Электродные покрытия и их функции

Свойства электродов

Электроды характеризуют по свойствам наплавленного ими металла, к которым относятся: прочность, пластичность, удлинение, ударная вязкость, твердость, коррозионная стойкость, стойкость против старения, а при наплавочных работах и износостойкость.

Наряду с качеством металла шва, полученного при сварке данным электродом, важное значение имеют и его технологические свойства. К основным технологическим свойствам электрода относят его производительность, пригодность для сварки в различных пространственных положениях, стабильность горения дуги при постоянном и переменном токе, допустимую максимальную и минимальную длину дуги, форму шва, коэффициенты наплавки, расплавления и потерь.

 

Характеристики основного покрытия электродов

Основу этого вида покрытия составляют карбонаты и фтористые соединения. Металл, наплавленный электродами с основным покрытием, по химическому составу соответствует спокойной стали. Благодаря низкому содержанию газов, неметаллических включений и вредных примесей металл шва, выполненный этими марками, отличается высокими показателями пластичности и ударной вязкости при нормальной и пониженной температурах, а также обладает повышенной стойкостью против образования горячих трещин. По механическим свойствам металла шва и сварных соединений марки с основным покрытием относятся к электродам типа Э42А, Э46А, Э50А, Э55 и Э60.

Вместе с тем по технологическим характеристикам электроды с основным покрытием уступают другим видам. Они весьма чувствительны к образованию пор при наличии окалины, ржавчины и масла на кромках свариваемых деталей, а также при увлажнении покрытия и удлинении дуги. Сварка, как правило, производится постоянным током обратной полярности. Перед сваркой электроды в обязательном порядке необходимо прокаливать при высоких температурах (250-4200С).

 

Характеристики рутилового покрытия электродов

Основу покрытия этих маркок составляют рутиловый концентрат (природный диоксид титана). Металл шва, выполненный электродами с рутиловым покрытием, соответствует спокойной или полуспокойной стали. Стойкость металла шва против образования трещин у электродов с рутиловым покрытием выше, чем у марок с кислым покрытием. По механическим свойствам металла шва и сварного соединения большинство марок рутиловых электродов относится к типам Э42 и Э46.

Рутиловые марки обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими видами, а именно обеспечивают стабильное и мощное горение дуги при сварке переменным током, малые потери металла на разбрызгивание, легкую отделимость шлаковой корки, отличное формирование шва. Они мало чувствительны к образованию пор при изменении длины дуги, при сварке влажного и ржавого металла и по окисленной поверхности.

К маркам рассматриваемой группы также относятся электроды с ильменитовым покрытием, занимающими промежуточное положение между кислым и рутиловым покрытиями. В состав покрытия этих марок в качестве основного компонента входят ильменитовый концентрат (природное соединение диоксидов титана и железа).

 

Классификация стальных покрытых электродов по толщине покрытия, допустимым пространственным положениям, роду и полярности тока

 

По толщине покрытия электроды разделяются в зависимости от отношения D/d (D — диаметр покрытого электрода; d — диаметр стержня):

с тонким покрытием (D/d < 1,2). Обозначаются буквой М;

со средним покрытием (D/d < 1,45). Обозначаются буквой С;

с толстым покрытием (D/d < 1,8). Обозначаются буквой Д;

с особо толстым покрытием (D/d > 1,8). Обозначаются буквой Г.

ГОСТ 9466 — 75 предусматривает также три группы электродов — 1, 2, 3, характеризующиеся требованиями к качеству (точности) изготовления электродов, состоянием поверхности покрытия, а также содержанием серы и фосфора в наплавленном металле.

Виды электродов по допустимым пространственным положениям сварки или наплавки

для сварки во всех положениях с условным обозначением 1;

для сварки во всех положениях, кроме вертикального сверху вниз — 2;

для положений нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального снизу вверх — 3;

для нижнего и нижнего в лодочку — 4.

 

Свойства электродов

Электроды характеризуют по свойствам наплавленного ими металла, к которым относятся: прочность, пластичность, удлинение, ударная вязкость, твердость, коррозионная стойкость, стойкость против старения, а при наплавочных работах и износостойкость.

Наряду с качеством металла шва, полученного при сварке данным электродом, важное значение имеют и его технологические свойства. К основным технологическим свойствам электрода относят его производительность, пригодность для сварки в различных пространственных положениях, стабильность горения дуги при постоянном и переменном токе, допустимую максимальную и минимальную длину дуги, форму шва, коэффициенты наплавки, расплавления и потерь.

