СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ

ЭЛЕКТРОДЫ

Сварочный электрод представляет собой металлический либо неметаллический электропроводный стержень дли­ной 250-450 мм со специальным покрытием или без него, через который к свариваемым изделиям или конструкциям подводится электрический ток. Современная промышлен­ность производит более 200 марок электродов, и большая часть из них — это плавящиеся сварочные электроды, пред­назначенные для ручной дуговой сварки. Все типы сварочных электродов должны соответствовать определенным требова­ниям:

1) обеспечивать:

— устойчивое горение сварочной дуги;

— качественное формирование сварного шва и его прочность;

— равномерное расплавление стержня и покрытия с ми­нимальным разбрызгиванием металла электрода;

— беспрепятственное удаление шлаков;

— высокопроизводительную сварку;

2) давать металл сварного шва необходимого химическо­го состава;

3) сохранять свои физико-химические и технологические свойства на протяжении заданного количества времени;

4) обладать минимальной токсичностью.

Кроме того, имеются специальные технические требова­ния, например:

— получение металла шва с особыми свойствами, к ко­торым относятся окалино - и износостойкость, коррозионная устойчивость, повышенная прочность;

— формирование шва заранее определенной формы (с глубоким проваром, вогнутой поверхностью);

— осуществление сварки конкретным способом (с опи - ранием вертикальных швов сверху вниз, в любых простран­ственных положениях).

Разнообразие сварочных электродов и различные принципы, которые могут быть положены в основу их клас­сификации, делают разработку единой системы достаточно

затруднительной. Кроме того, марки электродов не стандар­тизированы, их деление осуществляется по техническим усло­виям и паспортам, причем каждый тип электродов может со­относиться как с одной, так и с несколькими марками. Однако электроды можно разделить по наличию тех или иных призна­ков на группы и подгруппы, что позволит в значительной сте­пени облегчить их применение:

1. По материалу, из которого они изготовлены:

1) металлические, которые подразделяются на:

а) плавящиеся, которые по наличию или отсутствию по­крытия бывают:

— покрытыми (стальными, медными, чугунными, бронзо­выми, алюминиевыми и др.) (рис. 14);

— непокрытыми, которые в настоящее время исполь­зуются в виде проволоки для проведения сварочных работ в среде защитных газов (по этой причине дальнейший разго­вор будет вестись исключительно о покрытых электродах);

б) неплавящиеся. К ним относятся вольфрамовые элек­троды, для облегчения возбуждения сварочной дуги, повы­шения устойчивости дугового разряда и электропроводности дугового промежутка которых вводятся добавки из оксидов тория (марка ЭВТ), иттрия (ЭВИ-10, ЭВИ-2) или лантана (ЭВЛ - 10, ЭВ/1-20). Используются электроды и из чистого вольфрама (ЭВ4). Диаметр вольфрамовых электродов подбирается в за­висимости от величины тока и может составлять 0,2-12 мм, а длина — 75,140,170 мм.

Вольфрамовые электроды находят применение при дуго­вой сварке в среде инертных газов, при атомно-водородной или плазменной сварке. Кроме того, они используются для резки и наплавки. Сварку вольфрамовыми электродами ве­дут от источника переменного тока, электродами с присадка­ми — от источника постоянного и переменного тока прямой и обратной полярности.

Наилучшими сварочными свойствами обладают итериро­ванные электроды, которые позволяют повышать плотность тока и уменьшать расход вольфрама;

2) неметаллические. Они не плавятся в процессе сварки и представлены следующими электродами:

Рис. 14. Покрытый сварочный электрод: 1 — стержень; 2 — покрытие; 3 — контактный торец, свободный от покрытия

а) угольные, произведенные из электротехнического угля в соответствии с ГОСТом 4425-72. Их диаметр — 5-25 мм, длина — 200-300 мм. В зависимости оттого, какой матери­ал предполагается сваривать, конец электрода затачивается под углом 60-70° (для стали) или 20-40° (для цветных метал­лов);

б) графитовые, изготовленные из синтетического прес­сованного графита по ГОСТу 4426-71. Их эффективность выше, чем угольных, они отличаются мягкостью, поэтому легко режутся. Поскольку такие электроды имеют высокую электропроводность и повышенную стойкость к окислению на воздухе, возможно увеличение плотности тока примерно в 2,5-3 раза, что дополнительно снижает расход материала.

