Сварочные электроды: виды покрытий

Описание

Металлические электроды, предназначенные для дуговой сварки сталей различных марок, имеют специальные покрытия (обмазки). Покрытия защищают расплавленные капли электродного металла и сварочной ванны от воздействия кислорода и азота воздуха, повышают стабильность горения дуги, в ряде случаев обеспечивают раскисление металла ванны, а иногда и легирование металла шва необходимыми элементами для сообщения ему специальных свойств.

Виды (типы) электродных покрытий

Кислое покрытие (А) отличается тем, что в его состав входят образующие шлаковую защиту различные руды и материалы, содержащие большое количество кислорода, напри мер гематит содержит 92% Fe2O3, гранит - 66 - 71% SiO2, 15 - 21% AI2O3 и т. п. Для удаления кислорода и восстановления железа из оксидов применяют ферросплавы, для газовой за щиты вводят органические примеси - крахмал, декстрин. Сварка электродами с этим покры тием возможна на постоянном и переменном токе во всех положениях. В сварочной ванне происходит активное раскисление железа, она кипит, что способствует дегазации металла. Допускается сварка при небольшой окалине и ржавчине, однако при этом происходит повы шенное разбрызгивание, и вследствие применения ферромарганца выделяется, значитель ное количество токсичных марганцевых соединений, что ограничивает применение таких по крытий. Кроме того, металл шва склонен к образованию кристаллизационных трещин.

При плавлении кислых покрытий (А) большая часть введенных в них ферросплавов окисляется рудами; легирование металла кремнием и марганцем идет по схеме кремнемар-ганцевосстановительного процесса; оно не позволяет легировать металл элементами с большим сродством к кислороду. Образующиеся шлаки, обычно кислые, не содержат СаО и не очищают металл от фосфора. В наплавленном металле много растворенного кислорода и неметаллических включений.

В результате швы обладают пониженной стойкостью против горячих трещин, ударная вязкость металла шва обычно не превышает 12 кгс-м/см2. В связи с высоким содержанием в покрытии ферромарганца и окислов железа они более токсичны, так как аэрозоли в зоне сварки и зоне дыхания сварщика содержат Большое количество вредных соединений марганца.

Основное покрытие (Б) содержит: фтористокальциевое соединение - плавиковый шпат, в котором CaF2 более 75%; карбонаты кальция - мрамор, мел с содержанием более 92% СаСО3 и ферросплавы. При расплавлении это покрытие кроме шлака выделяет боль шое количество защитного углекислого газа, образующегося вследствие диссоциации карбонатов. Сварка электродами с основным покрытием возможна постоянным током с обрат ной полярностью и во всех положениях. Для сварки переменным током в покрытие добав ляют более активные стабилизаторы - калиевое жидкое стекло, поташ и др. Металл, на плавленный электродами с основным покрытием, обладает высокими механическими пока зателями, особенно ударной вязкостью при положительных и низких температурах; не скло нен к образованию кристаллизационных трещин и старению; содержит минимальное коли чество кислорода и азота. Эти электроды применяют для сварки наиболее ответственных деталей и конструкций. Следует иметь в виду, что сварка электродами с основным покрыти ем должна вестись короткой дугой и при хорошей очистке свариваемых кромок от ржавчины, окалины, жира и влаги во избежание образования пористости в швах.

Эти покрытия слабо окислительные, поэтому позволяют легировать металл шва элементами с большим сродством к кислороду. Наличие большого количества соединений кальция, хорошо связывающих серу и фосфор и выводящих их в шлак, обеспечивает высокую чистоту наплавленного металла, его повышенные пластические свойства, а легирование марганцем и кремнием обеспечивает высокую прочность. Швы, выполненные такими электродами, обладают высокой стойкостью против образования горячих трещин и наибо лее высокой (по сравнению с любыми другими покрытиями) ударной вязкостью, которая со ставляет не менее 13 кгс-м/см2 и может достигать 25 кгс-м/см2.

При использовании этих электродов металл шва склонен к образованию пор при загрязнении кромок маслом и ржавчиной, а также при увеличении толщины покрытия и длины дуги. На базе покрытий основного типа (Б) обычно составляют композиции покрытий электродов для сварки ответственных конструкций из низколегированных и углеродистых ста лей, среднелегированных сталей и всех электродов для сварки высоколегированных сталей.

Целлюлозное покрытие (Ц) содержит в основном оксицеллюлозу или аналогичные ей органические вещества, а также рутил и ферросплавы. Это покрытие при расплавлении вы деляет главным образом много защитного газа и небольшое количество шлака для процес са раскисления. Электроды с этим покрытием пригодны для сварки во всех положениях на постоянном и переменном токе и употребляются в основном для сварки первого слоя стыков труб.

Рутиловое покрытие (Р) содержит 50% рутилового концентрата, в котором 50% ТЮ2, карбонаты кальция - мрамор, тальк, мусковит, магнезит, ферросплавы, целлюлозу. Газовая защита обеспечивается за счет диссоциации материалов и органической составляющей. Раскисление и легирование - ферросплавами.