 

Электродные покрытия и их функции

 

Назначение. Для выполнения ряда функций, позволяющих получить сварной шов требуемых свойств и установленного качества.

Функции основные:

- защита дуги от контакта с газами атмосферы (кислород, азот, водород);

- защита металла сварочной ванны расплавленным шлаком от окисления, азотирования и наводороживания;

- защита кристаллизирующегося шва от зашлаковки, порообразования, кристаллизационных трещин шлаковой системой;

Функции дополнительные: стабилизация npoцессов зажигания дуги и её горения в широком диапазоне рабочих режимов; раскисление металла сварочной ванны; рафинирование металла шва; легирование сварного шва.

 

3. Виды электродных покрытий. Что указывается технич. условиях марки электродов?

 

Стабилизирующее покрытие, в состав которого для повышения устойчивости горения дуги, особенно на переменном токе, вводятся химические соединения калия, натрия, а также карбонатов кальция, магния и бария.

Наличие в покрытии солей щелочных и щелочно-земельных металлов приводит к уменьшению энергии, выделяемой на катоде. Из-за больших потерь в результате угара и разбрызгивания, малой скорости расплавления, отсутствия возможности проводить сварку на повышенных сварочных токах электроды со стабилизирующим покрытием обладают весьма низкой производительностью.

 

Кислое (руднокислое) покрытие, основу которого составляют оксиды марганца, железа, кремния. Газовая защита осуществляется органическими компонентами, сгорающими в процессе плавления электрода. В качестве раскислителей в покрытие вводят ферромарганец. С энергетической точки зрения электроды с названным покрытием имеют ряд преимуществ: характеризуются достаточно высокой скоростью расплавления, обеспечивают сварку на форсированных режимах. Электроды с кислым покрытием обладают также высокой проплавляющей способностью. Они наиболее технологичны при сварке в нижнем положении, но могут быть использованы и для выполнения вертикальных и горизонтальных швов.

 

Окислительное покрытие содержит преимущественно оксиды железа и различные силикаты (каолин, тальк, слюду, полевой шпат и т. д.). Большинство электродов с окислительным покрытием вообще не содержат раскислителей. В некоторые композиции вводят небольшое количество ферромарганца.

Шлак при сварке этими электродами тяжелый, плотный, но очень хорошо отделяющийся. В большей части случаев он способен к самоотделению даже при сварке в разделку.

Электроды с таким покрытием имеют низкую проплавляющую способность. Шлак и металлическая ванна весьма жидкотекучи. Поэтому их использование преимущественно ограничено сваркой горизонтальных или вертикальных угловых швов, а также угловых швов «в лодочку».

В странах бывшего СССР электроды рассматриваемого вида практически не применяли. За рубежом их используют главным образом при сварке неответственных конструкций для выполнения декоративных гладких мелкочешуйчатых швов, особенно узких, т. е. в тех случаях, когда требуются невысокие характеристики механических свойств металла швов.

 

Рутиловое покрытие состоит преимущественно из рутила с добавками полевого шпата, магнезита и других шлакообразующих компонентов. Вместо рутила в покрытии может содержаться 45—50% ильменита. Для создания газовой защиты в покрытие вводят органические вещества (целлюлозу, декстрин) и карбонаты.

В качестве легирующего и раскисляющего компонента используют ферромарганец. При комплексном раскислении увеличивается склонность металла шва к образованию пор.

В целях повышения коэффициента наплавки в покрытия этого вида часто вводится порошок железа.

 

Электроды с рутиловым покрытием обладают высокими сварочно-технологическими свойствами, обеспечивают получение швов с гладкими и плавными очертаниями во всех пространственных положениях. Весьма широко используются в промышленности и строительстве.

 

Целлюлозное покрытие содержит преимущественно органические составляющие для образования большого количества газов. В качестве шлакообразующей основы чаще всего используют рутилосиликатные компоненты. В дополнение к этому покрытие электродов содержит иногда ряд специальных компонентов, например асбест.

Раскисление сварочной ванны чаще всего осуществляется с помощью ферромарганца, поскольку введение активных раскислителей (ферротитана и особенно ферросилиция) увеличивало бы чувствительность металла шва к образованию пор.

