Электроды для сварки, их виды, назначение электродов, классификация электродов

Свойства электродов. Прочность и надежность свар­ного соединения и шва, а следовательно, и всей сварной конструкции в целом прежде всего зависит от применяе­мых электродов при соблюдении установленной техноло­гии сварки.

При выборе электродов для проведения сварочных работ всегда следует предусматривать получение свойств металла шва не ниже свойств основного металла.

Электроды оценивают по устойчивости горения дуги, плавлению, защите металла сварочной ванны, пригод­ности для сварки в различных пространственных положе­ниях, качеству формирования сварного шва, степени загрязнения окружающей среды (газы, пылевидные час­тицы), возможности обеспечения высокой производитель­ности сварки, стойкости покрытия против механических повреждений (осыпание, скалывание).

Основные технологические свойства электродов опре­деляются следующими показателями: род тока (постоянный, переменный); полярность (прямая, обратная) постоян­ного тока; рекомендуемая сила сварочного тока для элект­родов разных диаметров; коэффициент наплавки; степень перехода металла стержня в сварной шов. Технологиче­ские свойства электрода зависят от химического состава металла электродного стержня, состава и качества нанесе­ния электродного покрытия.

Назначение покрытий. Электродные покрытия должны обеспечивать стабильность горения сварочной дуги и получение металла шва с заранее заданными свойствами (прочность, стойкость к высоким температурам и др.).

Электродные покрытия выполняют ряд функций.

Стабилизация горения дуги достигается сниже­нием потенциала ионизации воздушного промежутка между электродом и свариваемой деталью. Для устойчи­вого горения дуги в покрытие вводят вещества (соли щелочных металлов, калиевое и натриевое жидкое стекло и др.), содержащие элементы с низким потенциалом ионизации (калий, натрий).

Газовая защита зоны сварки и расплавленного металла создается при сгорании газообразующих веществ и предохраняет расплавленный металл от воздействия кислорода и азота. Газообразующие вещества входят в покрытие в виде неорганических соединений (мрамор СаСО₃, магнезит М&СО₃ и др.) и органических соединений (древесная мука, целлюлоза, крахмал и др.)

Минералы - мрамор и магнезит - при температуре -900 °С разлагаются с образованием углекислого газа, который тяжелее воздуха и поэтому вытесняет его из зоны горения дуги, что обеспечивает газовую защиту/

Органические вещества - мука, крахмал, дессоциируют при температуре -200 °С:

Обычно 10 г расплавленного электрода выделяет 1000-1500 см³ защитного газа, что обеспечивает достаточно надежное оттеснение воздуха из зоны сварки.

□ Раскисление металла сварочной ванны обеспечи­вается элементами, обладающими большим сродством с кислородом, чем железо, и связывающими кислород. К ним относятся кальций, алюминий, титан, кремний, мар­ганец, хром и др. Эти элементы, находясь в расплавлен­ном металле сварного шва, легче вступают в химические соединения с кислородом и, будучи сами нерастворимыми в стали или имея ограниченную растворимость, в виде оксидов всплывают на поверхность сварочной ванны:

Большинство раскислителей входят в покрытие не в чистом виде, а в виде ферросплавов (ферромарганца, фер­росилиция и др.). Алюминий как раскислитель вводится в покрытие в виде порошка (пудры).

Шлаковая защита служит для защиты расплав­ленного металла от воздействия кислорода и азота воздуха путем образования шлаковых оболочек на поверхности капель электродного металла, переходящих через дуговой промежуток, и для создания шлакового покрова на поверх­ности расплавленного металла сварочной ванны и шва. Шлаковое покрытие уменьшает скорость охлаждения и кристаллизацию металла шва, способствует выходу из него газовых пузырьков и неметаллических включений. Шлакообразующими компонентами покрытий являются: титановый концентрат, марганцевая руда, каолин, мра­мор, мел, кварцевый песок, доломит, полевой шпат, гра­нит и др. В качестве шлакообразующих компонентов выступают оксиды. Например, гранит содержит 70%, 20% Аl₂О₃, 5% СаО.

