ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ И ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕЗКИ 2 глава

4. Шлакообразующие компоненты, составляющие основу покрытия, -обычно это руды (марганцовая, титановая), минералы (ильменитовый и рутиловый концентраты, полевой шпат, кремнезем, гранит, мрамор, пла­виковый шпат и др.).

5. Связующие - водные растворы силикатов натрия и калия, назы­ваемые натриевым или калиевым жидким стеклом, а также натриево-калиевым жидким стеклом.

6. Формовочные добавки - вещества, придающие обмазочной массе лучшие пластические свойства, - бентонит, каолин, декстрин, слюда и др.

Для повышения производительности сварки, увеличения количества дополнительного металла, вводимого в шов, в покрытии электродов мо­жет содержаться железный порошок до 60 % массы покрытия. Многие материалы, входящие в состав покрытия, одновременно выполняют не­сколько функций, обеспечивая и газовую защиту в виде газа СО2, и шла­ковую защиту в виде СаО и т.д.

Газовая защита образуется в результате диссоциации органических веществ при температурах выше 200 °С:

диссоциации карбонатов при температуре ~900 °С (при парциальном давлении в газовой фазе )

;

,

а также последующей диссоциации СО2

Процесс диссоциации происходит недалеко от торца электрода. Рас­четы показывают, что при температуре 1000 °С и давлении 0,1 МПа дис­социация карбонатов и органических составляющих покрытия, приходя­щихся на 1 г расплавленного электродного металла, занимающего объем 0,13 см3 при плотности 7,85 г/см3, приводит к выделению более 140 см3 защитного газа (СО₂ и Н₂). Количество выделяющихся газов зависит от состава покрытия. Такое количество газа обеспечивает достаточно на­дежное оттеснение воздуха от зоны сварки и попадание очень небольшо­го количества азота в металл шва (не свыше 0,02 ... 0,03 %).

Состав шлакообразующих может быть различным: это оксиды СаО, MgO, MnO, FeO, A1₂O₃, SiO₂, TiO₂, Na₂O, галогены CaF₂ и др. Имеющие­ся в покрытии ферросплавы связывают кислород, который отдают при нагревании шлакообразующие оксиды, входящие в покрытие.

По видам покрытий электроды подразделяют на следующие: с кис­лым покрытием - индекс А; с основным покрытием - индекс Б; с целлю­лозным покрытием - индекс Ц; с рутиловым покрытием - индекс Р; с покрытием смешанного вида - соответствующее двойное условное обо­значение; с прочими видами покрытий - индекс П. Если покрытие со­держит более 20 % железного порошка к обозначению вида покрытия добавляют букву Ж.

При плавлении кислых покрытий (А) большая часть введенных в них ферросплавов окисляется рудами; легирование металла кремнием и марганцем идет по схеме кремнемарганцевосстановительного 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 к образованию горячих трещин и низкой ударной вязкостью металла шва. В связи с высоким содержанием в по­крытии ферромарганца и оксидов железа они более токсичны, так как аэрозоли в зоне сварки и зоне дыхания сварщика содержат большое ко­личество вредных соединений марганца. Эти электроды применяют для сварки неответственных металлоконструкций.

Основу рутиловых покрытий (Р) составляют шлакообразующий компонент - рутиловый концентрат TiO₂ (до 45 %), а также алюмосили­каты (слюда, полевой шпат и др.) и карбонаты (мрамор, магнезит); фер­ромарганца в покрытии обычно меньше 10 ... 15 %. Газовая защита обес­печивается введением органических соединений (до 5 %), а также разло­жением карбонатов. Покрытия этого вида обеспечивают высокое качест­во металла шва, малотоксичны и обладают хорошими сварочно-технологическими свойствами.

Покрытия основного типа (Б) в качестве основы содержат карбона­ты (мрамор, мел, магнезит) и плавиковый шпат; газовая защита обеспе­чивается разложением карбонатов. Металл раскисляется марганцем, кремнием, титаном, вводимыми в покрытие в виде ферросплавов, или алюминием, вводимым в виде порошка.

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 наиболее высокой (по сравнению с любыми другими покрытиями) ударной вязкостью.

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 сталей, среднелегированных сталей и всех электродов для сварки высоколегированных сталей.

Кроме вида покрытия на свойства и назначение электродов влияют толщина и состав покрытия.

На основе электродов с особо толстым покрытием (Г) разработаны электроды для специальных целей.

В покрытие электродов для сварки глубоким противлением вводят повышенное количество органического вещества - целлюлозы (до 30 %), рутила, карбонатов и железа. Покрытие наносят слоем повышенной тол­щины. При этом коэффициент массы покрытия (отношение массы по­крытия к массе стержня на этой же части электрода, выраженное в про­центах) составляет 80 ... 100 %.

