно развивающей­ся и совершенствующейся современной сварочной техники. Преиму­щества качественных обмазок настолько велики, что они должны применяться для всех ответственных изделий в обязательном по­рядке. Применение тонких обмазок должно быть ограничено обла­стью сварных соединений менее ответственных изделий, где на пер­вый план выступает дешевизна и простота изготовления электродов. Качественные обмазки должны способствовать улучшению химиче­ского состава наплавленного металла, устранению неблагоприят­ного воздействия процесса сварки и доведению показателей меха­нических свойств наплавленного металла до показателей основного или даже превзойти их, что достижимо во многих случаях. Вместе с тем, качественные обмазки должны обеспечить и достаточно устойчивое горение дуги.

Основой металлургического процесса при сварке, как и в стале­плавильных печах, остаётся взаимодействие между шлаком и ме­таллом. Шлак при сварке образуется, главным образом, из рас­плавленного покрытия электрода, в которое для этой цели вводят­ся в тонкоразмолотом виде различные минеральные вещества, руды, горные породы и т. п. Шлак, образующийся вместе с расплавлен­ным металлом при плавлении электрода, защищает ванну от до­ступа воздуха; при затвердевании ванны шлак замедляет охлаж­дение. Только этих двух процессов воздействия шлака уже доста­
точно для значительного улучшения качества наплавленного ме­талла. Механическая защита от воздействия воздуха, обеспечивае­мая шлаком, значительно снижает количество кислорода, посту­пающего в ванну из воздуха. Замедление охлаждения вызывает разложение нестойких соединений азота с железом, причём осво­бождающийся азот удаляется из металла, и содержание азота в металле снижается до допустимой нормы 0,01—0,03%. Шлак не должен вводить в металл вредных примесей, в особенности серы и фосфора, поэтому содержание этих элементов в материалах для изготовления обмазок доводится до возможного мини­мума. Все материалы, идущие на изготовление электродных обма­зок, должны строго контролироваться по содержанию фосфора и серы.

Существующие разнообразные качественные электродные покры­тия могут быть классифицированы по различным признакам, на­пример по характеру шлака. По химическому составу шлаки, полу­чаемые при расплавлении электродных обмазок, могут быть разде­лены на кислые и основные. В электродных обмазках применяются тот и другой типы. Важнейшими кислотными окислами в электрод­ных обмазках являются: двуокись кремния Si02 и двуокись титана TiOo. Основными окислами являются Na20, CaO, MgO, MnO, FeO и др. Окислы А1203, Fe203 являются промежуточными, нейтраль­ными или амфотерными. Преобладание кислотных или основных окислов делает шлак соответственно кислым или основным. Кислые шлаки могут уменьшать содержание кислорода в наплавленном ме­талле, что объясняется следующим образом. Кислород содержится в расплавленном железе в форме закиси железа FeO, имеющей ясно выраженный основной характер и реагирующей с кислотными окислами шлака, если они имеются в избытке, образуя силикаты или титанаты закиси железа 2FeO • Si02 и 2FeO • Ті02, которые в ванне металла практически не растворимы. Таким образом, про­исходит непрерывный переход закиси железа из металла в шлак„ т. е. экстрагирование закиси железа из металла шлаком. Подобный процесс раскисления металла кислым шлаком называется диффу­зионным раскислением.

В настоящее время большое распространение получают обмаз­ки, дающие шлаки сильно основного характера с большим содер­жанием окиси кальция СаО; эти шлаки обеспечивают получение - наплавленного металла особенно высокого качества. Шлаки основ­ного характера не производят диффузионного раскисления металла, и для уменьшения содержания кислорода в ванне в обмазки при­ходится вводить сильные раскислители (кремний, титан) в форме - ферросплавов.

Более важным признаком для классификации обмазок является характер металлургических реакций, протекающих в сварочной ванне. По этому признаку качественные электроды можно разде­лить на две группы.