Легирование металла шва придает специальные свойства наплавленному металлу (в основном повышает механические свойства, а также износостойкость, жаро­стойкость, сопротивление коррозии). Наиболее часто при­меняются такие легирующие компоненты, как хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, титан и др. Леги­рование металла шва иногда производится специальной проволокой, содержащей нужные элементы. Чаще металл шва легируют введением специальных компонентов в

виде ферросплавов или чистых металлов в покрытие элект­рода. Это требуется для возмещения выгоревших при сварке легирующих компонентов сталей.

Закрепление покрытия на электродном стержне осуществляют с помощью специальных веществ, которые называют связующими компонентами. Они скрепляют порошковые материалы покрытия в однородную массу. Чаще всего в качестве таких компонентов используют водные растворы силикатов натрия и калия, называемые натриевым или калиевым жидким стеклом, а также, желатин, пластмассы и др. После высы­хания они скрепляют покрытие.

Пластические свойства покрытия обеспечивают формо­вочные добавки (пластификаторы) - бетонит, каолин, декстрин, слюда и др. Некоторые материалы покрытия выполняют одновременно несколько функций. Напри­мер, мрамор является стабилизирующим, газозащитным и шлакообразующим компонентом.

С целью повышения производительности сварки в по­крытие добавляют железный порошок, содержание кото­рого может составлять до 60% массы покрытия.

Электроды бывают тонкопокрытые (с тонким слоем обмазки), со средним по толщине слоем покрытия, толсто­покрытые и с особо толстым покрытием.

Толстопокрытые электроды часто называют каче­ственными электродами или электродами с качествен­ной обмазкой. Некоторые из них имеют толщину слоя покрытия 3 мм.

Тонкое покрытие электродов обеспечивает только устойчивое горение дуги при сварке. Такие электроды применяют для сварки неответственных конструкций из низкоуглеродистых сталей, поскольку небольшое коли­чество образующихся газов и шлаков не дает надежную защиту сварочной ванны.

Толстое покрытие электродов обеспечивает устойчи­вое горение сварочной дуги и получение сварных соедине­ний, обладающих высокими механическими свойствами. Эти электроды используют для сварки ответственных конструкций различного назначения.

Электроды с толстым покрытием создают при сварке газовую и шлаковую защиту, стабилизируют дугу, рас­кисляют расплавленную ванну металла, легируют наплавленный металл, формируют сварной шов. Такие электроды в зависимости от назначения подразделяют на электроды для сварки конструкционных, легированных сталей и для наплавки.

Электроды с особо толстым покрытием используют для высокопроизводительной сварки.

Газовая защита наплавленного металла от кислорода и азота воздуха зависит от качества электродного по­крытия. Например, если при сварке голым электродом содержание кислорода и азота в шве составляет соответ­ственно 0,221 и 0,11%, то при сварке электродами УОНИ-13/45 их содержание уменьшается до 0,02 и 0,025%.

Электродные покрытия влияют на механические свойства металла шва. Наиболее высокие механические свойства (временное сопротивление, относительное удли­нение, ударная вязкость) металла шва достигаются при использовании электродов с толстыми покрытиями.

Масса толстых электродных покрытий составляет 30-40% массы электродного стержня. Для приготовления обмазочной пасты к сухой смеси добавляют 30% водного раствора жидкого стекла. Повысить производительность сварки можно введением в покрытие электродов желез­ного порошка. В зависимости от процентного содержания железного порошка в обмазке (5-50%) коэффициент наплавки увеличивается в 1,5-2 раза.

Наиболее простая тонкая обмазка для электродов -мел, сцементированный жидким стеклом. В состав тон­кого покрытия могут быть введены гранит, соединения кальция в виде природных минералов, полевой шпат, а также мел, мрамор и другие компоненты.