 

Электроды с целлюлозным покрытием характеризуются высокой проплавляющей способностью и значительной скоростью расплавления. Они обеспечивают сварку во всех пространственных положениях, в том числе сварку сверху вниз, с Высокой линейной скоростью, достигающей 25 м/ч. Сварка корневого шва производится методом опирания с формированием обратной стороны шва. Поэтому при сварке отпадает необходимость подварки швов изнутри и обеспечивается наиболее благоприятная, с точки зрения работоспособности, форма проплавления сварных соединений. Электроды с покрытием этого вида наиболее широко применяют в отечественной практике для сварки стыков магистральных трубопроводов.

К недостаткам следует отнести повышенные потери электродного металла на разбрызгивание, образование узких трещиноподобных подрезов по свариваемым кромкам, грубочешуйчатую поверхность швов, высокий уровень содержания в металле швов диффузионно-подвижного водорода.

 

Основное покрытие составляется преимущественно на базе карбоната и фторида кальция (другие фторидные соединения используют значительно реже). Газовая защита создается струей СO2, образующейся при диссоциации карбоната кальция в процессе нагрева и плавления покрытия. В качестве раскислителей покрытие может включать ферросилиции, ферромарганец, ферротитан и алюминий.

Для легирования металла шва в покрытие могут быть введены металлические порошки.

Сварку электродами с основным покрытием осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Для сварки переменным током необходимы специальные меры: дополнительное введение в состав покрытия ионизаторов, применение электродов со специальным двухслойным покрытием и т. д.

Основной шлак, как правило, пригоден для сварки во всех пространственных положениях. Вместе с тем для обеспечения сварки сверху вниз ему необходимо придать специальные физические свойства. Технологичность основного покрытия при сварке корневых швов обычно хуже по сравнению с целлюлозным.

К недостаткам основного покрытия следует отнести низкую технологичность при сварке переменным током; трудности при изготовлении электродов, в частности использование специальных добавок — пластификаторов; чувствительность к образованию пор при увлажнении покрытия и наличии влаги, окалины или ржавчины на свариваемых кромках. В связи с высокой степенью раскисления сварочная ванна адсорбирует водород в значительно больших количествах по сравнению с нераскисленной. Поэтому необходимо строго ограничивать содержание влаги в электродном покрытии путем высокотемпературной прокалки их на заводах-изготовителях, повторной прокалки перед сваркой, хранением непосредственно перед сваркой в специальных термопеналах и т. п.

В отечественной практике и за рубежом основное покрытие используется преимущественно при изготовлении электродов специального назначения: высокопрочных, хладостойких, жаропрочных, коррозионностойких и т. д.

 

Рутилкарбонатные и карбонатно-рутиловые покрытия появились в результате попыток объединить преимущества рутиловых и основных покрытий. В результате несколько повышаются вязкость и пластичность металла швов по сравнению со швами, выполненными рутиловыми электродами. В дополнение к этому улучшаются сварочно-технологические свойства электродов в сравнении, например, с электродами основного вида при одновременном снижении чувствительности к образованию пор в металле швов.

 

Специальные электродные покрытия относятся к так называемым гидрофобным покрытиям. Необходимость в указанных покрытиях возникает, например, при выполнении сварочных работ в особо влажных условиях: при повышенной влажности атмосферы, под водой и т. д. Имеются два пути создания гидрофобных покрытий: в обычное связующее электродных покрытий (жидкое стекло) добавляют до 10% специальных кремнийорганических соединений — гидрофобных полимеров, в качестве которых могут быть использованы также синтетические смолы, лаки и т. д. Введение полимеров позволяет в процессе полимеризации в смеси с отвердителем (рудоминеральными компонентами) получить гидрофобную смолу сложного состава, заполняющую поры между частицами покрытия и перекрывающую пути проникания влаги во внутренние слои покрытия; замена силикатного связующего полимеризующимся органическим, обладающим рядом специальных физико-химических свойств (необходимой вязкостью, адгезией к металлу; пластифицирующей способностью; подходящим режимом отверждения и т. д.).

При использовании в качестве связующих полимеров удается в несколько раз снизить содержание влаги в электродном покрытии и сохранить необходимую механическую прочность при работе во влажной атмосфере и под водой.