Первая группа характеризуется реакциями, аналогичными ре­акциям выплавки кипящей стали в сталеплавильных печах. Основ­ной реакцией в ванне является восстановление закиси железа углеродом FeO+C = Fe + CO, сопровождаемое образованием газо­образной окиси углерода, вызывающей кипение ванны. Для бы­строго и энергичного проведения подобной реакции в обмазку вводятся в большом количестве окислы железа, в форме железных руд или железной окалины, или же другие окислы, легко отдающие кислород и способные интенсивно окислять металл ванны. Для этого обычно применяется двуокись марганца Мп02 в форме ми­нерала пиролюзита. Дополнительным источником углерода, сверх содержащегося в основном металле, служит обычно ферромар­ганец, вводимый в значительном количестве в подобные об­мазки. Протекающие в ванне экзотермические реакции освобож­дают значительное количество тепла и дополнительно разогревают ванну.

У электродов второй группы основной металлургической реак­цией является восстановление закиси железа металлом с большой теплотой образования окисла, обычно кремнием или титаном:

2Fe0 + Si = 2Fe+Si02.

Реакция идёт без газообразования и кипения ванны. В обмазку вводятся лишь весьма прочные окислы, не отдающие кислорода ванне и не окисляющие металла, например окись кальция. Метал­лургический процесс сходен с выплавкой спокойной стали.

По предложению инж. Е. В. Соколова, электроды первой груп­пы называют иногда кипящими, второй — спокойными. Электроды второй группы обеспечивают особенно высокое качество сварки и часто применяются для сварки сталей повышенной прочности и легированных спецсталей.

Весьма важны физические свойства шлака. Температура плав­ления шлака, как показывает опыт, должна находиться в пределах 1100—1200°. При температуре плавления стали 1400—1500° шлак. должен обладать малой вязкостью, большой подвижностью и жид - котекучестью, что важно для правильного формирования сварного шва. Существенное значение имеет характер затвердевания рас­плавленного шлака. Шлаки не имеют строго определённой темпе­ратуры плавления. При повышении температуры вязкость шлака постепенно падает, а при понижении возрастает. Переход от жид­кого к твёрдому состоянию может быть растянут на значительный температурный интервал, такие шлаки называются длинными. Если же переход от твёрдого к жидкому состоянию происходит в небольшом температурном интервале, то шлаки называются ко­роткими.

На фиг. 47 нанесены диаграммы затвердевания длинного и ко­роткого шлаков в координатах температура — вязкость. Опыт пока­зывает, что при сварке лучшие результаты при прочих равных условиях обычно дают короткие шлаки.

Одна шлаковая защита недостаточна, как бы ни была она со­вершенна. Для получения высококачественного наплавленного ме­талла необходимо легирование, т. е. введение в металл таких эле­
ментов, как марганец, кремний, хром, никель п т. д. Наиболее важное значение имеет легирование марганцем, которое приме­няется чаще всего на практике. Легирующие элементы вводятся в обмазку в виде тонко измельчённых ферросплавов, ферромарган­ца, ферросилиция, феррохрома и т. п. Ферросплавы, кроме того, являются сильными раскислителями и уменьшают содержание кислорода в ванне, восстанавливая закись железа.

Помимо минеральных веществ для образования шлаков и ферро­сплавов для восстановления и легирования в обмазки часто вводятся органические вещества: целлюлоза, крахмал, декстрин, сахар, пище­вая мука, древесная мука и т. п. Органические вещества под действием высокой температуры при сварке разлагаются с образованием смеси газов, имеющих восстановительный характер и защищающих металл от воздействия атмосферного воздуха.

Защитная газовая оболочка, обра­зуемая при разложении органики, устраняет доступ кислорода к ванне, а соединения железа с азотом в при­сутствии водорода или газов, богатых водородом, как показывает опыт, при сварке вообще не образуются в сколько-нибудь значительных разме­рах. Введение органических веществ, в особенности целлюлозы, понижает требования к шлаковой защите и по­зволяет уменьшить количество об­мазки на электроде, что особенно важно для электродов, предназначен­ных для сварки в вертикальном и потолочном положениях. Составные части обмазок тонко измельчаются, смешиваются в надлежащих со­отношениях, замешиваются в пасту, обычно на водном растворе жид­кого стекла, и наносятся на электродный стержень. Для качественной обмазки важен не только её состав, но и количество, наносимое на электрод, так как ход и конечный результат металлургической реакции зависят от количества шлака, взаимодействующего с металлом. При­ведём несколько примеров качественных обмазок.

