Электроды. Часть 1

Сварочный электрод - это электропроводный стержень с нанесенной на него специальной обмазкой (покрытием), либо без покрытия.

Применяемые электроды в промышленности бывают плавящимися и неплавящимися.

Они могут быть металлическими или угольными, в форме стержня или пластины (ленты). Электрод находится в сварочной цепи в последовательном соединении, подводит ток к дуге, поддерживает горение дуги и расплавляет свариваемые кромки.

На начальном этапе применения сварки в промышленности широко использовались электроды с тонкой стабилизирующей обмазкой, которая обеспечивала устойчивое горение дуги. Обычно в качестве обмазки использовался размолотый мел, замешанный на водном пастообразном растворе жидкого (растворимого) стекла, т. е. силиката натрия, обладающего клеящими свойствами. Силикат натрия (конторский клей) выполняет роль связующего и стабилизирующего компонента. Электродные стержни погружают в пасту, затем медленно вытаскивают и устанавливают, например, на доску в вертикальном положении для подсушки.

Жидкое стекло - это силикат, т. е. соль кремниевой кислоты щелочных металлов, является почти единственным применяемым веществом для всех типов электродных обмазок. Качество жидкого стекла определяется его модулем, который равен молекулярному отношению содержащейся в нем двуокиси кремния и щелочи:

m = SiО₂/Na₂О

От модуля жидкого стекла зависит клеящая способность стекла, возрастающая с увеличением модуля. Для электродных смазок применяется жидкое натриевое стекло с модулем от 2,2 до 3,0.

В целях проверки пригодности и приемлемости различных материалов для электродных покрытий в ИЭС им. Патона К.К. Хреновым были выполнены (до 1940 г.) важные опытные работы. Он опытным путем установил влияние различных соединений калия и натрия на устойчивость горения дуги. Во всех случаях соединения калия (потенциал ионизации 4,3 эВ) дает устойчивость дуги более высокую, т. е. длину дуги после естественного разрыва при неподвижных электродах, чем аналогичные соединения натрия (потенциал ионизации 5,1 эВ). Этими опытами были выявлены элементы и соединения, резко понижающие устойчивость горения дуги.

К гасителям дуги относится вода, поэтому сырые электроды плохо пригодны для сварки. Не рекомендуются также для обмазок вещества, содержащие кристаллическую воду или сильно гигроскопичные. Гасят дугу хлор и фтор, и их соединения. Мел ионизирует дугу до длины 9 мм и, как более доступный и менее вредный для здоровья рабочего, прежде широко применялся для обмазки. Но при меловой обмазке процесс сварки проходит без защиты от воздействия атмосферного воздуха, поэтому механические свойства шва невысокие. Меловые электроды относились к типу Э-34, т. е. временное сопротивление на разрыв 34 кгс/мм2. Угол загиба металла шва был небольшой - 50º, а шов имел содержание азота в 50 раз больше, чем основной металл. Увеличивалось в 5-10 раз и содержание кислорода в шве, уменьшалось содержание углерода в 4 раза. Электроды для сварки с меловой обмазкой (меловые) применялись для сварки неответственных конструкций.

Электроды. Часть 2

С 1935 г. началось промышленное применение электродов с так называемой качественной обмазкой, или, как их тогда называли - качественных электродов, так как они имели сложную по составу обмазку и резко улучшали качество сварки.

В настоящее время термин "качественные электроды" утратил смысл, так как электроды с меловой обмазкой давно не производятся.

Общее назначение электродных покрытий - это обеспечение стабильности горения сварочной дуги и получение сварного шва высокого качества.

Изобретение качественных электродных обмазок и их промышленное освоение является крупнейшим достижением сварочной техники мирового масштаба.

Покрытие (обмазка) электродов состоит из нескольких, разных по назначению, компонентов (материалов) и наносится на металлический стержень толщиной от 1 до 3 мм, вес обмазки не менее 15-20% от веса электродного стержня. Покрытие - это смесь порошкообразных материалов на клеящем растворе.

Сварка покрытыми электродами улучшает химический состав и механические свойства шва, поскольку при расплавлении они создают шлаковую и газовую защиту сварочной ванны от вредного влияния кислорода и азота атмосферного воздуха, а также обеспечивают устойчивость горения дуги, очищают металл шва от вредных примесей и легируют его для улучшения свойств. Сварка покрытыми электродами называется ручной потому, что две обязательные операции процесса, т. е. подача электрода в зону дуги и перемещение дуги по изделию с целью образования шва, сварщик выполняет вручную. Ручной сваркой покрытыми электродами можно выполнять швы в любом пространственном положении и в труднодоступных местах. При ручной дуговой сварке электродом является стержень круглого сечения различной длины и диаметра. При механизированной дуговой сварке в качестве электрода применяют сварочную проволоку сплошного сечения и порошковую - с закатанным внутрь стержня порошком.

Защита расплавленного металла от кислорода и азота воздуха при сварке достигается газами и шлаками, которые образуются из покрытия в зоне дуги. Для устойчивого горения дуги, для образования газовой защиты в покрытия вводят целлюлозу и другие органические вещества, обладающие малой величиной потенциала ионизации, главным образом соли щелочноземельных металлов: рутил (TiO2), полевой шпат, содержащий некоторое количество солей щелочных металлов, калиевое и натриевое жидкое стекло.

Для металлургической обработки сварочной ванны в качестве легирующих компонентов в состав электродных покрытий вводят ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и другие ферросплавы.

Электроды. Часть 3

Электроды должны удовлетворять следующим технологическим требованиям:

• легкое зажигание и устойчивое горение сварочной дуги;
• равномерное расплавление покрытия;
• отсутствие трещин в металле шва;
• равномерное покрытие шва шлаком и легкое его удаление.

Стандартом установлены требования к прочности покрытия и равномерности его нанесения, т. е. ограничения по его разнотолщинности, а также методы испытания сварных соединений и швов.

Требуемые свойства шва обеспечиваются следующими действиями покрытий:

1. Газовая защита зоны сварки и расплавленного металла от кислорода и азота атмосферного воздуха. К газообразующим компонентам обмазок относятся древесная зола, крахмал, пищевая мука, хлопчатобумажная пряжа, декстрин, целлюлоза.
2. Раскисление металла сварочной ванны, т. е. связывание кислорода, находящегося в шлаках. Раскислителями служат в основном металлы, обладающие большим сродством с кислородом, чем железо: марганец, титан, молибден, хром. Эти металлы вводятся в обмазку в виде ферросплавов. Раскислителем служит также ферросилиций и алюминий.
3. Шлаковая защита от воздействия кислорода и азота воздуха. Шлак создает оболочку вокруг жидкого металла, переходящего с электрода в сварочную ванну. Шлаковое покрытие уменьшает скорость охлаждения и затвердевания металла шва, способствуя выходу из него газов и неметаллических включений за счет замедленного остывания ванны. Шлакообразующими компонентами обмазок являются титановый концентрат, марганцевая руда, каолин, мрамор, мел, кварцевый песок и др.
4. Легирование металла шва для улучшения механических, физических и химических свойств, т. е. введение в него таких элементов, как хром, марганец, кремний, молибден, титан, ниобий и др. Легирование металла шва иногда производится с применением специальной проволоки, содержащей нужные элементы. Шире применяют легирование металла шва введением элементов в обмазку. Легирующие компоненты - ферросплавы, иногда - чистые металлы.

Для повышения производительности сварки в электродные покрытия иногда вводят железный порошок. Он улучшает технологические свойства электродов, облегчает повторное зажигание дуги, уменьшает скорость охлаждения наплавленного металла.

Электроды. Часть 4

Электродные покрытия различаются по характеру шлака. По химическому составу шлаки, полученные при расплавлении электродных обмазок, могут быть разделены на кислые и основные. Для обмазок применяется оба типа. Преобладание кислотных или основных оксидов делает шлак соответственно кислым или основным.

Кислые шлаки могут уменьшать содержание кислорода в наплавленном металле - происходит непрерывный переход закиси железа FeO из металла в шлак, т. е. процесс раскисления металла кислым шлаком.

Обмазки, дающие шлаки сильно основного характера, с большим содержанием окиси кальция СаО, обеспечивают получение наплавленного металла особенно высокого качества. Шлаки основного характера не производят раскисление металла, и для уменьшения содержания кислорода в ванне обмазка содержит сильные раскислители (кремний, титан) в форме ферросплавов.

Важны и физические свойства шлака. Температура плавления шлака должна находиться в пределах 1100- 1200ºС, шлак должен обладать малой вязкостью, большой подвижностью и жидкотекучестью для правильного формирования сварного шва. Шлаки не имеют строго определенной температуры плавления. Например, обмазка электродов УОНИИ13 дает шлак основного характера и состоит из следующих компонентов: мрамор СаС03 - 53%, плавиковый шпат CaF2 - 18, кварц Si02 - 9, ферромарганец - 2, ферросилиций - 3, ферротитан - 15%. Жидкое стекло (водный раствор плотностью 1,4) - 30 частей на 100 частей сухой смеси (по весу). Электроды УОНИИ13 имеют малую склонность к образованию трещин в наплавленном металле и в ЗТВ (зоне термического влияния). Образование трещин в металле связывается с влиянием водорода. Водород в атомарной форме диффундирует в металл и восстанавливает имеющуюся там закись железа с образованием паров воды. Пары воды, имеющей молекулу значительных размеров, не могут диффундировать сквозь металл и накапливаются в значительных размерах, развивают огромное давление и разрывают металл, образуя трещины. Источником водорода могут быть крахмал, влага и др. Электроды УОНИИ13 не содержат органических веществ и при сухой обмазке обеспечивают минимум водорода в шве, трещины не образуются.

Роль различных компонентов обмазки УОНИИ13 следующая. Основная составная часть - мрамор, представляющий собой углекислый кальций, при нагревании разлагается, образуя сильно основную окись кальция и газообразную двуокись углерода С02, создающую защитную оболочку вокруг дуги. Двуокись углерода, заполняя зону сварки, вытесняет из нее водород и частично окисляет его в водяной пар. Окислительное действие двуокиси углерода компенсируется наличием сильных раскислителей в сварочной ванне. Как С02, так и СО нерастворим в расплавленном металле.

Плавиковый шпат, представляющий собой почти чистый фтористый кальций, вводится в обмазку для понижения температуры плавления и уменьшения вязкости шлака. При разложении плавикового шпата образуется HF, нерастворимый в металле. Все указанные факторы сводят к минимуму содержание водорода в металле, что уменьшает образование пор и трещин. Электроды подобного типа иногда называют низководородными.

Кварц вводится для разжижения шлака и для уменьшения выгорания кремния в металле.

Ферромарганец и ферросилиций вводятся в обмазку для легирования металла шва, ферротитан действует как раскислитель и модификатор, улучшающий структуру шва.

Электроды УОНИИ13 (всех четырех модификаций) разработаны в ИЭС им. Патона под руководством инженера К.В. Петраня до 1940 г.

Электроды подразделяются на типы и марки. Тип электрода характеризует механические свойства или химический состав металла шва. Марка (промышленная марка) содержит название электрода, используемое в промышленном обиходе, и не содержит технической информации об электродах, но названием, как правило, зашифрована организация-разработчик.

К каждому типу электродов относится несколько различных промышленных марок.