Вещества, входящие в состав покрытия, вместе с элект­родным стержнем при сварке плавятся и испаряются,

активно насыщая дуговой воздушный промежуток элект­рическими зарядами - электронами и ионами.

Пары кальция и некоторых других элементов легко ионизируются. Благодаря этому дуга между электродом и сварочной ванной горит устойчиво, стабильно. Поэтому тонкие покрытия называют стабилизирующими, а также ионизирующими, так как они усиливают ионизацию дуго­вого промежутка. Толщина стабилизирующего покрытия 0,1-0,25 мм, а масса его составляет 1-5% массы электрод­ного стержня.

При сварке электродами с тонким покрытием образую­щееся при их плавлении количество газов и шлака очень мало и недостаточно для хорошей защиты расплавленного металла от вредного воздействия азота и кислорода воз­духа. При сварке такими электродами выгорают углерод, марганец, кремний. В результате получается сварное соединение с низкими механическими свойствами.

Органические соединения, а также мрамор, мел, извест­няк, входящие в обмазку электрода, разлагаются под действием высокой температуры вблизи торца электрода. Образующиеся при этом газы нагреваются, расширяются, оттесняя окружающий воздух.

Шлак образуется за счет химического взаимодей­ствия металла сварочной ванны с компонентами элект­родного покрытия (полевым шпатом, марганцевой рудой, кварцевым песком, мелом, мрамором и др.). Температура плавления шлака достигает -1200 °С. Незначительная его вязкость способствует хорошему формированию сварного шва. Шлаки не имеют строго определенной температуры плавления. С увеличением температуры шлака его вязкость постепенно снижается и он переходит в жидкое состояние. При понижении же температуры вязкость шлака постепенно возрастает и он затвердевает.

Разные составы электродных покрытий дают шлаки, затвердевающие с различной скоростью. Для хорошего формирования шва предпочтительны шлаки, которые переходят из твердого состояния в жидкое и наоборот в небольшом температурном интервале.

Изготовление электродов. Приготовление электрод­ного покрытия на стержень заключается в измельчении компонентов, составляющих покрытие, перемешивании их и, наконец, замешивании порошков на жидком стекле.

Покрытие (обмазку) наносят на электродные стержни двумя способами: окунанием и опрессовкой.

Качество нанесенного покрытия характеризуется его равномерностью по длине стержня, толщиной, концент­ричностью расположения относительно стержня.

При нанесении покрытия на электродные стержни окунанием нужно периодически перемешивать обмазоч­ную массу, извлекать электрод из этой массы вертикально и с постоянной скоростью. Нельзя допускать стенание покрытия по стержню при сушке электрода. Нанесение покрытия на стержень опрессовкой выполняют в специ­альных обмазочных станках.

Технология изготовления электродов оказывает влия­ние на их сварочно-технологические характеристики и физико-химические свойства наплавленного металла. Согласно стандарту электроды с покрытием изготавли­вают из проволоки диаметром 1,6-12 мм длиной 250-450 мм. Наибольшее применение получили электроды диаметром 4 и 5 мм, длиной 400-450 мм.

Виды электродных покрытий. Электродные покрытия могут обеспечивать разную защиту. У одних преобладает газовая защита, у других - шлаковая. По-разному может осуществляться выведение из металла шва такого неже­лательного элемента, как водород - за счет кислорода или за счет фтора. Различной может быть степень очищения металла шва от серы и фосфора.

Различают шесть видов электродных покрытий: А, Б, Р, Ц, П и смешанное.

А - кислое покрытие, отличается тем, что в его состав входят образующие шлаковую защиту различные руды и материалы, содержащие большое количество кислорода, например гематит содержит 92% Fе₂О₃, гранит - 66-71%, 15-20% А1₂О₃ и т.п.