Электроды с рутиловым покрытием пригодны для сварки постоянным и переменным токами во всех положениях. Они обеспечивают высокое качество наплавленного металла, обладают хорошими технологическими свойствами и применяются для сварки низкоуглеро дистой стали. В международной практике приняты следующие условные обозначения видов (типов) электродных покрытий (в скобках приведено обозначение электродных покрытий по ГОСТ 9466-75):

А (А) - электроды с покрытием кислого типа;

В (Б) - электроды с покрытием основного типа;

R (Р) - электроды с покрытием рутилового типа;

С (Ц) - электроды с целлюлозным покрытием;

RA - электроды с покрытием кисло-рутилового типа;

RB - электроды с покрытием рутил-основного типа;

RC - электроды с покрытием рутил-целлюлозного типа;

S (П) - электроды с покрытиями прочих видов, в том числе специальными.

К физическим свойствам шлака, образующегося при плавлении электродного покрытия, относятся:

- теплофизические характеристики - температура плавления, температурный интервал затвердевания, теплоемкость, теплосодержание и т. п.;

- вязкость; способность растворять окислы, сульфиды и т. неопределенная плотность; определенная газопроницаемость; достаточное различие в коэффициентах линейного и объемного расширения по сравнению с металлом, что необходимо для легкой очистки металла шва.

К химическим свойствам относится способность шлака раскислять металл шва; связывать окислы в легкоплавкие соединения; легировать металл шва.

Наилучшие качества при сварке имеют шлаки, если температура их плавления составляет 1100—1200 °С. Температурный интервал затвердевания должен быть небольшим или, как говорят, шлак должен быть «коротким». Шлаки, у которых переход от жидкого к твердому состоянию растянут на значительный температурный интервал (так называемые длинные шлаки), при прочих равных условиях хуже обеспечивают формирование шва.

Вязкость шлака имеет важное значение. Чем менее вязок шлак, тем больше его подвижность, а следовательно, физическая и химическая активность, тем быстрее в нем проте кают химические реакции и физические процессы растворения окислов, сульфидов и т. п. Однако для надежного закрытия металла шва шлак не должен быть чрезмерно жидким, это особенно важно при сварке на вертикальной плоскости и в потолочном положении. Для та ких шлаков важно, чтобы переход из жидкого в твердое состояние совершался как можно быстрее. Кислые шлаки обычно бывают очень вязкими и длинными, при этом, чем выше кислотность шлаков, тем больше их вязкость. Основные шлаки - короткие. Шлаки должны обла дать небольшим удельным весом, чтобы легко всплывать на поверхность сварочной ванны. Слой шлака, покрывающий шов, в жидком виде и процессе затвердевания должен легко пропускать газы, выделяющиеся из металла шва. Затвердевшие шлаки должны иметь небольшое сцепление с металлом, коэффициен ты линейного расширения шлака и металла должны быть различными для более легкого удаления шлака со шва. Для повышения стабильности горения дуги в покрытие вводятся сода, поташ, углекислый барий, двуокись титана и др.

Защиту сварочной ванны от воздуха обеспечивают шлакообразующие компоненты (мрамор, полевой шпат, кварцевый песок, доломит, каолин, титановый концентрат, марганцевая руда и др.), а также газообразующие вещества (крахмал, декстрин, древесная мука, оксицеллюлоза). Шлакообразующие компоненты, расплавляясь в дуге, образуют шлаковую оболочку на поверхности капель электродного металла и шлаковое покрытие на поверхности сварочной ванны, защищая таким образом металл от контакта с воздухом. Газообразующие компоненты покрытия образуют при сгорании в дуге газовую защитную атмосферу, которая оттесняет воздух от зоны сварки.

При недостаточном количестве легирующих элементов в стержнях электродов, предназначенных для сварки легированных и высоколегированных сталей, для сообщения шву специальных свойств в состав покрытия иногда вводят хром, никель, молибден, ниобий, титан и др. в виде ферросплавов или металлических порошков. Если данный элемент присутствует в электродном стержне в достаточном количестве, то в покрытие его не вводят.

Переход большинства легирующих элементов из покрытия в шов зависит от окислительной способности шлака. Металлургические и технологические свойства сварочных шлаков зависят от их вязкости, температуры и скорости затвердевания, газопроницаемости, удельного веса.

Вязкость шлака оказывает влияние, на активность протекания металлургических реакций, а также на степень дегазации металла сварочной ванны и всплывания шлаковых включений. Если сварочный шлак очень вязок, дегазация сварочной ванны затрудняется. Уменьшение вязкости шлака достигается за счет введения фтористых соединений, например плавикового шпата (CaF2), фтористого натрия (NaF), за счет введения титанового концентрата и других компонентов.

Температура застывания шлака должна быть ниже температуры плавления металла и находиться в пределах 1100—1200° С. В этом случае шлак не будет препятствовать выделению газов из расплавленного металла. В то же время шлак должен быстро застывать с поверхности, обеспечивая хорошее формирование сварного шва. Особенно важно обеспечить хорошее формирование при сварке вертикальных и потолочных сварных швов. Наилучшие результаты при потолочной и вертикальной сварке обеспечивают электроды с покрытиями, дающими «короткие шлаки».

Как указывалось выше, при сварке ручными электродами большое значение имеют устойчивость горения дуги, коэффициент наплавки, коэффициент потерь, склонность металла к образованию трещин, пор и т. п.