Покрытые электроды для дуговой сварки и наплавки

Покрытый электрод — это плавящийся электрод для дуговой сварки, имеющий на поверхности покрытие, адгезионно связанное с металлом электрода. Электрод для ручной дуговой сварки (рис. 7.1, в) представляет собой стержень длиной до 450 мм, изготовленный из сварочной проволоки, на поверхность которой нанесён слой покрытия 9. Один из концов электрода 10 на длине30 мм освобожден от покрытия для зажатия его в электрододержателе с целью обеспечения электрического контакта. Торец 8 другого конца очищен от покрытия для возможности возбуждения дуги.

Покрытие электрода — смесь веществ, нанесенная на электрод для усиления ионизации, защиты от неблагоприятного воздействия среды и металлургической обработки металла сварочной ванны.

Состав покрытия. В покрытие электрода вводят ионизирующие, газо- и шлакообразующие, легирующие, раскисляющие, связующие и формовочные материалы (компоненты).

Ионизирующие, или стабилизирующие, компоненты применяют для обеспечения устойчивого горения дуги. Они содержат элементы с низким потенциалом ионизации, такие, как калий и кальций, которые входят в состав мела, полевого шпата и гранита, а также натрий.

Газообразующие компоненты служат для обеспечения газовой защиты зоны дуги и сварочной ванны. К ним относятся органические вещества (крахмал, пищевая мука, декстрин и др.), а также неорганические, обычно карбонаты (мрамор СаСО3, магнезит MgСО3и др.). Газовая защита образуется в результате диссоциацииорганических веществ при температуре выше 200 °С и диссоциации карбонатов при температуре около 900 °С. Процесс диссоциации происходит недалеко от торца электрода. При обычном составе электродных покрытий на каждый грамм металла электродного стержня выделяется 90… 120 см3 защитного газа, состоящего из углекислого газа СО2, угарного газа СО, водорода Н2 и кислорода О2.При этом обеспечивается достаточно надежное оттеснение воздуха из зоны сварки и попадание очень небольшого количества азота в металл шва (0,02…0,03 %).

Шлакообразующие компоненты вводят для образования жидких шлаков. В качестве шлакообразующих используют руды и минералы: ильменит, рутил, полевой шпат, кремнезем, гранит, мрамор, плавиковый шпат и др. В состав шлакообразующих компонентов входят оксиды СаО, MgO, МnО, FeO, А12О3, SiО2, ТiO2 и Na2О, плавиковый шпат CaF2 и др. Жидкий шлак, покрывая расплавленный металл электродных капель и сварочной ванны, химически взаимодействует с ним, раскисляет металл шва и связывает оксиды в легкоплавкие соединения. В то же время происходит легирование металла шва элементами, содержащимися в шлаке.

Легирующие компоненты предназначены для повышения механических характеристик металла шва, придания ему жаростойкости, износостойкости, коррозионной стойкости и других свойств. Легирующими элементами служат хром, марганец, титан, ванадий, молибден, никель, вольфрам и др. Их вводят в покрытие в составе ферросплавов и в виде чистых металлов.

Раскисляющие компоненты вводят для восстановления части расплавленного металла, входящего в состав оксидов. К ним относятся элементы, имеющие большее, чем железо (при сварке сталей), сродство к кислороду и другим элементам, оксиды которых требуется удалить из металла шва. Большинство раскислителей вводятся в электродное покрытие в виде ферросплавов.

Связующие компоненты применяют для связывания порошковых составляющих покрытия в однородную вязкую массу, которая должна крепко удерживаться на стержне электрода при опрессовке и образовывать прочное покрытие после сушки и прокалки. В качестве связующих чаще всего применяют водные растворы натриевого (Na2O • SiO2) или калиевого (К2O • SiО2) жидкого стекла.

Формовочные компоненты (бентонит, каолин, декстрин, слюда и др.) — вещества, придающие обмазочной массе лучшие пластические свойства.

Некоторые материалы в покрытии выполняют несколько функций. Так, например, мрамор является одновременно стабилизирующим, шлакообразующим и газозащитным компонентом, а ферросплавы — легирующими и раскисляющими компонентами.

Покрытие электродов оказывает существенное влияние на весь процесс сварки. Оно должно плавиться равномерно, без чрезмерного разбрызгивания, отваливания кусков и образования козырька, препятствующего нормальному плавлению электрода. Состав покрытия определяет такие важные технологические характеристики электродов, как род и полярность сварочного тока, возможность сварки в различных пространственных положениях или определенным способом (сварка опиранием, наклонным электродом и т.д.). Состав покрытия электродов и свойства образующихся шлаков влияют на силу тока, рекомендуемого для сварки.

