Электрогазосварка. Электросварка. Газосварка

§ 21. Электродные покрытия

Электродные покрытия можно разделить на две основные группы:

стабилизирующие (стабилизировать — делать более устойчивым), или тонкие;

качественные, или толстые.

Стабилизирующие (тонкие) покрытия имеют в своем составе вещества, молекулы и атомы которых легко ионизируются, т. е. обладают низким потенциалом ионизации, поддерживая этим горение дуги и облегчая ее возбуждение при непрерывном изменении полярности переменного тока. Такие покрытия называют также ионизирующими. Они наносятся на проволоку слоем толщиной в 0,1—0,3 мм и составляют 1—2% от веса электродной проволоки. Исследования акад. К. К. Хренова показали, что наиболее легко ионизируются и обеспечивают устойчивость горения дуги пары калия, встречающегося в виде природных минералов (гранита, полевого шпата) и химических веществ (хромат и бихромат калия, поташ, калиевая селитра), а также кальция, который входит в состав мрамора и мела в виде углекислого кальция — СаС03.

Из тонких покрытий наиболее распространено меловое покрытие, состоящее из чистого мела, разведенного на жидком стекле. На 80—85 весовых частей мела берется 15—20 частей жидкого стекла. Хорошие результаты дает тонкое покрытие А-1 следующего состава: 81% титановой руды (концентрат), 10% марганцевой руды, 9% селитры калиевой, 15% жидкого стекла к весу сухой части покрытия. Покрытие А-1 разработано Институтом электросварки им. Е. О. Патона.

Жидкое стекло представляет собой склеивающее вещество, применяемое для приготовления всех видов покрытий для электродов. По своему составу жидкое стекло является силикатом — солью кремниевой кислоты щелочных металлов (натрия или калия). Применяется в основном натровое жидкое стекло — силикат натрия, химическая формула которого Na 2О ¦ SiCb. Отношение количества двуокиси кремния к щелочи в жидком стекле, т. е.

называется модулем жидкого стекла. Чем выше модуль, тем большей клейкостью обладает жидкое стекло. Для электродных покрытий применяется обычно натровое жидкое стекло с модулем от 2,2 до 3. Калиевое жидкое стекло вводится в некоторые покрытия для повышения устойчивости горения дуги.

Тонкие покрытия не могут защитить наплавляемый металл от кислорода и азота атмосферного воздуха. Поэтому окисление и азотирование металла шва и выгорание его элементов при сварке тонкопокрытыми электродами будут лишь немногим меньше, чем при сварке голыми электродами. Вследствие этого электроды с тонкими покрытиями дают сравнительно хрупкий, неплотный наплавленный металл, загрязненный посторонними включениями, и могут применяться только при сварке неответственных конструкций.

Тонкие покрытия в основном использовали в начальный период промышленного внедрения дуговой сварки на переменном токе, когда теория металлургических процессов при сварке еще только разрабатывалась, а размеры производства электродов с толстыми качественными покрытиями и их номенклатура были крайне ограничены.

Назначение качественного покрытия электродов заключается в следующем: а) повышении устойчив©сти горения дуги; б) создании вокруг дуги защитной оболочки из газов и шлаков для предохранения жидкого металла от окисления кислородом и азотирования азотом окружающего воздуха; в) образовании защитного слоя шлака на поверхности сварочной ванны для раскисления и замедления остывания металла шва; г) введении в металл шва дополнительных легирующих элементов для улучшения его механических свойств.

Качественные покрытия позволяют получать плотный, прочный h вязкий наплавленный металл без пор, раковин и шлаковых включений, не уступающий по механическим свойствам основному металлу. Они наносятся на проволоку слоем толщиной от 0,7 до 2,5 мм. Вес качественного покрытия составляет от 30 до 75% веса металлического стержня электрода. Один конец электрода (контактный) остается непокрытым на длине около 50 мм, этим концом электрод вставляется в электрододержатель.