Угольные и графитовые электроды характеризуются вы­сокой температурой плавления и кипения и низкой теплопро­водностью. Качественными считаются те электроды, которые имеют правильную форму, ровную поверхность, не оставляют следов на бумаге и издают металлический звук при ударе. Для повышения стойкости данных видов электродов на них наносят слой меди толщиной 0,06-0,07 мм. Для подведения тока к угольным и графитовым электродам используют элек­тродержатели.

2. По качеству (точности) изготовления, состоянию по­верхности покрытия и количеству вредных примесей (серы и фосфора) сварочные электроды делят на три группы, кото­рые обозначаются 1, 2 или 3 (чем больше число, тем выше качество изделия).

3. По назначению сварочные электроды (обозначение указано в скобках) согласно ГОСТу делятся на:

1) предназначенные для сварки:

— легированных теплоустойчивых сталей (Т);

— легированных сталей, имеющих временное сопротив­ление разрыву более 60 кгс/мм2 (Л);

— углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, имеющих временное сопротивление разрыву менее 60 кгс/мм2 (У);

— высоколегированных сталей со специальными свой­ствами (В);

— чугуна;

— цветных металлов;

2) применяемые для наплавки поверхностных слоев, ха­рактеризующихся специальными свойствами (Н).

4. По толщине покрытия (оно зависит от соотношения ди­аметра покрытого электрода с диаметром стержня, которые обозначаются буквами «D» и «d» соответственно) сварочные электроды подразделяются на изделия с покрытием (в скоб­ках указана маркировка):

— тонким (М) — D/d < 1,2;

— средним (С) — D/d < 1,45;

— толстым (Д) — D/d < 1,8;

— особо толстым (Г) — D/d > 1,8.

5. По виду покрытия (состав наиболее распространенных обмазок представлен в табл. 4) сварочные электроды класси­фицируются на те, которые имеют покрытие (в скобках указа­но буквенное обозначение):

1) кислое (А). Такое покрытие содержит окислы марганца и железа, титановый концентрат, кремнезем и ферромарга­нец. Защитную газовую среду создают органические ком­поненты. Наплавленный металл содержит 0,12% углерода, 0,10% кремния, 0,6-0,9% марганца и по 0,05% серы и фос­фора, что соответствует составу кипящей стали.

Электроды с кислым покрытием имеют довольно высо­кую скорость расплавления, их применяют для выполнения сварных швов в любом пространственном положении и от ис­точников как постоянного, так и переменного тока. Они под­ходят для сваривания металлических деталей, кромки кото­рых покрыты окалиной или ржавчиной. Но от сваривания сталей с повышенным содержанием серы и углерода следует воздержаться, поскольку полученный металл шва склонен ктрещинообразованию при кристаллизации.

В сварных швах, выполненных электродами с кислым покрытием, могут образовываться так называемые газовые поры, если:

— в обмазке содержится много марганца;

— в применяющемся ферромарганце повышено содер­жание кремния и углерода;

— в свариваемом металле много кремния.

Наплавленный металл имеет временное сопротивление

более 420 Н/м2, относительное удлинение — не менее 18%, ударную вязкость-8><10 Н-м/м2.

Электроды с кислым покрытием по механическим свой­ствам сварного соединения и металла шва принадлежат к типу Э42 (ГОСТ 9467-75).