Для получения высококачественных сварных швов покрытие электрода должно удерживаться на металлическом стержне и быть сплошным до окончания использования электрода, чтобы обеспечить необходимую защиту зоны сварки. Поэтому температура нагрева металлического стержня, определяемая силой сварочного тока, ко времени окончания расплавления электрода не должна превышать 500 °С, а при наличии покрытий, содержащие органические вещества, — 250 °С.

Все электродные покрытия должны обеспечивать при их плавлении более низкую плотность шлака по сравнению с плотностью жидкого металла, что позволяет шлаку всплывать из сварочной ванны. Температурный интервал затвердевания шлака должен быть ниже температуры кристаллизации металла сварочной ванны для пропускания выделяющихся из нее газов. Наилучшими свойствами при сварке обладают шлаки, температура плавления которых составляет 1 100… 1 200°С.

В соответствии с характером зависимости вязкости шлака от температуры различают «длинные» и «короткие» шлаки. «Длинные» шлаки, у которых переход от жидкого к твердому состоянию происходит при значительном изменении температуры, при прочих равных условиях хуже обеспечивают формирование шва у «коротких» шлаков возрастание вязкости расплава с понижением температуры происходит быстро, и закристаллизовавшийся шлак препятствует стеканию металла шва, находящегося в жидком состоянии при сварке в различных пространственных положениях. «Короткие» шлаки обеспечивают электроды с основные покрытием. Чем меньше вязкость шлака, тем больше его подвижность, физическая и химическая активность, тем быстрее протекают в нем химические реакции и физические процессы растворения оксидов, сульфидов и т.п. Кислые шлаки обычно бывают очень вязкими и «длинными», причем вязкость возрастает с повышением кислотности.

Затвердевшие шлаки должны иметь небольшое сцепление с металлом. Коэффициенты линейного теплового расширения шлака и металла должны иметь разные значения для более легкого отделения шлака от шва.

Виды электродных п о к р ы т и й. ГОСТ 9466-75 подразделяет электроды на следующие виды: А — кислое; Б — основное; Ц — целлюлозное; Р — рутиловое; П — прочие виды. Покрытие смешанного вида имеет соответствующее двойное обозначение. Если в покрытии содержится более 20% железного порошка, то к обозначению вида покрытия добавляют букву Ж.

У электродов с кислым покрытием (А) шлакообразующую основу составляют железные (гематит Fe2О3) и марганцевые руды (МnО2), а также кремнезем (SiO2). Газовая защита расплавленного металла осуществляется органическими компонентами, сгорающими в процессе плавления электрода. В качестве раскислителя в покрытие вводят ферромарганец. Образующиеся кислые шлаки не содержат СаО и не очищают металл от серы и фосфора. В наплавленном металле много растворенного кислорода (до 0,12%), водорода (до 15 см3 в 100 г металла) и неметаллических включений. В результате швы обладают невысокой стойкостью к образованию горячих трещин и пониженной ударной вязкостью.

Электроды непригодны для сварки сталей, легированных кремнием и другими элементами, так как они интенсивно окисляются и возможно образование пор. При сварке выделяется токсичная пыль, содержащая оксиды марганца и кремния, и наблюдается повышенное разбрызгивание.

Достоинствами таких электродов являются стабильное горение дуги на постоянном и переменном токах, а также при ее случайном удлинении, возможность сварки в различных пространственных положениях, отсутствие пор при наличии на свариваемых поверхностях окалины или ржавчины, довольно большая скорость расплавления и высокая проплавляющая способность.

У электродов с рутиловым покрытием (Р) шлакообразующую основу составляют рутиловый концентрат, содержащий до 45% Рутила (ТiO2); алюмосиликаты — слюда (К2O • ЗА12O3 • 6SiO2 • 2Н2O), Полевой шпат (К2O • А12O3 -6SiO2), каолин (А12О3 •2SiO2 •2Н2O) Ар.; карбонаты — мрамор (СаСО3) и магнезит (МgСО3). Газоваязащита расплавленного металла обеспечивается введением органических соединений (до 5 %) и разложением карбонатов. Наплавленный металл раскисляется и легируется ферромарганцу (10… 15%).

Поскольку окислительная способность рутилового покрытие меньше, чем у кислого, количество марганца в нем ниже и его гигиенические характеристики гораздо лучше. Содержание оксидов марганца в аэрозоле при сварке меньше, чем у кислого покрытия, в 3-5 раз. По качеству наплавленного металла электроды занимают промежуточное положение между электродами с кислым и основным покрытиями.