В безогарковых электродах покрытие наносится по всей длине электрода, который с обоих концов зачищается на конус. В этом случае длина электрода диаметром 4; 5 и б мм делается несколько меньшей и обычно равна 350 мм.

Качественные покрытия должны удовлетворять следующим требованиям:

1. При плавлении покрытие должно образовывать жидкий защитный шлак и газы.

2. Температура плавления покрытия должна быть близка к температуре плавления металла электрода и лежать в пределах 1100—1200°.

3. Обеспечивать устойчивое горение дуги при сварке на переменном токе (этому требованию отвечают не все покрытия).

4. Прочно держаться на электроде, покрывая его плотным и равномерным слоем без отслаивания или растрескивания.

5. Быть возможно более водоупорным и не портиться от воздействия влажного воздуха.

6. Шлак должен получаться не слишком вязким и легко растекаться по наплавленному металлу, покрывая его равномерным слоем. Правильно подобранная вязкость шлака имеет важнейшее значение для создания наиболее благоприятных условий протекания металлургических процессов при сварке.

7. Шлак должен обладать раскисляющими (восстановительными) свойствами по отношению к окислам металла.

8. Застывший шлак должен иметь большую усадку, чем металл шва, и поэтому легко отделяться от поверхности шва.

9. В электродах для вертикальной и потолочной сварки шлак должен быстро затвердевать и удерживать капли металла от стекания вниз.

10. Покрытия не должны содержать примесей, вредно влияющих на качество шва (серы, фосфора, влаги и др.).

Советскими учеными разработана теория металлургических процессов, позволяющая точно рассчитывать составы электродных покрытий в соответствии с предъявляемыми требованиями к свойствам наплавленного и основного металла.

Применяемые для приготовления электродных покрытий вещества условно могут быть классифицированы на следующие группы:

Шлакообразующие — минеральные вещества, содержащие окислы металлов (руды): титановую руду (ильменит), обогащенную титановую руду (титановый концентрат), природную двуокись титана (рутил), марганцевую руду (пиролюзит), полевой шпат, плавиковый шпат, мел, фарфоровую глину (каолин), кварц, гранит, мрамор [3].

Титановая и марганцевая руды увеличивают скорость затвердевания шлака, что особенно важно при сварке вертикальных и потолочных швов. Титановая руда также увеличивает скорость плавления электрода, что повышает производительность сварки. Полевой шпат увеличивает устойчивость горения дуги, но при этом повышает жидкотекучесть шлаков. Полевой шпат иногда заменяют гранитом. Плавиковый шпат и двуокись титана понижают вязкость и температуру плавления шлака, придают ему нужную скорость затвердевания, однако плавиковый шпат в то же время снижает устойчивость горения дуги, так как входящий в его состав фтор способен образовывать отрицательные ионы, наличие которых снижает величину заряда околокатодного пятна, вследствие чего для повторного зажигания дуги переменного тока требуется более высокое напряжение.

Газообразующие — крахмал, древесная мука, хлопчатобумажная пряжа, целлюлоза, древесный уголь, пищевая мука.

Раскислители — ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, ферромолибден, алюминий.

Легирующие — ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферротитан и реже окислы металлов (окись меди, окись хрома, углекислый никель и др.). Основным легирующим веществом в большинстве покрытий является ферромарганец, который служит одновременно раскислителем. Марганцевая руда также используется как легирующее вещество в покрытии, увеличивая содержание марганца в металле шва. Для легирования углеродом в покрытие вводят графит.

Связующие — придают покрытию вид пасты и после затвердевания прочно удерживают его на стержне. Для этой цели применяют жидкое стекло, реже — декстрин.

Стабилизирующие — поташ (К2С03), калиевое жидкое стекло.

Ввиду большого разнообразия применяемых составов покрытий качественные электроды делятся на типы не по составу покрытий, а по назначению электродов и механическим свойствам (прочности и пластичности) металла шва и сварного соединения, получаемых при сварке электродами данного типа[4]. В зависимости от назначения действующими ГОСТ предусматриваются, например электроды для сварки конструкционных сталей; электроды для сварки легированных теплоустойчивых сталей;

электроды для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами и др.