Электроды ОММ-5 — оригинальные советские электроды «кипя­щего» типа, разработанные задолго до войны, предназначены для сварки малоуглеродистых сталей и являются одной из наиболее распространённых марок в нашей промышленности. Электроды со­ответствуют марке Э-42 по ГОСТ 2523-51 и допускаются для из­готовления всевозможных ответственных конструкций из малоугле­родистых сталей, работающих с приложением статических, дина­мических и переменных нагрузок при нормальных, повышенных и пониженных температурах. Стержень электрода из проволоки марки СвІ, СвІА или СвІІ по ГОСТ 2246-51. Состав обмазки ОММ-5 приведён в табл. 5.

Состав электродной обмазки ОММ-5

Наименование компонентов

Титановый (ильменитовый) концентрат Марганцевая руда (пиролюзит) ....

Полевой шпат................................................

Ферромарганец............................................

Крахмал .............................................

Жидкое стекло (водный раствор) — 30 частей на 100 частей сухой смеси (по весу).

Вес обмазки 30—35% от веса стержня. Толщина слоя обмазки 0,25 d, где d — диаметр электродного стержня. Наплавленный ме­талл содержит около 0,10% углерода, 0,8—0,9% марганца, около 0,10% кремния и 0,04—0,05% кислорода.

Среднее значение механических свойств сварного шва при сварке малоуглеродистой стали: предел прочности ~ь =50 кг/мм2', предел текучести з5 =36 кг/мм2 относительное удлинение б =25%; ударная вязкость 10—12 кгм/см2; угол загиба а = 180°.

Электроды пригодны для работы в любом положении: нижнем, вертикальном и потолочном, как на постоянном, так и на перемен­ном токах. При постоянном токе пользуются нормальной поляр­ностью. Коэффициент наплавки 7,2—7,5 г/а-час. Переход металла электродного стержня в шов за исключением всех потерь равен 70%. К недостаткам электродов можно отнести значительную ги­гроскопичность, объясняемую наличием крахмала в обмазке, при­тягивающего влагу из воздуха. Отсыревшие электроды могут быть исправлены подсушкой при температуре около 150°.

Титановый концентрат, т. е. обогащённая руда, состоит главным образом из минерала ильменита, представляющего собой титанат закиси железа FeO-Ti02. Марганцевая руда состоит главным об­разом из пиролюзита, представляющего собой перекись марганца. Полевой шпат — природный минерал, представляющий собой си­ликат алюминия, натрия и калия. Ферромарганец, применяемый для электродных обмазок, имеет среднее содержание марганца около 70%. Титановая руда, марганцевая руда, полевой шпат и жидкое стекло, сплавляясь и взаимодействуя с металлом и фер­ромарганцем, образуют при сварке шлак. Двуокись титана из титановой руды делает шлак коротким.

Кислород в закиси железа титановой руды и марганцевой руды окисляет ферромарганец с выделением значительного количества тепла, разогревает и разжижает шлак, заставляет кипеть ванну. Щёлочи полевого шпата и жидкого стекла повышают устойчи­вость дуги. Окислы марганца в шлаке уменьшают потерю марганца ванной. Ферромарганец раскисляет и легирует наплавленный ме­талл, восполняя потери марганца и несколько повышая его содер-

жание. Крахмал, разлагаясь, даёт защитную газовую оболочку вокруг дуги.

Таким образом, можно дать более или менее рациональное объяснение назначения отдельных составных частей электродной об­мазки, но, к сожалению, из-за слабости теории пока не имеется возможности разработать состав новой электродной обмазки на основании теоретических представлений и расчётов.

Электроды УОНИ-13. Обмазка этих электродов даёт шлак основного типа. Электроды «спокойного» типа имеют несколько разновидностей. Вторая цифра в знаменателе дроби, основного обозначения, показывает нижний предел прочности наплавлен­ного металла в кг! мм2. Соответственно различают электроды УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, УОНИ-13/65, УОНИ-13/85. Эти элек­троды могут быть признаны одной из лучших марок современ­ной мировой сварочной техники. Предназначаются электроды для сварки мало - и среднеуглеродистых сталей, а также легированных конструкционных сталей повышенной прочности, в производстве особо ответственных конструкций, машин и сооружений, работаю­щих при переменных и динамических нагрузках, в том числе рабо­тающих при повышенных и пониженных температурах. Электрод­ный стержень из малоуглеродистой проволоки марок СвІ, СвІА и СвІІ по ГОСТ 2246-51. Состав обмазок УОНИ-13 дан в табл. 6. Отношение веса обмазки к весу стержня около 30%, толщина слоя обмазки 0,25 d, где d — диаметр электрода.

