Покрытие сварочных электродов

Покрытие сварочных электродов представляет собой смесь порошкообразных материалов, нанесенных на металлический стержень. Оно выполняет множество функций, которые направлены на достижение двух основных целей, преследуемых в процессе сварки - обеспечение стабильности горения дуги и придание металлу сварного шва необходимых свойств.

Покрытие электрода в действии: 1 - дуга, 2 - электрод, 3 - свариваемый металл, 4 - сварочная ванна, 5 - капли расплавленного электрода, 6 - покрытие, 7 - газовое облако, 8 - шлаковая ванна, 9 - сварочный шов, 10 - шлаковая корка.

Стабилизация дугового разряда

Стабильность сварочной дуги достигается введением в покрытие электродов веществ, обладающих малой величиной потенциала ионизации, благодаря чему происходит насыщение дугового пространства ионами, необходимыми для устойчивого горения дуги. В качестве таких веществ применяются мел, поташ, титановый концентрат, калиевое и натриевое жидкое стекло, углекислый барий и др. Только стабилизирующие (тонкообмазанные) покрытия называют иногда ионизирующими.

Обеспечение необходимых характеристик шва

Чтобы сварной шов получился требуемого качества, в состав покрытия вводится большое количество компонентов, служащих для выполнения самых различных задач. Основные из них следующие:

• Защита зоны сварки от азота, кислорода и водорода (водорода в составе паров воды), содержащихся в воздухе. Защитные компоненты покрытия создают на пути атмосферных газов два барьера - газовое облако, состоящее из углекислого газа, окиси углерода и прочих газов, и шлаковый слой сложного состава, плавающий на поверхности расплавленного металла. К газообразующим компонентам относятся крахмал, древесная зола, хлопчатобумажная пряжа, пищевая мука, декстрин, целлюлоза. К шлакообразующим - титановый концентрат, каолин, марганцевая руда, мел, мрамор, кварцевый песок. Шлак не только защищает сварочную ванну от вредных газов, но и снижает скорость охлаждения и кристаллизации металла, способствуя тем самым более полному выходу из него газов и вредных включений.
• Раскисление расплавленного металла, т.е. удаление из него кислорода путем его связывания. В качестве раскислителей выступают вещества, которые легко (легче, чем железо) вступают в реакцию с кислородом. Это такие металлы, как молибден, титан, хром, алюминий, входящие в состав покрытия в форме ферросплавов.
• Легирование металла шва с целью улучшения его физических, механических и химических свойств. Эту функцию выполняют в основном хром, молибден, марганец, кремний, ниобий, титан - в виде чистых металлов или ферросплавов. Легирование шва может выполняться также с помощью присадочной проволоки.
• Связывание всех компонентов, входящих в покрытие, друг с другом, а всего покрытия в целом - со стержнем электрода. Основным связующим веществом является натриевое (силикат натрия) или калиевое жидкое стекло, которое выполняет одновременно и функцию стабилизации дуги. Жидкое стекло (силикатный клей), кстати сказать, является веществом, которое входит в покрытие электродов всех типов - настолько удачным оказалось соединение в нем связующих и стабилизирующих качеств.

Важен не только химический состав, но и физические свойства покрытия, в частности, температура его плавления. Она не имеет строго определенного значения, поскольку покрытие является многокомпонентным. Обычно её значение варьируется в пределах 1100-1200°С.

Виды, состав и характеристика различных типов покрытий электродов

Химический состав покрытия и его толщина оказывают определяющее влияние на параметры процесса сварки - стабильность электрической дуги, особенности перехода материала стержня в сварочную ванну, вязкость шлака и расплавленного металла и пр.

Плавящиеся электроды

Плавящийся электрод для сварки: 1 - стержень, 2 - участок перехода, 3 - марка электрода, 4 - покрытие.

Толщина. В соответствии с ГОСТ 9466-75, по толщине, определяемой отношением наружного диаметра электрода (D) к диаметру его стержня (d), покрытия подразделяются на следующие типы в зависимости от отношения D/d:

• тонкие - D/d < 1,2 - (обозначается буквой "М");
• средние - 1,2 < D/d < 1,45 - ("С");
• толстые - 1,45 < D/d < 1,8 - ("Д");
• особо толстые - D/d > 1,8 - ("Г").

Химический состав. В зависимости от химического состава различают следующие виды покрытий электродов:

• кислое - обозначается А (А);
• основное - Б (B);
• целлюлозное - Ц (C);
• рутиловое - Р (R);
• смешанного типа - (RB, RA, RC и пр.);
• прочие виды покрытий - П.