Электроды обладают хорошими сварочно-технологическим свойствами: обеспечивают формирование высококачественного шва с плавным переходом к основному металлу, малое разбрызгивание, легкую отделимость шлака, стабильное горение дуги на постоянном и переменном токах, а также сварку в любых пространственных положениях.

Металл шва мало склонен к образованию пор при колебаниях длины дуги, при сварке по окисленной и загрязненной поверхности. Наплавленный металл соответствует по химическому составу полуспокойной или спокойной стали.

Для повышения коэффициента наплавки в покрытия этого вида часто вводят порошок железа. При содержании железа в покрытии, не превышающем 35 % массы покрытия, электродами можно выполнять сварку в различных пространственных положениях. Электроды с покрытием, содержащим 50…65% железного порошка, предназначены для высокопроизводительной сварки в I нижнем положении швов большой протяженности на изделиях толщиной 10…20 мм. Электроды с рутиловым покрытием применяют для сварки металлоконструкций и трубопроводов из углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением до 490 МПа.

Электроды с основным покрытием (Б) имеют шлакообразующую основу, состоящую из карбонатов (мрамор, мел, магнезит) и фторидов кальция (например, плавиковый шпат CaF2). Газовая защита расплавленного металла обеспечивается углекислым газом и оксидом углерода, образующимися при диссоциации карбоната I кальция в процессе нагрева и плавления покрытия. В качестве раскислителей покрытие может содержать ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и ферроалюминий. Легирование осуществляется марганцем и кремнием при переходе их из ферромарганца и ферросилиция в сварочную ванну, что придает соединению высокую прочность. Кроме того, для легирования в покрытие могут быть введены металлические порошки.

Наличие в покрытии большого количества соединений кальция. хорошо связывающих серу и фосфор с выделением их в шлак, обеспечивает высокую чистоту наплавленного металла.

При высоких температурах плавиковый шпат разлагается с делением атомарного фтора, который связывает водород в устойчивую, нерастворимую в металле молекулу HF. В результате наплавленный металл содержит незначительное количество водорода (4… 10 см3 в 100 г наплавленного металла).

Применение в покрытии активных раскислителей (титан, алюминий и кремний) обеспечивает низкое содержание кислорода в металле шва (менее 0,05%). Поэтому наплавленный металл мало склонен к старению, стоек к образованию кристаллизационных трещин и имеет улучшенные пластические свойства при низких температурах.

Сварочно-технологические свойства электродов с основным покрытием хуже, чем у электродов с покрытиями других видов. Образование большого числа отрицательных ионов фтора при плавлении покрытия приводит к уменьшению проводимости дугового разряда и снижению устойчивости горения дуги. Поэтому сварку электродами с основным покрытием осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Для сварки на переменном токе необходимы электроды, у которых в покрытии содержится дополнительное количество ионизирующих элементов, например калия, или электроды со специальным двухслойным покрытием.

Наличие влаги, масла, окалины или ржавчины на свариваемых кромках и влаги в покрытии, а также увеличение длины дуги приводят к образованию пор в металле шва. Перед сваркой необходима прокалка электродов при температурах 350…400 °С в течение 1 ч.

Для получения высококачественных швов следует строго соблюдать требования по подготовке изделия и выдерживать технологический режим процесса сварки. Электроды с основным покрытием, иногда называемые электродами с фтористо-кальциевым покрытием, предназначены для сварки ответственных конструкций из углеродистых, низколегированных и легированных сталей.

Электроды с целлюлозным покрытием (Ц) содержат много (до 50%) органических составляющих (целлюлоза, травяная мука и т-п.) для образования большого количества газов и предназначены для сварки ответственных конструкций из низколегированных сталей в любых пространственных положениях. В качестве шлакообразующих компонентов применяют рутил, карбонаты алюмосиликаты и другие вещества. Иногда добавляют асбест СаО • ЗMgO • 4SiО2. Для раскисления наплавленного металла вводят ферромарганец.

При сварке на торце электрода появляется конусная втулка нерасплавившегося покрытия, что способствует образованию правленного потока газов, который обеспечивает оттеснение жидкого металла из-под дуги и более глубокое проплавление основного металла.

Такие электроды используют для сварки корневого слоя шва неповоротных стыков трубопроводов методом опирания сверху вниз с высокой скоростью, достигающей 25 м/ч. Они обеспечивают хорошую обратную сторону шва, поэтому отпадает необходимость в подварке шва изнутри.