Состав электродных обмазок УОНИ-13

Марки обмазки

Механические свойства сварного соединения характеризуются высокой прочностью и вязкостью, например, для УОНИ-13/45 и УОНИ-13/55 ударная вязкость составляет 25—ЗО кгмісм*, что является чрезвычайно высоким значением и далеко превосходит основной металл.

Электроды рекомендуются для сварки в нижнем положении, но возможна также сварка в вертикальном и потолочном поло­жениях.

Ток постоянный, полярность обратная, т. е. плюс на электроде. При работе на переменном токе необходимо применение осцилля­тора. Существуют разновидности электродов УОНИ-13 с добав­лением сильных ионизаторов в обмазку, дающих возможность ра­ботать на переменном токе без осциллятора. Качество сварки, да­ваемое электродами УОНИ-13, следует признать выдающимся, показатели механических свойств сварного шва и наплавленного металла получаются часто выше показателей основного металла. Электроды УОНИ-13 разработаны под руководством инженера К - В. Петрань.

Выдающимся преимуществом электродов УОНИ-13 является малая склонность к образованию трещин в наплавленном ме­талле и зоне влияния. Это даёт Возможность успешно сваривать без образования трещин стали повышенной прочности с пони­женной пластичностью и закаливающиеся при сварке. Причина отсутствия трещин при сварке электродами УОНИ-13 не вполне ясна.

В настоящее время часто связывают образование трещин в ме­талле с влиянием водорода. Водород в атомарной форме диффун­дирует в металл, встречая там закись железа, которую восстанав­ливает водород с образованием паров воды. Пары воды, имеющей молекулу значительных размеров, не могут диффундировать сквозь металл, накапливаются в значительных размерах, развивают огром­ное давление и разрывают металл, образуя трещины. Источником водорода, например в электродах ОММ-5, могут являться крахмал и влага, притягиваемая обмазкой вследствие её гигроскопичности. С точки зрения подобной теории электроды УОНИ-13, не содер­жащие органических веществ и прокаливаемые при изготовлении при температуре 350—400°, дают весьма плотный слой обмазки, мало гигроскопичный и почти не содержащий влаги. При свар­ке электродами УОНИ-13 в дугу почти не поступает водо­род, поэтому в наплавленном металле трещин не образуется. Подобная теория образования трещин требует ещё опытной проверки.

Назначение отдельных компонентов обмазки УОНИ-13 может быть объяснено следующим образом. Основная составная часть — мрамор, представляющий собой углекислый кальций, при нагрева­нии разлагается, образуя сильно основную окись кальция и давая газообразную двуокись углерода С02, образующую защитную обо­лочку вокруг дуги. Плавиковый шпат, представляющий собой почти чистый фтористый кальций, вводится в обмазку для понижения температуры плавления и уменьшения вязкости шлака. Кварц вво­дится для разжижения шлака и для уменьшения выгорания крем­ния в металле. Ферромарганец и ферросилиций вводятся для леги­рования металла, ферротитан действует как раскислитель, замет­ного содержания титана в наплавленном металле не обнаружи­вается.

Электроды УОНИ-13 дают плотный, хорошо раскисленный наплавленный металл, в достаточной степени легированный, чем и объясняются его высокие механические свойства. Например, при сварке малоуглеродистой стали электродами УОНИ-13/55, на­плавленный металл содержит в среднем около 0,1% углерода, около 1,0% Марганца, 0,2—0,3% кремния и лишь около 0,02% кисло­рода-.

На стальные электроды существует стандарт ГОСТ 2523-51, предусматривающий электроды для сварки стали (табл. 7) из стальной проволоки по ГОСТ 2246-51. Составы электродных об­мазок в нём не устанавливаются, но указываются минимальные показатели механических свойств для каждой марки электродов. Указаны также технологические требования к электродам, правилз приёмки, методы испытаний, упаковка и маркировка электродов.