В скобках приведены обозначения по европейскому стандарту DIN EN 499 (C - cellulose, A - acid, R - rutile, B - basic). Встречающееся иногда обозначение RR означает "рутиловое толстое".

Кислые покрытия. Кислые покрытия, состоящие в основном из железной и марганцевой руды (оксидов железа и марганца), выделяют в дугу большое количество кислорода, который повышает ее температуру и снижает поверхностное натяжение расплавленного металла, делая его очень текучим. Это дает возможность увеличивать скорости сварки, но одновременно повышает опасность подрезов. Кроме этого, наличие в покрытии токсичных оксидов марганца делает сварку такими электродами небезопасной для здоровья сварщика. Поэтому чисто кислые покрытия используются в наше время ограничено. Их заменили смешанные рутилово-кислые (RA).

Рутиловые покрытия. Рутиловые покрытия состоят преимущественно из природного концентрата рутила (двуокиси титана TiO₂), кремнезема (гранита, полевого шпата, слюды), карбонатов кальция и магния, ферромарганца. Электроды с рутиловым покрытием обеспечивают переход металла стержня в ванну малыми или средними каплями и характеризуются спокойным расплавлением с небольшим количеством брызг. Шов имеет тонкий рисунок, шлак легко отделяется от металла шва.

Очень важной особенностью электродов с рутиловым покрытием является легкость повторного зажигания дуги, обусловленная наличием TiO₂. При этом не требуется даже удалять пленку в кратере электрода, поскольку она (при достаточно высоком содержании TiO₂) обладает проводимостью полупроводника и обеспечивает зажигание дуги без соприкосновения стержня с основным металлом. Это достоинство рутиловых покрытий создает большое удобство при работе короткими швами, когда требуется часто прерывать дугу.

Электрод с рутиловым покрытием: 1 - металлический стержень, 2 - рутиловое покрытие, 3 - шлаковая пленка в кратере электрода, 4 - изделие.

Рутиловые покрытия менее вредны для здоровья сварщика, чем другие.

Помимо чисто рутиловых покрытий, широко распространены смешанные: рутилово-целлюлозный тип (RC), рутилово-основной (RB), рутилово-кислый (RA), которые также обладают хорошими технологическими свойствами. Электродами с чисто рутиловыми и смешанными покрытиями (МР-3, АНО-21, АНО-4, ОЗС-6 и пр.) можно варить швы практически любого положения.

Основные покрытия. Покрытия основного типа состоят преимущественно из карбонатов магния и кальция (доломит, мрамор, магнезит). К ним добавляют в качестве разбавителя шлака плавиковый шпат (CaF₂). Последний ухудшает работу при переменном токе, поэтому электроды с чисто основным покрытием предназначены для работы только на постоянном токе. Однако смешанные типы, имеющие меньшее содержание плавикового шпата, можно использовать и для работы с переменным током. Перенос металла в сварочную ванну происходит средними и крупными каплями, расплавленный металл получается вязкотекучим.

В отличие от прочих покрытий, образующаяся газозащитная среда минерального происхождения, состоящая в основном из СО и СО₂, лишена водорода, приводящего к образованию холодных трещин в наплавленном металле. Из-за низкого содержания водорода, на базе основного покрытия изготавливают так называемые низководородные покрытия электродов.

Металл шва, сваренного электродами с основным покрытием, обладает повышенной пластичностью. Этими электродами сваривают ответственные конструкции.

Электродами с основным покрытием можно выполнять швы любого пространственного положения, однако из-за повышенной вязкости металла, швы получаются выпуклыми и грубоватыми.

Покрытия основного типа обладают повышенной гигроскопичностью, поэтому хранить их нужно в сухости. Основное покрытие имеют такие популярные электроды, как УОНИ 13/45 и УОНИ 13/55.

Целлюлозные покрытия. Целлюлозные покрытия состоят из целлюлозы, органических смол, ферросплавов, талька и прочих веществ. Главной особенностью сгорания в дуге покрытий с органическими веществами является образование большого количества защитных газов, и очень малого - шлака. Это делает их удобными для сварки вертикальных швов (шлак не стекает вниз).

К недостаткам электродов с целлюлозным покрытием относится значительное количество брызг при сварке и пониженная пластичность металла шва, обусловленная большим (относительно других покрытий) количеством водорода, образующегося при сгорании органических компонентов.