Рис. 2.3. Образование провара

В результате этого при сварке на торце электрода образуется глу­бокая втулка (рис. 2.3) из нераспла-вившегося покрытия, что способст­вует направленному мощному пото­ку газов, выделяющихся в большом количестве при разложении органи­ческих веществ, а это обеспечивает оттеснение жидкого металла из-под дуги и более глубокое проплавление основного металла.

специальными электродами для

сварки с глубоким проплавлением

Введение в покрытие железного порошка до 20 % улучшает техно­логические свойства электродов (стабильность дуги, равномерность рас­плавления покрытия и др.). При содержании порошка до 60 % повышает­ся производительность сварки, так как в шов вводится дополнительный металл. Коэффициент массы покрытий таких электродов составляет 120... 180%.

Для сварки лежачим и наклонным электродом применяют удлинен­ные электроды (до 2 м) диаметром до 8 мм. Покрытие этих электродов обычно также имеет повышенную толщину.

Одному и тому же типу электрода (см. табл. 2.2) могут соответство­вать электроды с покрытиями различного вида и различным составом стержня. Покрытия одного вида могут иметь различный состав.

Конкретный состав покрытия и стержня в данном электроде опреде­ляет так называемая марка электрода. Обозначения марок часто содержат начальные буквы названия организации, в которой были разработаны электроды, и порядковый номер.

При изготовлении электродов для сварки алюминия и его сплавов ввиду его большого сродства к кислороду применять покрытия из оксидов нельзя, так как металл будет разрушать эти оксиды и интенсивно окисляться. В этих случаях покрытия практически полностью состоят из безкислородных соединений, хлоридов и фторидов (KCI, NaCl, KF и т.п.), которые наносятся на стержни многократным окунанием в водные растворы указанных компонентов.

Покрытие электродов оказывает существенное влияние на весь про­цесс сварки. Поэтому общие требования к ним при сварке различных металлов: обеспечение стабильного горения дуги; получение металла шва с необходимым химическим составом и свойствами; спокойное, рав­номерное плавление электродного стержня и покрытия; хорошее форми­рование шва и отсутствие в нем пор, шлаковых включений и др.; легкая отделимость шлака после остывания с поверхности шва; хорошие техно­логические свойства обмазочной массы, не затрудняющие процесса изго­товления электродов; удовлетворительные санитарно-гигиенические ус­ловия труда при изготовлении электродов и при сварке. Состав покрытия определяет и такие важные технологические характеристики электродов, как: род и полярность сварочного тока, возможность сварки в различных пространственных положениях или определенным способом (сварка опи-ранием, наклонным электродом и т.д.).

Состав покрытия электродов и свойства образующихся шлаков оп­ределяют и силу рекомендуемого для сварки тока. Для получения качест­венных сварных швов покрытие электрода должно прочно удерживаться на металлическом стержне и быть сплошным до конца использования электрода (огарка), чтобы обеспечить необходимую защиту зоны сварки.

Допустимое значение сварочного тока для определенной марки электрода назначают так, чтобы нагрев металлического стержня к концу расплавления электрода был не более 500 °С, а с покрытиями, содержа­щими органические вещества, не более 250 °С для предупреждения от­слаивания покрытия от стержня.

Свойства шлаков. Покрытие при расплавлении образует шлак.

К физическим свойствам шлака относятся: теплофизические харак­теристики - температура плавления, температурный интервал затверде­вания, теплоемкость, энтальпия и т.п.; вязкость; способность растворять оксиды, сульфиды и т.п.; определенная плотность; определенная газо­проницаемость; достаточное различие в коэффициентах линейного и объемного расширения по сравнению с металлом, что необходимо для легкого отделения шлака от поверхности шва.

К химическим свойствам относится способность шлака раскислять металл шва; связывать оксиды 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 в различных пространственных положениях.

Вязкость шлака имеет важное значение. Чем менее вязок шлак, тем больше его подвижность, а следовательно, физическая и химическая ак­тивность, тем быстрее в нем протекают химические реакции и физиче­ские процессы растворения оксидов, 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 таких 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 обладать небольшим удельным весом, чтобы легко всплывать на поверхность сварочной ванны. Слой шлака, покрывающий шов, в жидком виде и в процессе затвердевания должен легко пропускать газы, выделяющиеся из металла шва.

Затвердевшие шлаки должны иметь небольшое сцепление с метал­лом, коэффициенты линейного расширения шлака и металла должны быть различными для более легкого удаления шлака со шва.

Изготовление покрытых электродов. Электрод, состоящий из ме­таллического стержня и толстого покрытия, расплавляясь, должен обес­печивать постоянство вводимых в реакционную зону компонентов по объему, их химическому составу и реакционной способности.