Для удаления кислорода и восстановления железа из оксидов применяют ферросплавы, для газовой защиты вводят органические примеси - крахмал, декстрин. В сва­рочной ванне происходит активное раскисление железа, она кипит, что способствует дегазации металла. Для этих

покрытий невозможно легирование шва вследствие окис­ления легирующих элементов.

Сварка электродами с этим покрытием возможна на постоянном (прямой и обратной полярности) и пере­менном токах во всех положениях. Допускается сварка при небольшой ржавчине и окалине, однако в этом случае увеличивается разбрызгивание. Кроме того, металл шва склонен к образованию кристаллизацион­ных трещин.

Вследствие применения ферромарганца выделяется значительное количество токсичных марганцевых соеди­нений, что ограничивает использование таких покрытий.

Наиболее распространены электроды с кислыми по­крытиями марок ОММ-5 и ЦМ-7.

Б - основное покрытие содержит фтористокальциевые соединения (плавиковый шпат, в котором более 75%. карбонаты кальция - мрамор, мел, в которых более 92% СаСО₃) и ферросплавы.

При расплавлении это покрытие выделяет большое количество углекислого газа, образующегося вследствие диссоциации карбонатов. Кальций хорошо рафинирует металл шва, извлекая из него серу и фосфор. Фтор связы­вает водород в соединение НГ и выводит его из шва. Содержание фтора ограничивают, поскольку он снижает устойчивость горения дуги.

Электроды с основным покрытием предназначены для сварки постоянным током обратной полярности во всех положениях. При сварке переменным током в покрытие добавляют более активные стабилизаторы - калиевое жидкое стекло, поташ и др.

Металл, наплавленный электродами с основным по­крытием, обладает высокими механическими показате­лями, особенно ударной вязкостью при положительных и низких температурах, не склонен к образованию горячих и холодных трещин, содержит минимальное количество кислорода и азота. Эти электроды применяют для сварки наиболее ответственных конструкций, а также для сварки деталей, имеющих большие сечения.

Недостатком основных покрытий является их повы­шенная склонность к образованию пор при увеличении длины дуги, наличии ржавчины на свариваемых кромках, а также при сварке непрокаленными (влажными) электродами.

Другой недостаток этих покрытий - пониженная устой­чивость горения дуги, обусловленная наличием в покры­тии фтора, обладающего высоким потенциалом иони­зации. Поэтому сварку обычно производят постоянным током.

Сварка электродами с основным покрытием должна вестись короткой дугой и при хорошей очистке сваривае­мых кромок от ржавчины, окалины, масла и влаги для избежания образования пористости в швах.

Наиболее известны электроды марок УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, ТМУ-21 и др.

Широко используют электроды марки АНО-11 с фто­ристо-кальциевым покрытием. Они предназначены для сварки переменным и постоянным током ответственных конструкций из низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и низколегированных сталей. Этими электродами можно сваривать швы в различных пространственных положе­ниях, они обладают хорошими сварочно-технологическими свойствами (легкая отделяемость шлаковой корки, незначительные потери расплавленного металла на раз­брызгивание). Вредных выделений при этом значи­тельно меньше, чем при сварке электродами других марок с аналогичным покрытием. Металл сварного шва обладает высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью.

Р - рутиловое покрытие, которое содержит 50% рутилового концентрата в виде оксида титана, а также карбонаты кальция - мрамор, тальк, мусковит, магнезит, ферросплавы, целлюлозу. Газовая защита происходит за счет диссоциации материалов и органической составляю­щей. Раскисление и легирование металла шва обеспечива­ется ферросплавами.

Электроды с таким покрытием позволяют получить плотный металл сварного шва при наличии ржавчины на свариваемых кромках, незначительное разбрызгивание электродного металла при сварке, они пригодны для сварки постоянным и переменным током во всех про­странственных положениях, обеспечивают устойчивое горение сварочной дуги, обладают хорошими технологическими свойствами и применяются для сварки низкоуг­леродистых сталей.