Из недостатков электродов данной группы следует на­звать следующие факторы:

— повышенное разбрызгивание металла;

— выделение марганцовистых соединений, вредных для здоровья сварщика;

— склонность к частому образованию кристаллизацион­ных трещин;

2) основное (Б), в состав которого входят карбонаты каль­ция, магния, плавиковый шпат и ферросплавы (ферротитан, ферросилиций и др.). При разложении карбонатов выделяют­ся углекислый газ и окись углерода, которые обеспечивают защитную среду для расплавленного металла.

Наплавленный металл по своему составу соответству­ет спокойной стали с небольшим содержанием кислорода, азота и водорода. Количество серы й фосфора невелико (по 0,035%), содержание марганца составляет 0,5-1,5%, а кремния — 0,3-0,6%.

Полученный металл сварного шва устойчив к образова­нию кристаллизационных трещин и обладает высокими пока­зателями ударной вязкости при плюсовых и минусовых тем­пературах.

Электроды такого типа находят применение в следующих случаях:

— для сваривания металлов большой толщины;

— для изготовления конструкций, предназначенных для эксплуатации в тяжелых условиях или для транспортировки газов;

— для сварки таких сталей, как литые углеродистые, низ­колегированные высокопрочные или с повышенным содер­жанием серы и углерода.

При использовании электродов с основным покрытием необходимо:

— тщательно подготавливать кромки (очищать от ока­лины, ржавчины, масла и пр.) свариваемых частей, изделий, конструкций;

— избегать увлажнения электродной обмазки;

— вести работу длинной дугой, в противном случае могут образоваться газовые поры.

Для получения заданных механических свойств сварного шва в покрытие добавляют хром, молибден, ферромарганец и ферросилиций;

3) рутиловое(Р), компонентами которого являются концен­трат рутила (природный минерал, состоящий по большей части из двуокиси титана), карбонаты магния и кальция, кремнезем (добавляется в виде полевого шпата, слюды и гранита) и фер­ромарганец. К плюсам этого покрытия относится следующее:

— металл сварного шва, получающийся при сварке, по стойкости не отличается оттого, который образуется при работе с электродами с кислой обмазкой;

— данные электроды не склонны к образованию газовых пор даже в условиях сварки по окисленным поверхностям или металлу, который был ранее наплавлен электродами со стаби­лизирующим покрытием, при перемене длины сварочной дуги;

— обмазка обеспечивает устойчивое горение сварочной дуги, дает качественный шов и сопровождается минималь­ным разбрызгиванием металла;

— выделение вредных газов при осуществлении сварки довольно небольшое;

— при использовании данных электродов сварка может вестись в любом пространственном положении и от любого источника тока (как постоянного, так и переменного).

Металл шва содержит около 0,12% углерода, 0,4-0,7% марганца, 0,1-0,3% кремния, по 0,04% серы и фосфора, а уровень водорода определяется наличием в обмазке орга­нических компонентов;

4) целлюлозное (Ц), состоящее в основном из горючих органических веществ, например крахмала, оксицеллюло - зы, при сгорании которых создается газовая среда, защища­ющая расплавленный металл. В качестве шлакообразующих материалов выступают марганцевая руда, силикаты, рутил, титановый концентрат, а функцию раскислителя выполняет ферромарганец. При сварке электроды с таким покрытием дают небольшое количество шлака и характеризуются незна­чительным разбрызгиванием металла.

Как и электроды с рутиловым покрытием, их применяют при сварке в любом пространственном положении и от любо­го источника тока;

5) смешанного типа (двухбуквенное обозначение), к ко­торому относятся следующие разновидности:

а) рутилово-карбонатное (электроды АНО-3, АНО-4, АНО-5). Электроды с таким покрытием выгодно отличаются тем, что:

— формируют качественный металл шва независимо от пространственного положения, в котором ведется сварка;

— обеспечивают стабильное горение сварочной дуги при работе от источника постоянного и переменного тока любой полярности;

— образуют легко удаляющуюся шлаковую корку;

— характеризуются незначительной потерей металла от разбрызгивания;

— обеспечивают высокую ударную вязкость металла сварного шва при плюсовых и минусовых температурах как непосредственно после сварки, так и после старения;