К электродам с покрытиями смешанного вида относят электроды с кисло-целлюлозным (АЦ), рутилово-основным (РБ) — рутилово-карбонатным или карбонатно-рутиловым, кисло-рутиловым (АР), рутилово-целлюлозным (РЦ) и другими покрытиями.

Электроды с кисло-целлюлозным покрытием (ОМА-2) предназначены для сварки на постоянном и переменном токе тонколистовых конструкций (толщиной 1 …3 мм) из углеродистых и низколегированных сталей.

Электроды с кисло-рутиловым (ильменитовым) покрытием (ОММ-5, АНО-6, АНО-6М, АНО-17 и др.) содержат в покрытии ильменит (FeO • ТiO2) и служат для сварки конструкций из углеродистых сталей в любых пространственных положениях на постоянном и переменном токе.

Электроды с рутилово-основным покрытием применяют для сварки оборудования из углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением до 490 МПа, когда предъявляются повышенные требования к пластичности и ударной вязкости металла сварных швов.

Кроме указанных имеются специальные электродные покрытия: гидрофобные, для сварки и наплавки цветных металлов и их сплавов. Гидрофобные покрытия предназначены для выполнения сварочных работ в особо влажных условиях: при повышенной влажности атмосферы, под водой и т.д. В них добавляют до 10% специальных гидрофобных полимеров, которые в процессе полимеризации заполняют поры между частицами покрытия и перекрывают пути для проникновения влаги в его внутренние слои.

Для сварки лежачим и наклонным электродом применяют специальные удлиненные электроды (до 2 м) и диаметром до 8 мм с покрытием большей толщины.

Согласно ГОСТ 9466-75 по толщине покрытия в зависимости от отношения диаметров обмазки и стержня D/d (см. рис. 7.1, в) различают электроды с тонким покрытием (D/d < 1,20) — М, средним (1,20 < D/d < 1,45) — С, толстым (1,45 < D/d < 1,80) — Ди особо толстым покрытием (D/d > 1,80) — Г.

Изготовление покрытых электродов. Процесс изготовления включает в себя ряд операций по подготовке проволока компонентов покрытия, сухой смеси компонентов (шихты) и обмазочной массы, а также нанесению ее на стержень с последующей сушкой и прокалкой электродов для получения покрытия необходимой прочности.

Рассмотрим основные операции при изготовлении электродов. Сварочную проволоку в бухтах на специальных станках подвергают правке и рубке на стержни определенной длины. При этом проверяют длину стержней, стрелу прогиба, волнистость и т.д. Их очищают, а затем закладывают в контейнеры для подачи к электродообмазочным прессам.

Компоненты покрытия после сушки при определенной для каждого из них температуре (например, СаСО3 при температуре 650 °С начинает диссоциировать) проходят контроль на влажность и поступают на грубое и среднее дробление, а затем тонко измельчаются в шаровых мельницах.

Измельченные ферросплавы подвергают пассивированию, которое заключается в том, что при выдержке их во влажной атмосфере или замачивании водой (подкисленной марганцовокислым калием КМnО4 или хромпиком К2Сr2О7) на поверхности образуется оксидная пленка, предотвращающая возможное преждевременное взаимодействие ферросплавов с жидким стеклом при изготовлении обмазочной массы.

Из подготовленных материалов приготавливают сухую шихту Путем взвешивания компонентов согласно рецептуре покрытия и тщательно перемешивают ее, контролируя равномерность перемешивания и влажность.

Жидкое стекло, используемое как связующее вещество в электродном производстве, получают из так называемой силикатной глыбы, т. е. силиката натрия (Na2O • SiO2) или силиката Калия, не содержащего воды. Для приготовления жидкого стекла силикатную глыбу разваривают в автоклаве с подачей воды или пара.

Из подготовленной сухой смеси материалов приготавливают обмазочную массу путем ее соединения с жидким стеклом до получения определенной консистенции.

Покрытие наносят на электроды опрессовкой на специальных прессах. Электродные стержни специальным механизмом проталкиваются через фильеру обмазочной головки, в которую при давлении 70…90 МПа выжимается обмазочная масса. Электрод, полностью покрытый обмазочной массой, выталкивается из обмазочной головки и попадает на транспортер зачистной машины, которая оборудована устройством для зачистки торца электрода и снятия с другого его конца покрытия на длине 20…30 мм.

С конвейера электроды укладывают на специальные рамки L подвергают сушке на воздухе в течение 18… 24 ч или в сушилке при температуре до 100 °С в течение 3 ч, после чего подают на прокалку, режим которой зависит от состава покрытия. В результате сушки и прокалки содержание влаги в покрытии снижается с 3,0…3,5 до 0,1…0,3%, и покрытие приобретает довольно высокую прочность.