В обозначение типа электрода, например по ГОСТ 9467—60, входит буква Э (означает электрод) и цифры, указывающие предел прочности металла шва в кгс/ммг (в электродах для сварки конструкционных сталей). Например, марка Э42 показывает, что электрод предназначен для сварки конструкционных сталей и обеспечивает временное сопротивление разрыву металла шва 42 кгс/мм2. Буква А, стоящая в обозначении электрода после цифр, указывает на использование в них проволоки (ГОСТ 2246—60) с наименьшим содержанием серы и фосфора, что позволяет получать наплавленный металл повышенной пластичности и вязкости; такие электроды применяются для сварки наиболее ответственных конструкций.

Электроды, используемые при сварке теплоустойчивых молибденовых сталей, обозначаются Э-М, хромомолибденовых — Э-ХМ, хромомолибденованадиевых—Э-ХМФ, хромомолибденованадиевониобиевых

теплоустойчивых сталей Э-ХМФБ.ОбозначениеЭ-Х2МФБ показывает, что электрод предназначен для сварки теплоустойчивой хромомолибденованадиевониобиевой стали и металл шва содержит не менее 2% хрома; обозначение Э-Х5МФ — то же, но содержание хрома в шве должно быть не менее 5%. Для электродов, применяемых при сварке теплоустойчивых легированных сталей, нормы механических свойств соответствуют свойствам металла шва, прошедшего термическую обработку, указанную в паспорте электрода. ГОСТ 9467—60 на электроды для сварки конструкционных сталей регламентирует также максимально допустимое содержание серы и фосфора в металле шва или наплавки, а на электроды для сварки теплоустойчивых сталей — также и химический состав металла шва или наплавленного металла. Размеры и общие технические требования к электродам для дуговой сварки Сталей и наплавки регламентируется ГОСТ 9466—60.

В табл. 4 и 5 приведены типы электродов по ГОСТ 9467—60 для дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей.

К типу Э34 относятся электроды с меловым покрытием и покрытием А-1. К типу Э42 — с покрытиями МЭЗ-04, ОММ-5, ЦМ-7, ЦМ-7С и др.; к типу Э42А — с покрытием УОНИ-13/45; к типу Э50А — с покрытием УОНИ-13/55 и др.

Для сварки малоуглеродистых сталей наиболее широко применяются электроды с толстыми покрытиями ОММ-5, ЦМ-7, ЦМ-7С и МЭЗ-04, относящимися к группе кислых покрытий. Составы шихты для этих покрытий (в % по весу) следующие:

Покрытие ОММ-5 разработано бывш. Оргаметаллом, покрытие ЦМ-7—отделом сварки ЦНИИТМАШ, покрытие МЭЗ-04 — Московским электродным заводом.

Перечисленные покрытия могут применяться для электродов при сварке швов на переменном и постоянном токе, в любом пространственном положении. При сварке электродами с проволокой Св-08 с покрытием ОММ-5 наплавленный металл имеет следующий состав: около 0,1% углерода, 0,8—0,9% марганца, около 0,1% кремния, 0,04—0,05% кислорода. Средние механические свойства сварного соединения из малоуглеродистой стали при этом получаются следующие: предел прочности 46—50 кгс/ммг, относительное удлинение 25%, ударная вязкость 10—12 кгс-м/см2, угол загиба 180°. Недостатком покрытия ОММ-5 является склонность к поглощению влаги и в связи с этим необходимость хранения в сухом помещении, что обусловлено присутствием в его составе крахмала. Отсыревшее покрытие перед сваркой необходимо просушивать в течение нескольких часов при 180—200° во избежание получения пористого металла шва.

К группе электродных покрытий основного типа относятся широко распространенные покрытия УОНИ-13, состоящие из соединений кальция, плавикового шпата и ферросплавов.