б) рутилово-карбонатно-фтористое (электроды 03/1-9 А), которое востребовано для сварки жаростойких сталей, экс­плуатируемых при температуре до 1050° С, а также в тех слу­чаях, когда от металла шва требуется повышенная стойкость к охрупчиванию;

в) ильменитовое (электроды АНО-6), для которого ха­рактерно легкое возбуждение сварочной дуги. При работе с электродами с таким покрытием отмечено незначительное выделение дыма, газов и пр.;

г) рутиловое с железным порошком (электроды АНО-1). Наличие последнего в обмазке делает электроды с таким по­крытием довольно высокопроизводительными. Основное по­ложение, при котором осуществляются сварочные работы,— нижнее. При этом выделение вредных газов небольшое, а металл шва мало склонен к образованию газовых пор;

д) пластмассовое (электроды ВСП-1). В него тоже входит железный порошок. Такие электроды хорошо показали себя при заваривании зазоров, ими можно работать в любом про­странственном положении и от источников постоянного и пе­ременного тока. Кроме того, данное покрытие не впитывает влагу.

Необходимо также иметь в виду, что отечественной мар­кировке электродов по типу покрытия соответствуют между­народные обозначения (ISO) (табл. 5).

6. По виду пространственного положения, в котором мо­гут быть использованы электроды, они предназначаются для сварки (каждому соответствует цифровое обозначение, пред­ставленное в скобках):

— могут использоваться во всех пространственных по­ложениях (1);

— во всех пространственных положениях, за исключени­ем вертикального в направлении сверху вниз (2);

— можно применять в нижнем, горизонтальном положе­нии на вертикальной плоскости и в вертикальном направле­нии снизу вверх (3);

— в нижнем положении и положении «в лодочку».

Приняты международные обозначения пространствен­ных положений швов (рис. 15), в которых могут использовать­ся те или иные типы электродов.

7. По роду тока, его полярности и номинальному напря­жению холостого хода источника переменного тока, что ото­бражено в табл. 6.

Для работы с разными материалами предназначаются определенные типы электродов (табл. 7).

Электродные покрытия многофункциональны, поскольку:

— делают горение сварочной дуги стабильным;

— защищают сварочную ванну от кислорода и азота, со­держащихся в атмосферном воздухе;

— нейтрализуют некоторые примеси;

— улучшают свойства металла шва, вводя в него леги­рующие вещества;

— дают такие виды шлаков, физические свойства ко­торых должны способствовать нормальному образованию сварного шва и обеспечивать комфортное манипулирование электродом.

К покрытию предъявляются определенные требования, в частности:

— металл, газы и шлаки не должны вступать в реакции, которые могут привести к появлению в сварном шве пор;

— материалы, из которого состоят покрытия, должны поддаваться измельчению и не должны взаимодействовать с жидким стеклом или друг с другом в замесе;

— состав покрытий должен быть таким, чтобы не нару­шать санитарно-гигиенические условия труда при изготовле­нии электродов и в процессе сварки.

Нанесение покрытия на электрод возможно двумя спо­собами — опрессовкой и окунанием (в последние годы чаще всего применяется первый вариант).

Обмазка, которая наносится на электроды, содержит це­лый ряд компонентов, а именно:

1) шлакообразующие, к которым относятся марганцевая руда, каолин, мел, титановый концентрат, полевой шпат, ру­тил, кварцевый песок, доломит, мрамор. Их функции:

— защита металла сварочной ванны и капель электрод­ного металла от воздействия содержащихся в атмосферном воздухе кислорода и азота;

— снижение скорости охлаждения металла шва;

— рафинирование и удаление неметаллических приме­сей и включений;

2) раскисляющие, среди которых представлены марга­нец, алюминий, титан, кремний, графит и другие элементы, от­личающиеся большим сродством к кислороду, чем железо. Их функция — раскисление (восстановление) металла сварного шва. Данные вещества включаются в электродное покрытие в составе ферросплавов;