Наиболее распространены электроды марок АНО-4, ЛНО-21, АНО-24, ОЗС-4, МР-3.

Ц - целлюлозное покрытие содержит в основном оксицеллюлозу или аналогичные ей органические вещества, а также рутил и ферросплавы. Это покрытие при расплавлении выделяет много защитного газа и небольшое количество шлака, необходимого для про­цесса раскисления. Электроды с таким покрытием при­годны для сварки во всех пространственных положениях постоянным током и употребляются в основном для сварки первого слоя стыков трубопроводов. Основной недостаток - повышенное разбрызгивание электродного металла при сварке.

Наиболее известны электроды марок ВСЦ-4, ВСЦ-4А.

Смешанные покрытия обозначают двойной буквой, например БЦ - покрытие основного типа со значитель­ным количеством целлюлозы.

Покрытия, обозначенные буквой П, не имеют явно выраженного кислого, основного, целлюлозного или рутилового состава.

Существуют сотни марок штучных электродов. Однако только незначительное количество их широко использу­ется в сварочном производстве. При выборе электродов учитывают возможность получения требуемых механи­ческих и других свойств металла шва. Каждому типу электрода может соответствовать несколько марок, кото­рые различаются составом покрытия.

В технических условиях каждой марки электрода ука­заны характеристики покрытия, область применения электродов, марка стержня, рекомендуемое простран­ственное положение, технологические особенности, реко­мендуемые электрический ток (постоянный, переменный) и полярность, диаметр сварочного тока, коэффициент наплавки, характеристика перехода металла стержня в сварной шов, механические свойства и химический состав наплавленного металла и др.

Длина электрода. От длины электрода зависит удоб­ство управления процессом сварки. Чем длиннее электрод, тем неудобнее выполнять сварку. Однако при сварке короткими электродами увеличиваются потери времени и электродов в результате более частой их смены.

На выбор оптимальной длины электрода влияют его диаметр и физические свойства металла стержня. Суще­ственное значение имеет электрическое сопротивление металла стержня. Чем больше сопротивление, тем мень­шей должна быть длина электрода. Например, электроды для сварки коррозионно-стойких сплавов несколько короче, чем электроды для сварки углеродистой стали, при прочих равных условиях.

С уменьшением диаметра электрода сокращают его длину (электрическое сопротивление электродного стержня возрастает с уменьшением диаметра электрода, и при большой его длине электрод будет перегреваться).

Производительность сварки. Коэффициент расплав­ления электрода а_р определяется массой расплавленного электродного металла, приходящегося на один ампер силы тока в течение часа горения дуги.

Расплавленный электродный металл не полностью переносится в сварной шов, часть его теряется на разбрыз­гивание, испарение и угар при горении дуги.

Коэффициент наплавки как правило, меньше коэф­фициента расплавления на величину потерь металла.

Коэффициент расплавления электрода в зависимости от марки покрытия составляет 7-22 г/А ∙ч, а коэффици­ент наплавки меньше на 1-3 г/А ∙ ч.

Коэффициент наплавки может быть равен коэффи­циенту расплавления а_р или превышать его, если в состав обмазки введен железный порошок.

Коэффициент потерь обычно составляет 3-30%.

Коэффициенты расплавления и наплавки определяют опытным путем для каждой марки покрытия и используют для нормирования расхода электродов и времени сварки.

Производительность сварки тем больше, чем больше коэффициент наплавки. Он колеблется в пределах 7-22 г/А ∙ч. С увеличением сварочного тока и продолжи­тельности горения дуги масса наплавленного металла увеличивается.

Для определения производительности наплавки при сварке штучными электродами коэффициент наплавки

данных электродов следует умножить на силу тока. Например, при сварке током 180 А и коэффициенте наплавки 7 г/А ∙ч

Масса наплавленного металла и масса расплавленного металла электрода не одинаковы. Часть металла элект­рода теряется на угар, разбрызгивание и испарение. Потери при сварке не должны превышать 3%.