Покрытия УОНИ-13 применяются нескольких марок: УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, УОНИ-13/65, УОНИ-13/85, УОНИ-13/нж. Цифра в знаменателе указывает предел прочности наплавленного металла в кгс/мм2, обеспечиваемый электродом с данной маркой покрытия. Составы покрытий УОНИ-13 следующие (в % по весу):

В электродах с покрытием УОНИ-13, предназначенных для сварки углеродистых и низколегированных сталей, в качестве стержня используется углеродистая проволока Св-08, Св-08А и ДР. по ГОСТ 2246—60, в электродах с покрытием УОНИ-13/нж, предназначенных для сварки нержавеющих сталей, — высоколегированная проволока из хромоникелевой аустенитной стали по ГОСТ 2246-60 с соответствующим содержанием углерода. Вес покрытия УОНИ-13 составляет 30—40% к весу стержня при толщине слоя покрытия 0,25—0,3 диаметра стержня.

Основной частью покрытия УОНИ-13 является углекислый кальций (СаС03), вводимый в виде мрамора. При нагревании и плавлении СаС03 разлагается на окись кальция СаО, дающую основную массу шлака, и углекислый газ СО е, образующий защитную газовую оболочку вокруг расплавляемого электродного металла.

Плавиковый шпат в основном состоит из фтористого кальция и вводится в покрытие для понижения температуры плавления и уменьшения вязкости шлака. Кварц служит для разжижения шлака и уменьшает выгорание кремния в наплавляемом металле.

Ферромарганец и ферросилиций вводятся для легирования металла марганцем и кремнием. Ферротитан служит раскислителем.

При сварке малоуглеродистой стали электродами с покрытием УОНИ-13/55 наплавленный металл содержит около 0,1% углерода, около 1% марганца, 0,2—0,3% кремния и только около 0,02% кислорода. Таким образом, электроды с покрытием УОНИ-13 дают хорошо раскисленный плотный наплавленный металл, содержащий несколько повышенные количества марганца и кремния и обладающий высокими механическими свойствами. Металл, наплавленный электродами с покрытием УОНИ-13, обладает высокой пластичностью, значительной ударной вязкостью, достигающей 25—30 кгс’м/см для УОНИ-13/45 и УОНИ-13/55. Как правило, в металле, наплавленном электродами с покрытием УОНИ-13, не образуется трещин. Поэтому электроды с покрытием УОНИ-13 считаются лучшими по качеству и применяются для сварки особо ответственных конструкций, которые испытывают ударные нагрузки и вибрации, а также подвергаются действию повышенных или пониженных температур.

Коэффициент наплавки для УОНИ-13/45 и УОНИ-13/85 Кн = = 9,8 г/а- час; для УОНИ-13/55 и УОНИ-13/65 К = 8 г/а час.

Поскольку покрытия УОНИ-13 не содержат органических соединений (например, крахмала), они выдерживают длительное прокаливание (до 350—400°), что облегчает их просушку и делает менее восприимчивыми к влаге по сравнению с покрытием ОММ-5.

Покрытие УОНИ-13 требует применения для сварки постоянного тока обратной полярности. При сварке на переменном токе необходимо включать в сварочную цепь осциллятор для обеспечения устойчивого горения дуги. Для сварки на переменном токе без осциллятора в состав покрытия УОНИ-13 вводят стабилизирующие горение дуги ионизирующие добавки: заменяют, например, кварц полевым шпатом и добавляют в покрытие около 4% поташа (например, в покрытиях К-51, К-52). Для получения хорошего шва при использовании электродов с покрытием УОНИ-13 необходимо вести сварку возможно более короткой дугой. Покрытия УОНИ-13 более чувствительны к ржавчине на поверхности свариваемых кромок, чем, например, покрытие ЦМ-7. Покрытия К-51, К-52 и УОНИ-13/3* не содержат также дорогостоящего ферротитана. (Буква «З» означает— «заменитель».)