Покрытия с железным порошком. Иногда в покрытие вводят железный порошок. Электроды с железным порошком обеспечивают повышенную производительность труда, отчего их и называют иногда "высокопроизводительными электродами". Железный порошок повышает проплавляющую способность сварочной дуги и обеспечивает качественную сварку стыковых соединений с нерегулярными или повышенными зазорами - даже при отсутствии подкладок. Кроме того, он улучшает повторное зажигание дуги.

Если покрытие содержит более 20% железного порошка, в его обозначение дополнительно вводится буква Ж. Например, обозначение РЖ означает - "рутиловое с железным порошком". В качестве примера электрода с железным порошком в покрытии можно привести АНО-1.

Влажность покрытия электродов

Очень вредное воздействие на качество сварных соединений оказывает водород, приводящий к холодным трещинам в металле шва. Одним из главных поставщиков водорода является вода, в большом количестве содержащаяся во влажных электродах. С целью удаления влаги электроды перед использованием рекомендуется прокаливать. К слову сказать, вода отрицательно влияет и на стабильность дуги, именно поэтому сырые электроды плохо горят. Таким образом, прокаливая электроды перед использованием, достигают двойного эффекта - улучшают качество сварного шва и повышают устойчивость горения дуги.

Электроды с пониженным содержанием водорода в покрытии используются для сваривания ответственных конструкций из сталей с контролируемой вязкостью металла, в частности, корпусов судов.

Обозначение покрытий

В обозначении электродов указывается тип покрытия и его толщина. В дополнение к этим параметрам указывается также информация о возможных пространственных положениях шва и роде тока, которые в большой степени обуславливаются составом покрытия.

Обозначение покрытия электродов: 1 - толщина покрытия (Д - толстое), 2 - тип покрытия (Р - рутиловое), 3 - пространственное положение шва (1 - для всех положений), 4 - род тока (1 - переменный и постоянный ток любой полярности).

Особенности производства покрытий

Большое влияние на качество покрытий оказывает строгость соблюдения технологии при их изготовлении и нанесении на стержень. Мало ввести в покрытие все необходимые компоненты, необходимо, чтобы они содержались там в точном соотношении друг с другом, были хорошо измельчены и равномерно распределены по всей массе. Для точной дозировки всех необходимых компонентов используется высокоточное оборудование с программным обеспечением.

Система смешивания и дозирования сыпучих компонентов

В общем виде технология приготовления и нанесения покрытий сводится к измельчению всех компонентов в несколько стадий (от грубого к тонкому), просеиванию на ситах, приготовлению обмазочной пасты с консистенцией влажной земли, нанесению ее на стержень методом опрессовки. Сначала смешиваются сухие компоненты, потом к ним добавляется связующее вещество (жидкое стекло). Было время, когда обмазка наносилась окунанием электродов. В настоящее время эта операция заменена на опрессовку, что позволило использовать менее сырую смесь.

Нанесение пасты производится на специальных прессах под большим давлением. При этом обращается особое внимание на концентричность расположения стержня относительно покрытия с целью обеспечения его равнотолщинности.

После опрессовки электроды отправляются на сушку и прокалку. В некоторых случаях из-за малой влажности обмазочной пасты операцию сушки пропускают, отправляя электроды сразу на прокалку, температура которой колеблется в зависимости от вида покрытия - от 150 до 400°C и выше.

Из истории покрытий

Разработку качественных электродных покрытий и их промышленное освоение можно отнести к крупнейшим научно-техническим достижениям, сыгравшим огромную роль в развитии мировой техники. Несмотря на то, что первый патент на покрытие электродов был получен основателем компании ESAB Оскаром Кельбергом еще в 1906 году, в СССР к производству покрытых электродов приступили только в 30-ые годы XX века. Вначале применялись электроды с тонким покрытием, выполняющим единственную роль - стабилизатора сварочной дуги. В него входило всего два компонента - порошкообразный мел и жидкое стекло. Мел обеспечивал ионизацию дуги, жидкое стекло одновременно с функцией ионизации исполняло также роль связующего компонента.

Сварка электродом с меловой обмазкой хотя и делала возможным сваривание металла в принципе, но не обеспечивала защиту расплавленной ванны от атмосферных газов. Швы, выполненные такими электродами, имели содержание азота в 50 раз, кислорода в 5-10 раз больше, чем основной металл. При этом содержание углерода в наплавленном металле уменьшалось в 4 раза. Все это делало возможным использования меловых электродов только для сварки неответственных конструкций. Выпуск электродов с многокомпонентными покрытиями, обеспечивающими вместе со стабилизацией дуги и защиту сварочной ванны от атмосферных газов, начался в СССР только в 1935 году.