Указанная классификация электродных покрытий, принятая по международной стандартизации (стандарт ИСО 2560—73), в определенной мере условна даже применительно к электродам общего назначения. В странах бывшего СССР и за рубежом имеется ряд промежуточных покрытий, а для электродов специального назначения, предназначенных, например, для сварки и наплавки цветных металлов и их сплавов — специфических, не поддающихся классификации по группам.

 

4. Характеристики кислого покрытия электродов

Марки электродов с кислым покрытием: ОММ-5, СМ-5, ЦМ-7, МЭЗ-4 и др.

По механическим свойствам наплавленного металла электроды с кислым покрытием, нанесенными на стержни из стальной низкоуглеродистой сварочной проволоки Св-08, Св-08А (ГОСТ 2246-70), соответствует типу электродов Э38 и Э42 по ГОСТ 9467-75.

Шлаковую основу кислых покрытий составляют руды, содержащие в основном окислы железа (гематит - Fe2O3) и марганца (марганцевая руда - MnO2), иногда титана, кремнезем.

Все кислые покрытия имеют окислительный характер, который обусловлен выделением в сварочную дугу при их плавлении свободного кислорода из руд, связывание которого происходит недостаточно. Это приводит к большим потерям легирующих элементов в процессе сварки, поэтому электроды с кислыми покрытиями не рекомендуются для сварки высоколегированных сталей.

В качестве газозащитного материала кислые покрытия содержат органические вещества (крахмал, декстрин, оксицеллюлозу и др.), которые при разложении в дуге вместе с образованием защитного газа — окиси углерода образуют также водород, растворяющийся в жидком металле.

Наводороживание металла шва, а вследствие диффузии и металла околошовной зоны является существенным недостатком кислых покрытий, что ограничивает возможность их использования для сварки закаливающихся углеродистых и легированных сталей, склонных к образованию холодных трещин вследствие охрупчивающего действия водорода.

Металл, наплавленный электродами с кислыми покрытиями, нанесенными на стержни из низкоуглеродистой сварочной проволоки Св-08 и Св-08А, по составу соответствует, как правило, кипящей стали и содержит до 0,1% кремния.

При увеличении раскисленности металла шва (повышении содержания в нем кремния более 0,1—0,2% и марганца более 0,8—0,9%) появляется склонность к образованию пор, основной причиной которых является выделение водорода в процессе кристаллизации сварочной ванны.

Металл шва, выполненный электродами с кислыми покрытиями, склонен к образованию горячих трещин при содержании в нем углерода более 0,15%, поэтому их не следует применять для ручной дуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей, содержащих более 0,3% углерода.

Относительно высокое содержание кислорода в металле, наплавленном кислыми электродами, обусловливает умеренную величину его ударной вязкости (9-15 кгс·м/см2) и большую склонность к «механическому старению», которое снижает ударную вязкость примерно в два раза.

К недостаткам электродов с покрытиями этого вида следует отнести также повышенное разбрызгивание металла и токсичность вследствие выделения при сварке значительного количества марганцовистых соединений.

Вместе с тем электроды с кислыми покрытиями имеют ряд существенных преимуществ. Они малочувствительны к образованию пор в швах при наличии ржавчины и окалины на кромках свариваемого металла, что объясняется способностью их шлаков связывать закись железа в нерастворимые в металле комплексные соединения — силикаты и титанаты (FeO·Si02, FeO·Ti02). Это способствует интенсивному протеканию процессов диффузионного раскисления жидкого металла на границе металл-шлак и уменьшает насыщение металла шва кислородом.

Этим же обусловлена малая чувствительность электродов с кислыми покрытиями к пористости металла шва при сварке длинной дугой (при повышенном напряжении на дуге). Их достоинством является также хорошая стабильность горения дуги при сварке переменным током, легкое зажигание дуги при относительно небольшом напряжении холостого хода сварочного трансформатора (60—70В) и высокая производительность. Для ряда марок электродов (ЦМ-7 и др.) коэффициент наплавки достигает 11 —12 г/А·ч. При умеренной толщине покрытия (вес покрытия составляет не более 35% веса покрытой части стержня) кислые электроды пригодны для сварки во всех пространственных положениях швов (положения сварки плавлением - ГОСТ 11969-79).

Перечисленные особенности этих электродов определяют область их применения в основном для сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей, применяемых в строительстве и машиностроении, но ввиду их токсичности, применение их ограничено.