За последние годы разработано много новых видов покрытий для электродов, в том числе для сварки сталей с особыми свойствами. Из новых покрытий следует упомянуть покрытие ВСР-50 основного типа, аналогичное УОНИ-13, но содержащее двуокись титана в виде рутила. Состав этого покрытия следующий: 5% гранита, 22% двуокиси титана (рутила), 33% мрамора или мела, 25%, плавикового шпата, 6% ферромарганца, 8% ферросилиция 45%-ного, 1% ферротитана, 15% жидкого стекла. Отношение веса покрытия к весу стержня 33—42, коэффициент наплавки 9,5 г/а час.

Покрытие ВСР-50 разработано Всесоюзным научно-исследовательским институтом строительства трубопроводов (ВНИИСТ). Оно имеет несколько пониженную температуру плавления и не образует на конце электрода одностороннего козырька; особенно пригодно для сварки труб. В том же институте сотрудниками А. Г. Мазель, Е. М. Роговой и Л. И. Сорокиным разработаны и испытаны новые электроды с пластмассовым покрытием, в котором в качестве связующего (взамен жидкого стекла) и газозащитного компонента использованы органические лаки и смолы. Покрытие этих электродов совершенно нечувствительно к увлажнению. Новые электроды, которым авторами присвоена марка ВСП-16 и ВСП-1бм, пригодны для сварки малоуглеродистых и легированных сталей на постоянном и переменном токе. По механическим свойствам наплавленного металла они соответствуют электродам Э42 и Э50.

Как указывалось выше, покрытие УОНИ-13 требует применения для сварки только постоянного тока. Аналогичные же покрытия основного типа марок VI1-1/45, VI1-2/45 и СМ-11 допускают сварку как на постоянном, так и на переменном токе. Состав покрытия СМ-11 следующий: 3,5% двуокиси титана, 28,2% мрамора или мела, 20,3% шпата плавикового, 1,3% поташа, 3,5% ферромарганца, 8% ферросилиция 45%-ного, 32,8% железного порошка, 1,9% оксицеллюлозы, 11—12% жидкого стекла. Отношение веса покрытия к весу стержня 30—40, коэффициент наплавки 9,5— Ю г/а- час. Электроды с покрытием СМ-11 получили распространение на строительстве, так как их свойства отвечают условиям сварки в этой отрасли. Входящий в покрытие железный порошок уменьшает скорость охлаждения наплавленного металла, что благоприятно сказывается при сварке в условиях пониженных окружающих температур. Электроды с покрытием СМ-11 позволяют сваривать швы в любом пространственном положении и обеспечивают получение наплавленного металла без трещин, с высокой пластичностью, ударная вязкость наплавленного метала при сварке этими электродами достигает 14—18 кгс-м/см2.

Применение в покрытиях СМ-11 железного порошка придает им новые важные технологические свойства. Дело в том, что большинство покрытий, не содержащих железный порошок, плавится медленнее металлического стержня, вследствие чего на конце электрода при сварке образуется козырек. При значительной высоте этого козырька дуга между металлом и стержнем электрода прерывается и гаснет. Для возбуждения дуги сварщику приходится удалять часть козырька, на что требуется дополнительное время. Присутствие в покрытии около 30 % железного порошка делает его электропроводным, вследствие чего повторное возбуждение дуги происходит легко при прикосновении козырька на конце электрода к металлу. Это повышает производительность процесса сварки и исключает возможность затухания дуги, что является существенным преимуществом покрытий с железным порошком.

Для сварки высокопрочных сталей с пределом прочности свыше 100 кгс/мм2 разработана серия покрытий марок НИ-3, НИ-ЗМ, НИ-5 и др. на основе мрамора, плавикового шпата, ферромарганца, ферротитана, ферросилиция, феррохрома и ферромолибдена. Существует также большая номенклатура покрытий для сварки высоколегированных жаропрочных, кислотостойких и нержавеющих сталей, а также для наплавки сталей и получения наплавляемого металла требуемой прочности, пластичности, твердости и износостойкости.

Поскольку электроды с некоторыми другими покрытиями имеют специализированное назначение, данные о их составах и свойствах будут приводиться в последующих главах, при рассмотрении технологии сварки и наплавки сталей различных специальных марок.

вверх страницы