СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Электродные покрытия

Электродные покрытия можно рйзделить на две основные группы:

стабилизирующие (стабилизировать — делать более * устойчи­вым), или тонкие;

качественные, или толстые.

Стабилизирующие (тонкие) покрытия имеют в своем составе вещества, молекулы и атомы которых легко ионизи­руются, т. е. обладают низким потенциалом ионизации, поддержи­вая этим горение дуги и облегчая ее возбуждение при непрерывном изменении полярности переменного тока. Такие покрытия назы­вают также ионизирующими. Они наносятся на проволоку слоем толщиной в 0,1—0,3 мм и составляют 1—2% от веса элек­тродной проволоки. Исследования акад. К. К. Хренова показали, что наиболее легко ионизируются и обеспечивают устойчивость горения дуги пары калия, встречающегося в виде природных ми­нералов (гранита, полевого шпата) и химических веществ (хромат и бихромат калия, поташ, калиевая селитра), а также кальция, который входит в состав мрамора и мела в виде углекислого каль­ция —СаС03.

Из тонкйх покрытий наиболее распространено меловое покры­тие, состоящее из чистого мела, разведенного на жидком стекле. На 80—85 весовых частей мела берется 15—20 частей жидкого стек­ла. Хорошие результаты дает тонкое покрытие А-1 следующего состава: 81% титановой руды (концентрат), 10% марганцевой руды, 9% селитры калиевой, 15% жидкого стекла к весу сухой части покрытия. Покрытие А-1 разработано Институтом электросварки им. Е. О. Патона.

Жидкое стекло представляет собой склеивающее вещество, применяемое для приготовления всех видов покрытий для электро­дов. По своему составу жидкое стекло является силикатом — солью кремниевой кислоты щелочных металлов (натрия или ка­лия). Применяется в основном натровое жидкое стекло — силикат натрия, химическая формула которого ЫагО - SiCh. Отношение количества двуокиси кремния к щелочи в жидком стекле, т. е.

SiOo т т

т =-------- -, называется модулем жидкого стекла. Чем выше

Na20

модуль, тем большей клейкостью обладает жидкое стекло. Для электродных покрытий применяется обычно натровое жидкое стек­ло с модулем от 2,2 до 3. Калиевое жидкое стекло вводится в неко­торые покрытия для повышения устойчивости горения дуги.

Тонкие покрытия не могут защитить наплавляемый металл от кислорода и азота атмосферного воздуха. Поэтому окисление и азотирование металла шва и выгорание его элементов при сварке тонкопокрытыми электродами будут лишь немногим меньше, чем при сварке голыми электродами. Вследствие этого электроды с тон­кими покрытиями дают сравнительно хрупкий, неплотный на­плавленный металл, загрязненный посторонними включениями, и могут применяться только при сварке неответственных конструкций.

Тонкие покрытия в основном использовали в начальный период промышленного внедрения дуговой сварки на переменном токе, когда теория металлургических процессов при сварке еще только разрабатывалась, а размеры производства электродов с толстыми качественными покрытиями и их номенклатура были крайне огра­ничены.

Назначение качественного покрытия электродов заключается в следующем: а) повышении устойчивости горения дуги; б) созда­нии вокруг дуги защитной оболочки из газов и шлаков для предо­хранения жидкого металла от окисления кислородом и азотирова­ния азотом окружающего воздуха; в) образовании защитного слоя шлака на поверхности сварочной ванны для раскисления и замед­ления остывания металла шва; г) введении в металл шва дополни­тельных легирующих элементов для улучшения его механических свойств.

Качественные покрытия позволяют получать плотный, прочный и вязкий наплавленный металл без пор, раковин и шлаковых включений, не уступающий по механическим свойствам основному металлу. Они наносятся на проволоку слоем толщиной от 0,7 до 2,5 мм. Вес качественного покрытия составляет от 30 до 75% веса металлического стержня электрода. Один конец электрода (контакт­ный) остается непокрытым на длине около 50 мм этим концом элек­трод вставляется в электрододержатель.

В безогарковых электродах покрытие наносится по всей длине электрода, который с обоих концов зачищается на конус. В этом случае длина электрода диаметром 4; 5 и б мм делается несколько меньшей и обычно равна 350 мм.

Качественные покрытия должны удовлетворять следующим тре­бованиям:

1. При плавлении покрытие должно образовывать жидкий за­щитный шлак и газы.

2. Температура плавления покрытия должна быть близка к температуре плавления металла электрода и лежать в пределах 1100—1200°.

3. Обеспечивать устойчивое горение дуги при сварке на пере­менном токе (этому требованию отвечают не все покрытия).

4. Прочно держаться на электроде, покрывая его плотным и равномерным слоем без отслаивания или растрескивания.

5. Быть возможно более водоупорным и не портиться от воздей­ствия влажного воздуха.

6. Шлак должен получаться не слишком вязким и легко расте­каться по наплавленному металлу, покрывая его равномерным сло­ем. Правильно подобранная вязкость шлака имеет важнейшее зна­чение для создания наиболее благоприятных условий протекания металлургических процессов при сварке.

7. Шлак должен обладать раскисляющими (восстановительны­ми) свойствами по отношению к окислам металла.

8. Застывший шлак должен иметь большую усадку, чем металл шва, и поэтому легко отделяться от поверхности шва.

9. В электродах для вертикальной и потолочной сварки шлак должен быстро затвердевать и удерживать капли металла от сте­нания вниз.

10. Покрытия не должны содержать примесей, вредно влияю­щих на качество шва (серы, фосфора, влаги и др.).

Советскими учеными разработана теория металлургических процессов, позволяющая точно рассчитывать составы электродных покрытий в соответствии с предъявляемыми требованиями к свой­ствам наплавленного и основного металла.

Применяемые для приготовления электродных покрытий ве­щества условно могут быть классифицированы на следующие группы:

Шлакообразующие — минеральные вещества, со­держащие окислы металлов (руды): титановую руду (иль­

менит), обогащенную титановую руду (титановый концент­рат), природную двуокись титана (рутил), марганцевую

РУДУ (пиролюзит), полевой шпат, плавиковый шпат, мел, фар­форовую глину (каолин), кварц, гранит, мрамор[5].

Титановая и марганцевая руды увеличивают скорость затверде­вания шлака, что особенно важно при сварке вертикальных и по­толочных швов. Титановая руда также увеличивает скорость плав­ления электрода, что повышает производительность сварки. Поле­вой шпат увеличивает устойчивость горения дуги, но при этом повышает жидкотекучесть шлаков. Полевой шпат иногда заменяют гранитом. Плавиковый шпат и двуокись титана понижают вяз­кость и температуру плавления шлака, придают ему нужную ско­рость затвердевания, однако плавиковый шпат в то же время сни­жает устойчивость горения дуги, так как входящий в его состав фтор способен образовывать отрицательные ионы, наличие кото­рых снижает величину заряда околокатодного пятна, вследствие чего для повторного зажигания дуги переменного тока требуется более высокое напряжение.

Г азообразующие — крахмал, древесная мука, хлоп­чатобумажная пряжа, целлюлоза, древесный уголь, пищевая мука.

Раскислители — ферромарганец, ферросилиций, ферро­титан, ферромолибден, алюминий.

Легирующие — ферромарганец, ферросилиций, ферро­хром, ферротитан и реже окислы металлов (окись меди, окись хро­ма, углекислый никель и др.). Основным легирующим веществом в большинстве покрытий является ферромарганец, который слу­жит одновременно раскислителем. Марганцевая руда также ис­пользуется как легирующее вещество в покрытии, увеличивая содержание марганца в металле шва. Для легирования углеродом в покрытие вводят графит.

Связующие — придают покрытию вид пасты и после за­твердевания прочно удерживают его на стержне. Для этой цели при­меняют жидкое стекло, реже — декстрин.

С т а б и л и з и р у ю щ и е — поташ (К2С03), калиевое жид­кое стекло. т *

Ввиду большого разнообразия применяемых составов покрытий качественные электроды делятся на типы не по составу покрытий, а по назначению электродов и механическим свой­ствам (прочности и пластичности) металла шва и сварного соединения, получаемых при сварке электродами данного типа[6]. В зависимости от назначения действующими ГОСТ предусматри­ваются, например электроды для сварки конструкционных сталей; электроды для сварки легированных теплоустойчивых сталей;

электроды для наплавки поверхностных слоев с особыми свойства­ми и др.

В обозначение типа электрода, например по ГОСТ 9467—60, входит буква Э (означает электрод) и цифры, указывающие предел прочности металла шва в кгс/ммг (в электродах для сварки кон­струкционных сталей). Например, марка Э42 показывает, что электрод предназначен для сварки конструкционных сталей и обес­печивает временное сопротивление разрыву металла'шва 42 кгс/мм2. Буква А, стоящая в обозначении электрода после цифр, указывает на использование в них проволоки (ГОСТ 2246—60) с наименьшим содержанием серы и фосфора, что позволяет получать наплавлен­ный металл повышенной пластичности и вязкости; такие электро­ды применяются для сварки наиболее ответственных конструкций.

Электроды, используемые при сварке теплоустойчивых молибде­новых сталей, обозначаются Э-М, хромомолибденовых — Э-ХМ, хромомолибденованадиевых—Э-ХМФ, хромомолибденованадиево-

ниобиевых теплоустойчивых сталейЭ-ХМФБ. ОбозначениеЭ-Х2МФБ показывает, что электрод предназначен для сварки теплоустойчи­вой хромомолибденованадиевониобиевой стали и металл шва содержит не менее 2% хрома; обозначение Э-Х5МФ — то же, но содержание хрома в шве должно быть не менее 5%. Для электродов, применяемых при сварке теплоустойчивых легированных сталей, нормы механических свойств соответствуют свойствам металла шва, прошедшего термическую обработку, ука­занную в паспорте электрода. ГОСТ 9467—60 на электроды для сварки конструкционных сталей регламентирует также максималь­но допустимое содержание серы и фосфора в металле шва или на­плавки, а на электродыдля сварки теплоустойчивых сталей—также и химический состав металла шва или наплавленного металла. Размеры и общие технические требования к электродам для дуговой сварки Сталей и наплавки регламентируется ГОСТ 9466—60.

В табл. 4 и 5 приведены типы электродов по ГОСТ 9467—60 для дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей.

К типу Э34 относятся электроды с меловым покрытием и покры­тием А-1. К типу Э42 — с покрытиями МЭЗ-04, ОММ-5, ЦМ-7, ЦМ-7С и др.; к типу Э42А — с покрытием УОНИ-13/45; к типу Э50А — с покрытием УОНИ-13/55 и др.

Для сварки малоуглеродистых сталей наиболее широко приме­няются электроды с толстыми покрытиями ОММ-5, ЦМ-7, ЦМ-7С и МЭЗ-04, относящимися к группе кислых покрытий. Составы шихты для этих покрытий (в% по весу) следующие:

Покрытие ОММ-5 разработано бывш. Оргаметаллом, покрытие ЦМ-7—отделом сварки ЦНИИТМАШ, покрытие МЭЗ-04 — МоСков - ским электродным заводом.

, Перечисленные покрытия могут применяться для электродов при сварке швов на переменном и постоянном токе, в любом про­странственном положении. При сварке электродами с проволокой Св-08 с покрытием ОММ-5 наплавленный металл имеет следующий состав: около 0,1% углерода, 0,8—0,9% марганца, около 0,1% кремния, 0,04—0,05% кислорода. Средние механические свойства сварного соединения из малоуглеродистой стали при этом получают­ся следующие: предел прочности 46—50 кгс/ммг, относительное удлинение 25%, ударная вязкость 10—12 кгс-м/см2, угол загиба 180°. Недостатком покрытия ОММ-5 является склонность к погло­щению влаги и в связи с этим необходимость хранения в сухом помещении, что обусловлено присутствием в его составе крахмала. Отсыревшее покрытие перед сваркой необходимо просушивать в течение нескольких часов при 180—200° во избежание получения пористого металла шва.

К группе электродных покрытий основного типа относятся широко распространенные покрытия УОНИ-13, состоящие из соеди­нений кальция, плавикового шпата и ферросплавов.

Покрытия УОНИ-13 применяются нескольких марок: УОНИ - 13/45, УОНИ-13/55, УОНИ-13/65, УОНИ-13/85, УОНИ-13/нж. Цифра в знаменателе указывает предел прочности наплавленного металла в кгс/мм?, обеспечиваемый электродом с данной маркой покрытия. Составы покрытий УОНИ-13 следующие (в % по весу):

УОНИ - УОНИ - УОНИ - УОНИ - УОНИ 13,45 13/55 13 65 13/85 13 нж

TOC o "1-5" h z Мрамор (СаСОз) ... 53 54 51 54 57,5

Плавиковый шпат

(CaF2)................................. 18 15 15,5 15 33,5

Кварц...................................... 9 9 8 — —

Ферромарганец... 2 5 7 7 2,5

Ферросилиций.... 3 5 3 10 4

Ферротитан........................... 15 12 15,5 9 2,5

Ферромолибден... — — — 5 —

Жидкое стекло (вод­ный раствор) ... 30 весовых частей на 100 частей сухой смеси

В электродах с покрытием УОНИ-13, предназначенных для сварки углеродистых и низколегированных сталей, в качестве стержня используется углеродистая проволока Св-08, Св-08А и др. по ГОСТ 2246—60, в электродах с покрытием УОНИ-13/нж, предназначенных для сварки нержавеющих сталей, — высоколе­гированная проволока из хромоникелевой аустенитной стали по ГОСТ 2246—60 с соответствующим содержанием углерода. Вес покрытия УОНИ-13 составляет 30—40% к весу стержня при тол­щине слоя покрытия 0,25—0,3 диаметра стержня.

Основной частью покрытия УОНИ-13 является углекислый кальций (СаС03), вводимый в виде мрамора. При нагревании и плавлении СаС03 разлагается на окись кальция СаО, дающую ос­новную массу шлака, и углекислый газ СО е, образующий защит­ную газовую оболочку вокруг расплавляемого электродного ме­талла.

Плавиковый шпат в основном состоит из фтористого кальция и вводится в покрытие для понижения температуры плавления и уменьшения вязкости шлака. Кварц служит для разжижения шлака и уменьшает выгорание кремния в наплавляемом ме­талле.

Ферромарганец и ферросилиций вводятся для легирования металла марганцем и кремнием. Ферротитан служит раскислите - лем.

При сварке малоуглеродистой стали электродами с покрытием УОНИ-13/55 наплавленный металл содержит около 0,1% углеро­да, около 1% марганца, 0,2—0,3% кремния и только около 0,02% кислорода. Таким образом, электроды с покрытием УОНИ-13 дают хорошо раскисленный плотный наплавленный металл, содержащий несколько повышенные количества марганца и кремния и обладаю­щий высокими механическими свойствами. Металл, наплавленный электродами с покрытием УОНИ-13, обладает высокой пластич­ностью, значительной ударной вязкостью, достигающей 25—30 кгС’М/см? для УОНИ-13/45 и УОНИ-13/55. Как правило, в метал­ле, наплавленном электродами с покрытием УОНИ-13, не обра­зуется трещин. Поэтому электроды с покрытием УОНИ-13 счита­ются лучшими по качеству и применяются для сварки особо ответ­ственных конструкций, которые испытывают ударные нагрузки и вибрации, а также подвергаются действию повышенных или пониженных температур.

Коэффициент наплавки для УОНИ-13/45 и УОНИ-13/85 Кн = = 9,8 г/а - час; для УОНИ-13/55 и УОНИ-13/65 Ки = 8 г/о - час.

Поскольку покрытия УОНИ-13 не содержат органических сое­динений (например, крахмала), они выдерживают длительное прокаливание (до 350—400°), что облегчает их просушку и де­лает менее восприимчивыми к влаге по сравнению с покрыти­ем ОММ-5.

Покрытие УОНИ-13 требует применения для сварки постоянно­го тока обратной полярности. При сварке на переменном токе не­обходимо включать в сварочную цепь осциллятор для обеспече­ния устойчивого горения дуги. Для сварки на переменном токе без осциллятора в состав покрытия УОНИ-13 вводят стабилизирую­щие горение дуги ионизирующие добавки: заменяют, например, кварц полевым шпатом и добавляют в покрытие около 4% поташа (например, в покрытиях К-51, К-52). Для получения хорошего шва при использовании электродов с покрытием УОНИ-13 необходимо вести сварку возможно более короткой дугой. Покрытия УОНИ-13 более чувствительны к ржавчине на поверхности свариваемых кромок, чем, например, покрытие ЦМ-7. Покрытия К-51, К-52 и УОНИ-13/3* не содержат также дорогостоящего ферротитана.

За последние годы разработано много новых видов покрытий для электродов, в том числе для сварки сталей с особыми свойства­ми. Из новых покрытий следует упомянуть покрытие ВСР-50 ос­новного типа, аналогичное УОНИ-13, но содержащее двуокись ти­тана в виде рутила. Состав этого покрытия следующий: 5% грани­та, 22% двуокиси титана (рутила), 33% мрамора или мела, 25%, плавикового шпата, 6% ферромарганца, 8% ферросилиция 45%-но­го, 1% ферротитана, 15% жидкого стекла. Отношение веса покрытия к весу стержня 33—42, коэффициент наплавки 9,5 г/а ■ час.

Покрытие ВСР-50 разработано Всесоюзным научно-исследова­тельским институтом строительства трубопроводов (ВНИИСТ). Оно имеет несколько пониженную температуру плавления и не образует на конце электрода одностороннего козырька; особенно пригодно для сварки труб. В том же институте сотрудниками А. Г. Мазель,?Е. М. Роговой и Л. И. Сорокиным разработаны и испытаны новые электроды с пластмассовым покрытием, в котором в качестве связующего (взамен жидкого стекла) и газозащитного компонента использованы органические лаки и смолы. Покрытие этих электродов совершенно нечувствительно к увлажнению. Новые электроды, которым авторами присвоена марка ВСП-16 и ВСП-1бм, пригодны для сварки малоуглеродистых и легированных сталей на постоянном и переменном токе. По механическим свой­ствам наплавленного металла они соответствуют электродам Э42 и Э50.

Как указывалось выше, покрытие УОНИ-13 требует примене­ния для сварки только постоянного тока. Аналогичные же покры­тия основного типа марок VI1-1/45, VI1-2/45 и СМ-11 допускают сварку как на постоянном, так и на переменном токе. Состав по­крытия СМ-11 следующий: 3,5% двуокиси титана, 28,2% мрамора или мела, 20,3% шпата плавикового, 1,3% поташа, 3,5% ферро­марганца, 8% ферросилиция 45%-ного, 32,8% железного порош­ка, 1,9% оксицеллюлозы, 11—12% жидкого стекла. Отношение веса покрытия к весу стержня 30—40, коэффициент наплавки 9,5— Ю г/а - час. Электроды с покрытием СМ-11 получили распростра­нение на строительстве, так как их свойства отвечают условиям сварки в этой отрасли. Входящий в покрытие железный порошок уменьшает скорость охлаждения наплавленного металла, что бла­гоприятно сказывается при сварке в условиях пониженных окру­жающих температур. Электроды с покрытием СМ-11 позволяют сваривать швы в любом пространственном положении и обеспечи­вают получение наплавленного металла без трещин, с высокой пластичностью, ударная вязкость наплавленного метала при свар­ке этими электродами достигает 14—18 кгс-м/см2.

* Буква «3» означает— «заменитель».

Применение в покрытиях СМ-11 железного порошка придает им новые важные технологические свойства. Дело в том, что боль­шинство покрытий, не содержащих железный порошок, плавится медленнее металлического стержня, вследствие чего на конце электрода при сварке образуется козырек. При значительной вы­соте этого козырька дуга между металлом и стержнем электрода прерывается и гаснет. Для возбуждения дуги сварщику приходит­ся удалять часть козырька, на что требуется дополнительное вре­мя. Присутствие в покрытии около 30 % железного порошка делает его электропроводным, вследствие чего повторное возбуждение дуги происходит легко при прикосновении козырька на конце электрода к металлу. Это повышает производительность процесса сварки и исключает возможность затухания дуги, что является су­щественным преимуществом покрытий с железным порошком.

Для сварки высокопрочных сталей с пределом прочности свыше 100 кгс/мм2 разработана серия покрытий марок НИ-3, НИ-ЗМ, НИ-5 и др. на основе мрамора, плавикового шпата, ферромарган­ца, ферротитана, ферросилиция, феррохрома и ферромолибдена. Существует также большая номенклатура покрытий для сварки высоколегированных жаропрочных, кислотостойких и нержавеющих сталей, а также для наплавки сталей и получения наплавляемого металла требуемой прочности, пластичности, твердости и износо­стойкости.

Поскольку электроды с некоторыми другими покрытиями имеют специализированное назначение, данные о их составах и свойствах будут приводиться в последующих главах, при рассмотрении техно­логии сварки и наплавки сталей различных специальных марок.