Это достигается применением проволоки, имеющей стабильный хи­мический состав и диаметр с отклонениями, регламентированными стандартом. Покрытие, состоящее из смеси различных порошкообразных компонентов, скрепленных между собой и со стержнем жидким стеклом, также должно быть однородным в массе, что достигается при достаточно мелком размоле составляющих компонентов и хорошем перемешивании обмазочной массы.

Поэтому процесс изготовления электродов предусматривает ряд строго последовательных операций по подготовке проволоки, компонен­тов покрытия, сухой смеси компонентов (шихты) и обмазочной массы, нанесению ее на стержень с последующей сушкой и прокалкой электро­дов с целью придания необходимой прочности покрытию Рассмотрим основные операции изготовления электродов.

Сварочную проволоку в бухтах на специальных станках подвергают правке и рубке на стержни определенной длины.

При изготовлении стержней из проволоки отбирают пробы для про­верки соответствия ее техническим условиям, а также проверяют длину стержней, стрелу прогиба, волнистость и т.д. После правки и рубки стержни очищают, а затем закладывают в контейнеры для подачи их к электродообмазочным прессам. Компоненты покрытия после сушки при определенных для каждого компонента температурах (например, СаСО3 при 650 °С начинает диссоциировать) проходят контроль влажности и поступают на грубое и среднее дробление, а затем тонко измельчаются в шаровых и других конструкций мельницах.

Конечный размер частиц разных компонентов различен, так как он влияет на характер участия компонента в металлургических взаимодейст­виях при сварке и на технологический процесс производства электродов.

Измельченные ферросплавы подвергают пассивированию, которое заключается в том, что при выдержке их во влажной атмосфере или замачивании водой (подкисленной марганцовокислым калием КмnО₄ или хромпиком K₂Cr₂O₇)на поверхности ферросплавов создается окисная пленка, предотвращающая возможное преждевременное реагирование ферросплавов с жидким стеклом при изготовлении обмазочной массы.

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

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

Из подготовленных материалов приготовляют обмазочную массу путем смешения сухой смеси с жидким стеклом до определенной конси­стенции.

Покрытие на электроды наносят опрессовкой на специальных прес­сах. Электродные стержни специальным механизмом проталкиваются через фильер обмазочной головки, в которую при давлении 70 ... 90 МПа выжимается обмазочная масса. Электрод выталкивается из обмазочной головки полностью покрытый обмазочной массой и попадает на транспор­тер зачистной машины, на которой есть устройство для зачистки торца электрода и снятия с другого его конца покрытия на длине 20 ... 30 мм. С конвейера электроды укладывают на специальные рамки и 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 (наличия органических соединений, ферро­сплавов и т.д.).

В результате сушки и прокалки содержание влаги в покрытии сни­жается с 3 ... 3,5 % до 0,1 ... 0,3 % и покрытие приобретает довольно высокую прочность.

После прокалки электроды подвергают контролю, упаковке во вла­гостойкую парафинированную битумную бумагу или пластмассовую пленку в пачки по 3 ... 8 кг, либо в герметически закрывающуюся метал­лическую тару.

На пачку наклеивают паспорт электрода, на котором указано наиме­нование или товарный знак предприятия-изготовителя, условное обозна­чение электродов, номер партии и дата изготовления, область примене­ния электродов, особые условия выполнения сварки или наплавки, до­пустимое содержание влаги, режим повторного прокаливания, рекомен­дуемый режим сварки, масса электродов в коробке или пачке.

Технологические характеристики плавления электродов опре­деляются экспериментально и позволяют судить о производительности и экономичности процесса сварки электродами той или иной марки.

Коэффициент расплавления (г/А • ч)

где Gp - масса расплавленного металла электрода (г) за время t горения дуги (ч); /св - сварочный ток, А.

Для электродов, содержащих в покрытии дополнительный металл (например, железный порошок), масса расплавленного металла

где G_ст.эл - масса расплавленной части металлического стержня электрода; G_доп.м - масса расплавленного дополнительного металла, со­держащегося в покрытии электрода. Коэффициент наплавки (г/А • ч)

где G_н - масса наплавленного металла (г) при силе сварочного тока /св (А) за время / (ч), полученного за счет металлического стержня электрода и дополнительного металла, если он содержался в покрытии электрода. Коэффициент потерь (%)

характеризует потери металла электрода на испарение, разбрызгивание и окисление.

Для электродов, содержащих в покрытии дополнительный металл,

Коэффициент массы покрытия, %

где С_п - масса покрытия на электроде; G_м - масса металла стержня на длине покрытой части электрода.

СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Значения рассмотренных коэффициентов зависят от марок электродов (состава металлического стержня и покрытия), рода и полярности тока и др. Для наиболее распространенных электродов, предназначенных для сварки низкоуглеродистых сталей, не содержащих в покрытии дополни­тельный металл, α_р =7 ... 13 г/А-ч; α_н =6 ... 12,5 г/Ач; ψ= 5 ... 15 %.

Рассмотренные характеристики электродов используют для норми­рования сварочных работ и расхода электродов. Например, если извест­ны F_н (см. рис. 2.1) и длина шва l_ш, то масса наплавленного металла шва

где р - плотность металла (для большинства сталей р = 7,8 г/см3).

По паспорту выбранной марки электродов для соответствующего диаметра электрода и пространственного положения сварки определяют /св и коэффициенты α_р, α_н, ψ и К_п. Основное время сварки определяют по формуле

Массу электродов, необходимую для сварки данного шва, опреде­ляют по формуле

где Кр - коэффициент расхода электродов на 1 кг наплавленного металла шва. Значение его приводят в паспорте конкретной марки электродов (обычно Кр = 1,4... 1,9).

Классификация и условные обозначения электродов. Электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки, в стандартах классифици­руются по следующим признакам: металлу, для сварки которого они предназначены; толщине и типу покрытия; механическим свойствам ме­талла шва и др.

Согласно ГОСТ 9466-75 электроды для сварки и наплавки сталей в зависимости от назначения разделены на классы: для сварки углероди­стых и низколегированных конструкционных сталей с σ_в < 600 МПа -У (условное обозначение); для сварки легированных конструкционных сталей сσ_в> 600 МПа - Л; для сварки теплоустойчивых сталей - Т; для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами - В; для на­плавки поверхностных слоев с особыми свойствами - Н. Этот ГОСТ рег­ламентирует размеры электродов, толщину и типы покрытий, условные обозначения, общие технические требования, правила приемки и методы испытания.

ПОКРЫТЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ 37

В зависимости от требований к качеству электродов - точности изго­товления, состоянию поверхности покрытия, сплошности полученного дан­ными электродами металла шва и содержанию серы и фосфора наплавлен­ном металле - электроды подразделяют на группы 1,2 и 3 (табл. 2.2).

2.2. Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционных сталей

(в соответствии с ГОСТ 9467-75 в ред. 1988 г.)

По допустимым пространственным положениям сварки или наплавки электроды подразделяют на четыре вида: для всех положений - 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.

Пригодность для сварки в различ­ных пространственных положениях указыва­ется набором стрелок. На рис. 2.4 показано условное обозначение положения сварки.

Вертикальное Горизонтальное

Снизу вверх Потолочное на вертикальной

плоскости

Угловое или Вертикальное

тавровое Нижнее сверху вниз

Рис. 2.4. Условное обозначение положения сварки

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. 2.3.

2.3. Обозначения видов электродов в зависимости от рода и полярности сварочного тока

ПОКРЫТЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Условное обозначение элек­тродов должно содержать сле­дующие данные, расположение которых указано на рис. 2.5.

В обозначении: / - тип; 2 -марка; 3 - диаметр, мм; 4 - на­значение электродов; 5 - обозна­чение толщины покрытия; 6-

Рис. 2.5. Структура условного обозначения электродов согласно ГОСТ 9466-75

группа электродов; 7 - группа индексов, указывающих характеристики наплавленного металла и металла шва по ГОСТ 9467-75, ГОСТ 10051-75 или ГОСТ 10052-75; 8 - обозначение вида покрытия; 9 - обозначение допустимых пространственных положений сварки или наплавки; 10 -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; 11 - обо­значение стандарта ГОСТ 9466-75; 12 - обозначение стандарта на типы электродов.

Такое полное условное обозначение должно быть указано на этикет­ках или в маркировке коробок, пачек и ящиков с электродами.

Во всех видах документации дается сокращенное условное обозна­чение электродов, которое должно состоять из марки, диаметра, группы электродов и обозначения стандарта (ГОСТ 9466-75).

Обозначение электродов для сварки углеродистых и низколегиро­ванных сталей. 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 по 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 будет иметь следующий вид:

Э46А - УОНИ -13/45 - 3,0 - УД2 Е432(5)-Б10

- 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 "Электроды покрытые металлические для ручной ду­говой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей" регламентирова­но 14 типов электродов для сварки конструкционных сталей (см. табл. 2.9).

Дня сварки конструкционных сталей тип электрода содержит букву Э, вслед за которой цифрами указано значение временного сопротивления при разрыве (в кгс/мм2), например: Э38, Э42, Э50 ... Э150. У некоторых типов электродов после цифр поставлена буква А, что характеризует более высо­кие характеристики пластичности наплавленного металла (см. табл. 2.8). Электроды этих типов регламентированы только по характеристикам меха­нических свойств и содержанию серы и фосфора в наплавленном металле.