После прокалки электроды подвергаются контролю и упаковываются в пачки массой 3…8 кг. На пачку наклеивают паспорт электрода, на котором указано наименование или товарный знак предприятия-изготовителя, условное обозначение электрода, номер партии, дата изготовления, область применения, особые условия выполнения сварки или наплавки, допустимое содержание влаги, режим повторного прокаливания, рекомендуемый режим сварки, масса электродов в пачке или коробке.

Классификация и условные обозначения электродов для сварки сталей. Классификация электродов осуществляется по следующим признакам: вид металла, для сварки которого они предназначены; толщина и тип покрытия; механические свойства металла шва и др.

Согласно ГОСТ 9466-75 электроды в зависимости от назначения разделены на следующие классы: для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с пределом прочности < 600 МПа — У, легированных конструкционных сталей с > 600 МПа — Л, теплоустойчивых сталей — Т, высоколегированных сталей с особыми свойствами — В, для наплавкй поверхностных слоев с особыми свойствами — Н.

Указанный ГОСТ регламентирует размеры электродов, толщину и типы покрытий, условные обозначения, общие технические требования, правила приемки и методы испытаний. В зависимости от требований к качеству электродов — точности изготовления, состоянию поверхности покрытия, сплошности полученного Данными электродами металла шва и содержанию серы и фосфора в наплавленном металле — электроды подразделит на группы 1—3 (табл. 7.2).

По пространственным положениям сварки или наплавки электроды подразделяют на четыре вида: для всех положении — индекс 1; для всех положений, кроме вертикального сверху вниз, — индекс 2; для нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального снизу вверх — индекс 3; для нижнего и нижнего «в лодочку» — индекс 4.

По роду и полярности применяемого при сварке или наплавке тока, а также номинальному напряжению холостого хода используемого источника питания сварочной дуги переменного тока частотой 50 Гц электроды подразделяются на виды, указанные в табл. 7.3.

Условное обозначение электродов должно содержать данные, расположение которых указано на рис. 7.2, а.

Такое полное условное обозначение должно бьпъ на этикетке или в маркировке коробок, пачек и ящиков с электродами. На упаковках пригодность данной марки электродов для сварки в различных пространственных положениях часто указывается набором стрелок (рис. 7.2, б).

Во всех видах документации приводится сокращенное условное обозначение электродов, которое содержит их марку, диаметр и группу, а также обозначения стандарта (ГОСТ 9466-75) или технических условий на электроды конкретной марки.

Рис. 7.2. Структура условного обозначения электродов согласно ГОСТ 9466—75* (а) и графическое обозначение пространственных положений сварки (б):

1 — тип; 2 — марка; 3 — диаметр, мм; 4 — назначение электродов; 5 — обозначение толщины покрытия; 6 — группа электродов; 7 — группа индексов, указывающих характеристики наплавленного металла и металла шва по ГОСТ 9467—75*, ГОСТ 10051—75* или ГОСТ 10052—75*; В — обозначение вида покрытия; 9 — обозначение допустимых пространственных положений сварки или наплавки; 70 — обозначение рода применяемого при сварке или наплавке тока, полярности постоянного тока и номинального напряжения холостого хода источника питания сварочной дуги переменного тока частотой 50 Гц; 7 7 — обозначение стандарта (ГОСТ 9466—75*); 12 — обозначение стандарта на типы электродов

Например, для электродов типа Э46А (по ГОСТ 9467 — 75*), марки УОНИ-13/45, диаметром 3 мм, для сварки углеродистых и низколегированных сталей У, с толстым покрытием Д, 2-й группы, с установленной ГОСТ 9467 — 75* группой индексов, указывающих характеристики наплавленного металла и металла шва, с основным покрытием (Б), для сварки во всех пространственных положениях (1) на постоянном токе обратной полярности (0) полное обозначение имеет вид

ГОСТ 9466-75,ГОСТ 9467-75

а сокращенное обозначение в технических документах — Электроды УОНИ-13/45 —3,0 —2 — ГОСТ 9466 — 75.

В ГОСТ 9467 — 75* регламентированы 14 типов электродов для ручной дуговой сварки конструкционных сталей (см. табл. 7,2) В наименованиях типов этих электродов содержится буква ^ после которой приведено значение временного сопротивлений разрыву, кгс/мм2 (например, Э38, Э42, Э50, Э150). У некоторый типов электродов после цифр проставлена буква А, что указывает на более высокие характеристики пластичности наплавленного металла. У электродов этих типов регламентированы механические характеристики, а также содержание серы и фосфора в наплавленном металле.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *