СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОДЫ С ТОНКОЙ ОБМАЗКОЙ

В сварочной технике применяются различные металлические электроды для дуговой сварки, из которых наибольшее значение имеют стальные электроды.

Современный металлический электрод (фиг. 44) состоит из двух частей: электродного стержня и покрытия или обмазки. Электрод­ный стержень представляет собой выправленный кусок стальной

проволоки нужного диаметра и установленной длины. Диа­метр стержня принимается за диаметр электрода. Наиболее распространены электроды диа­метром от 3 до 6 мм нормальная длина равна 450 мм. Стальная

проволока для дуговой электросварки и газовой сварки изготовляется по ГОСТ 2246-51, предусматривающему диаметры проволоки от I до 12 мм. Химический состав стальной электродной проволоки под­бирается' в зависимости от характера работ и состава свариваемого материала. ГОСТ 2246-51 включает 19 сортов или марок электродной проволоки, отличающихся по химическому составу металла (табл. 3). Наиболее распространёнными являются марки Св1 и СвІІ, а для от­ветственных работ СвІА. Металл проволоки этих марок является малоуглеродистой кипящей сталью со строгим ограничением содер­жания углерода и вредных примесей серы и фосфора. Эти марки про­волоки используются для выполнения подавляющего большинства сварочных работ. Остальные марки проволоки, металл которых пред­ставляет собой различные легированные стали, применяются реже для работ специального характера.

Обмазка или покрытие электрода состоит из порошкообразных материалов различного состава, сцементированных для прочности жидким стеклом или другим подходящим склеивающим материа­лом. Электродные обмазки могут быть разделены на две большие группы: 1) тонкие или ионизирующие или стабилизирующие обмаз­ки; 2) толстые или качественные обмазки. Принадлежность элек­трода к той или другой категории может быть определена уже при внешнем осмотре по толщине покрытия, нанесённого на поверх­ность электрода. Тонкие обмазки наносятся слоем толщиной в не­сколько десятых долей миллиметра, вес обмазки 1—5% от веса электродного стержня. Толстые или качественные обмазки нано­сятся слоем толщиной I—3 мм. Вес их составляет 15—30, а часто и более процентов от веса электродного стержня.

Основное назначение тонких обмазок — стабилизировать, т. е. сделать более устойчивым горение дуги. Стабилизация дуги дости­гается усилением ионизации дугового промежутка, производимым обмазками. При горении дуги вместе с электродным стержнем пла­вится и испаряется также и обмазка, нанесённая на поверхность электрода. Пары материала обмазки, попадая в столб дуги и под­вергаясь действию высокой температуры, прежде всего подверга­ются диссоциации, т. е. распадению сложных химических соедине­ний на более простые, вплоть до свободных атомов. Если в обмазке имеются вещества с низким потенциалом ионизации, например ще­лочные и щёлочно-земельные металлы, то пары обмазки легко иони­зируются и повышают электропроводность дугового промежутка, об­легчая горение дуги. Теория и опыт показывают, что достаточно примешать к газу с высоким потенциалом ионизации небольшое количество паров с низким потенциалом ионизации, чтобы понизить средний эффективный потенциал ионизации газовой смеси и резко увеличить степень её ионизации и электропроводность. Например, достаточно примешать к воздуху (потенциал ионизации около 15 в) около 1%паров калия (потенциал ионизации 4,3 в), чтобы степень ионизации и электропроводность смеси увеличились в несколько раз. При сварке стальными электродами в дуговом промежутке имеются в большом количестве пары железа с потенциалом иони­зации 7,8 в. Поэтому усиливать ионизацию дугового промежутка могут лишь элементы, имеющие потенциал ионизации менее 7,8 в.

В первую очередь для этой цели пригодны щелочные и щёлочно­земельные металлы, калий, натрий, кальций, барий, стронций. Осо­бенно эффективным является применение соединений калия, кото­рый из обычных, легко доступных элементов имеет наименьший потенциал ионизации 4,3 в. Не безразлично, в какой форме, т. е. в виде какого соединения, вводится тот или другой легко ионизирую­щийся элемент. Например, из соединений калия, по опытам автора книги, наиболее сильное ионизирующее действие оказывают сле­дующие соединения: ферроцианид калия K.3Fe(CN)6 (красная кро­вяная соль) и монохромат калия КгСг04 (мелкий светложёлтый порошок, применяемый в красочной промышленности). Из других химических соединений хорошими ионизирующими свойствами обла-

дают карбонат калия К2С03 (поташ), карбонат кальция СаС03 и т. д., а также мел, мрамор, известняк, полевой шпат (ортоклаз), некоторые глины, древесная зола и т. п. вещества, содержащие щелочные и щелочно-земельные металлы.

Автором настоящей книги предложен объективный метод оцен­ки устойчивости дуги и сравнения различных обмазок и электродов в этом отношении. Опыт производится следую­щим образом (фиг. 45).

Электрод закрепляется вертикально в штативе над стальной пластиной с металлически чистой поверхностью. Пласти­на и электрод присоеди­няются к нормальному сварочному трансфор­матору. Зажигается дуга посредством замыкания дугового проме­жутка прикосновением конца угольного стрежня. Дуге дают догореть

Фиг. 46. Влияние соединений калия и натрия на устойчивость дуги.

до естественного обрыва, после чего замеряют промежуток между концом электрода и поверхностью пластины, как показано на фиг. 45. Чем - больше длина обрыва дуги, тем выше её устойчивость.

На фиг. 46 дана диаграмма, показывающая результаты опытов, проведённых автором с различными соединениями калия и натрия.

Как видно, во всех случаях соединение калия (потенциал иониза - ции 4,3 в) даёт устойчивость дуги более высокую, чем аналогичное соединение натрия (потенциал ионизации 5,1 в). Таким же обра­зом автором были выявлены элементы и соединения, резко пони­жающие устойчивость горения дуги, поэтому следует избегать вве­дения их в электродные обмазки.

К гасителям дуги относится вода (поэтому отсыревшие элек­троды не пригодны для сварки); не рекомендуются также для обма­зок вещества, содержащие кристаллизационную воду или сильно ги­гроскопические. Гасят дугу галоиды, в особенности хлор и фтор и их соединения, борная и фосфорная кислоты и их соединения.

Простейшей тонкой обмазкой является широко известная мело­вая обмазка, состоящая из тонкого порошка мела, сцементирован­ного в прочный слой жидким стеклом. Тонкин порошок мела взбал­тывается в водном растворе жидкого стекла до получения пасты необходимой густоты. Электродные стержни погружаются в пасту и при медленном вытаскивании из неё покрываются равномерным тонким слоем пасты, а затем устанавливаются или подвешиваются в вертикальном положении для подсушки.

Жидкое стекло представляет собой силикат, т. е. соль кремне­вой кислоты щелочных металлов, и является наиболее распростра­нённым приклеивающим веществом для всех типов электродных обмазок, применяемых в настоящее время. Наиболее распростра­нено натровое жидкое стекло, т. е. силикат натрия Na30. (Si02) т Качество жидкого стекла определяется в первую очередь его моду­лем, который равен молекулярному отношению содержащейся в нём

SiO, _

двуокиси кремния и щелочи т= От модуля жидкого стекла

Na^O

зависит клеящая способность стекла, возрастающая с увеличением модуля. Для электродных обмазок применяется жидкое натровое стекло с модулем от 2,2 — до 3,0.

Ввиду простоты изготовления и дешевизны материалов меловая обмазка до настоящего времени имеет широкое распространение в нашей промышленности, несмотря на низкое качество сварки мело­выми электродами. Помимо меловой обмазки применяются и дру­гие тонкие или ионизирующие обмазки, которые сохранили своё значение до настоящего времени, например для сварки малых тол­щин стали — от 0,5 до 2,0 мм.