3) газообразующие, в задачу которых входит создание защитной газовой оболочки вокруг дуги. В процессе сгорания они выделяют большое количество газов, которые и создают необходимую среду. Это органические вещества — древес­ная мука, целлюлоза, декстрин, крахмал;

4) легирующие, которые должны придать металлу шва за­данные физико-механические свойства (повышенную сопро­тивляемость коррозии, износо - и жаростойкость, особую ме­ханическую прочность). Легирующими элементами являются хром, молибден, марганец, никель, титан и др.;

5) стабилизирующие (или ионизирующие), т. е. элементы с невысоким потенциалом ионизации, благодаря которому поддерживается устойчивое горение сварочной дуги и облег­чается ее возбуждение. Данную группу элементов составляют калий, натрий и кальций;

6) связующие (клеящие), которые в соответствии с соб­ственным названием связывают компоненты покрытия как друг с другом, так и со стержнем электрода. Чаще всего ис­пользуется жидкое стекло (калиевое или натриевое), хотя с этой целью также применяются декстрин, желатин и др.

Электрод при сварке расплавляется с образованием ме­талла и шлака. Последний должен обладать определенными свойствами:

1) физическими, к которым относятся:

— температура плавления;

— температурный интервал затвердевания;

— теплоемкость;

— теплосодержание;

— способность растворять окислы, сульфиды и др.;

— вязкость;

— плотность;

— газопроницаемость;

— коэффициенты линейного и объемного расширения;

2) химическими, а именно способностью:

— раскислять и легировать металл сварочной ванны;

— связывать окислы в легкоплавкие соединения.

От физических свойств шлаков во многом зависят сам процесс сварки и образование сварного шва. Электродные по­крытия дают шлаки такой плотности, которая ниже плотности металла сварочной ванны. Благодаря этому шлаки всплывают и ровным слоем покрывают поверхность шва. Кроме того, по­скольку температурный интервал их затвердевания ниже тем­пературы кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны, это позволяет газам свободно выделяться из нее.

Электродные покрытия, расплавляясь, дают шлаки двух видов:

— «длинные», в состав которых входит большое коли­чество кремнезема. Поскольку при охлаждении их вязкость возрастает медленно, электроды с таким покрытием не при­меняются для выполнения вертикальных и потолочных швов, так как на этих плоскостях сварочная ванна долго сохраняет жидкое состояние;

— «короткие», вязкость которых при охлаждении нарас­тает быстро, что не позволяет жидкому металлу шва стекать. Они, в отличие от предыдущих, пригодны для сварки в лю­бых пространственных положениях. Электроды с рутило - вым и основным покрытием образуют шлаки именно такого типа.

Шлаковая корка, которая появляется на поверхности свар­ного шва, будет хорошо отделяться от металла, если коэффици­енты линейного расширения шлака и металла будут различны.

В технической документации согласно ГОСТу 9466- 75 указаны марка, диаметр и группа электрода (например, У0НИ-13/45-3,0-2 ГОСТ 9466-75), на упаковочной таре сведения о материале представлены более подробно. Струк­тура условного обозначения электродов имеет вид дроби (в числителе — паспортные данные, в знаменателе — код) и включает одиннадцать обозначений (рис. 16).

Например, Э46 А-УОНИ-13/45-3,0-УД-2.

Е432 (5) — Б10

Данная надпись расшифровывается так:

— Э46 А — тип электрода (отличительные особенности: улучшенная пластичность, повышенная вязкость металла шва, прочностная характеристика — 460 МПа);

— УОНИ-13/45 — марка электрода;

— 3,0 мм — диаметр электрода;

— У — назначение электрода (для сварки углеродистых и низколегированных сталей);

— Д — толщина покрытия (толстое);

— 2 — номер группы;

— Е432 (5) — группа индексов (характеристика металла шва по ГОСТу 9467-75);

— Б — вид покрытия (основное);

— 1 — допустимые пространственные положения (в лю­бых положениях);

— О — род тока (постоянный обратной полярности).