Примером специальных электродов для сварки малых толщин могут служить электроды МТ, разработанные перед войной в лабо­ратории и под руководством автора инж. Краснощёковым. Состав в весовых процентах обмазки МТ, найденный на основании некото­рых теоретических соображений и многочисленных экспериментов, следующий: титановая руда — концентрат (ильменит)—61; поле­вой шпат — 32, хромовокислый калий (монохромат) КоСЮ4— 7.

Составные части обмазки измельчаются в тонкий порошок и смешиваются в указанном соотношении. Полученная смесь заме­шивается в пасту необходимой густоты на водном растворе декс­трина. Электроды обмакиваются в эту пасту и подсушиваются. Сухую смесь можно замешивать и на водном растворе жидкого •стекла, однако устойчивость дуги при этом будет несколько хуже.

Хромовокислый калий, являющийся одним из наиболее сильных ионизаторов, повышает устойчивость дуги и даёт возможность рабо­тать на очень малых токах, начиная от 20 а, что весьма важно при сварке тонких материалов. Титановая руда и полевой шпат, сплав­ляясь, дают шлак с хорошими физическими свойствами. Электроды с обмазкой МТ в настоящее время применяются заводами, имею­щими дело со сваркой тонкого металла, например взамен газовой сварки, которая обходится дороже и вызывает увеличенное короб­ление изделий.

Тонкие обмазки по своему характеру не исправляют ухудше­ний в химическом составе металла, вызванных процессом сварки, и не защищают расплавленный металл от воздействия окружаю­щего атмосферного воздуха. Поэтому качество наплавленного ме­талла при электродах с тонкой обмазкой получается невысоким и часто не отвечает требованиям, предъявляемым к сварным соеди­нениям ответственных изделий. Например, наиболее распространён­ная тонкая меловая обмазка при электродных стержнях из про­волоки марки Св1 или СвІІ по ГОСТ 2246-51 даёт следующие сред­ние показатели механических свойств наплавленного металла и сварного соединения при основном металле— малоуглеродистой стали Ст. 2 или Ст. 3: предел прочности зь =30—35 кг/мм2 отно­сительное удлинение (на гагаринских образцах) 3=3—8%; ударная вязкость ак = 1 —1,5 кгм/см2', угол загиба (при толщине металла 10—42 мм) а = 40—50°.

Эти показатели резко снижены против показателей для основ­ного металла, в особенности показатели, характеризующие способ­ность металла к пластическим деформациям. Эго совершенно не­допустимо для ответственных сварных изделий, как, например, па­ровых котлов, частей машин, работающих при больших переменных и динамических нагрузках, и т. п. Такое резкое снижение показа­телей механических свойств происходит вследствие значительных неблагоприятных изменений в составе наплавленного металла, вы­зываемых процессом сварки.

Для сравнения приводится химический состав металла электро­да с меловой обмазкой и металла, наплавленного этим электродом (табл. 4). Изменение химического состава сводится к следующему: сильно выгорает углерод, более чем на половину выгорает и испа­ряется марганец, почти начисто выгорает кремний и лишь вредные примеси — сера и фосфор — остаются в том же количестве, что и до сварки. Кроме того, в наплавленном металле в большом коли­честве появляются новые составные части — кислород и азот, по­ступающие из атмосферного воздуха. Количество этих примесей значительно превышает нормы, допускаемые для основного ме­талла. Содержание кислорода возрастает в 5—10 раз, а содержа­ние азота — в 50—100 раз. Особенно характерно высокое содержа­
ние азота в наплавленном металле, делающее металл хрупким. Дол­гое время сварочная техника довольствовалась электродами с тон­кой обмазкой, и для дуговой сварки оставались запрещёнными наи­более важные и ответственные изделия.

Таблица 4

Химический состав электродного стержня и наплавленного металла для электродов с тонкой обмазкой

Содержание в °,а

Стержень электрода.... 0,15 0,50 0,02 0,03 0,03 0,02

___________________________ і_______ і__ __ . ._________

Наплавленный металл. . . ! 0,04 j 0,15 'Следы 0,03 і 0,03 I 0,23