Классификация электродов
Электроды для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей
К группе электродов для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей относятся электроды, предназначенные для сварки углеродистых сталей, содержащих до 0,25% углерода, и низколегированных сталей с временным сопротивлением разрыву до 590 МПа. Основными характеристиками электродов являются механические свойства металла шва и сварного соединения: временное сопротивление разрыву, относительное удлинение, ударная вязкость, угол изгиба. По этим показателям электроды, согласно ГОСТ 9467-75, классифицируются на следующие типы (в условном обозначении типа электрода две стоящие за буквой "Э" (электрод) цифры соответствуют минимальному временному сопротивлению разрыву металла шва или сварного соединения в кгс/мм^(2)): Э38, Э42, Э46 и Э50 ― для сварки сталей с временным сопротивлением до 490 МПа; Э42А, Э46А и Э50А ― для сварки тех же сталей, когда к металлу шва предъявляются повышенные требования по относительному удлинению и ударной вязкости; Э55 и Э60 ― для сварки сталей с временным сопротивлением разрыву свыше 490 МПа и до 590 МПа. Указанным стандартом регламентируется содержание серы и фосфора в наплавленном металле.
Электроды для сварки углеродистых и низколегированных сталей характеризуются также уровнем сварочно-технологических свойств, в т.ч. возможностью сварки во всех пространственных положениях, родом сварочного тока, производительностью процесса, склонностью к образованию пор, а в некоторых случаях содержанием водорода в наплавленном металле и склонностью сварных соединений к образованию трещин.
Перечисленные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе конкретной марки электрода, в значительной степени определяются видом покрытия. Покрытие может быть кислым, рутиловым, основным, целлюлозным и смешанным.
Электроды с кислым покрытием. Основу этого вида покрытия составляют оксиды железа, марганца и кремния. Металл шва, выполненный электродами с кислым покрытием, имеет повышенную склонность к образованию горячих трещин. По механическим свойствам металла шва и сварного соединения электроды относятся к типам Э38 и Э42.
Электроды с кислым покрытием не склонны к образованию пор при сварке металла, покрытого окалиной или ржавчиной, а также при удлинении дуги. Сварку можно выполнять постоянным и переменным током.
Электроды с рутиловым покрытием. Основу покрытия таких электродов составляют рутиловый концентрат (природный диоксид титана). Металл шва, выполненный электродами с рутиловым покрытием, соответствует спокойной или полуспокойной стали. Стойкость металла шва против образования трещин у электродов с рутиловым покрытием выше, чем у электродов с кислым покрытием. По механическим свойствам металла шва и сварного соединения большинство марок рутиловых электродов относится к электродам типа Э42 и Э46.
Рутиловые электроды обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими видами электродов, а именно обеспечивают стабильное и мощное горение дуги при сварке переменным током, малые потери металла на разбрызгивание, легкую отделимость шлаковой корки, отличное формирование шва. Электроды мало чувствительны к образованию пор при изменении длины дуги, при сварке влажного и ржавого металла и по окисленной поверхности.
К электродам рассматриваемой группы также относятся электроды с ильменитовым покрытием, занимающими промежуточное положение между электродами с кислым и рутиловым покрытиями. В состав покрытия этих электродов в качестве основного компонента входят ильменитовый концентрат (природное соединение диоксидов титана и железа).
Электроды с основным покрытием. Основу этого вида покрытия составляют карбонаты и фтористые соединения. Металл, наплавленный электродами с основным покрытием, по химическому составу соответствует спокойной стали. Благодаря низкому содержанию газов, неметаллических включений и вредных примесей металл шва, выполненный этими электродами, отличается высокими показателями пластичности и ударной вязкости при нормальной и пониженной температурах, а также обладает повышенной стойкостью против образования горячих трещин. По механическим свойствам металла шва и сварных соединений электроды с основным покрытием относятся к электродам типа Э42А, Э46А, Э50А, Э55 и Э60. Вместе с тем по технологическим характеристикам электроды с основным покрытием уступают другим видам электродов. Они весьма чувствительны к образованию пор при наличии окалины, ржавчины и масла на кромках свариваемых деталей, а также при увлажнении покрытия и удлинении дуги. Сварка, как правило, производится постоянным током обратной полярности. Перед сваркой электроды в обязательном порядке необходимо прокаливать при высоких температурах (250-420°С).
Электроды с целлюлозным покрытием. Покрытие этого вида содержит большое количество (до 50%) органических составляющих, как правило, целлюлозы. Металл, наплавленный целлюлозными электродами, по химическому составу соответствует полуспокойной или спокойной стали. В то же время он содержит повышенное количество водорода. По механическим свойствам металла шва и сварных соединений электроды с целлюлозным покрытием соответствуют электродам Э42, Э46 и Э50. Для целлюлозных электродов характерно образование равномерного обратного валика шва при односторонней сварке на весу, возможность сварки вертикальных швов способом сверху вниз.
Все описанные выше электроды, предназначенные для сварки углеродистых и низколегированных сталей, с любым видом покрытия должны отвечать требованиям ГОСТ 9466-75 и ГОСТ 9467-75, а также требованиям технических условий на электроды. В технических условиях могут содержаться дополнительные требования, которые являются необходимыми для более эффективного ведения процесса и получения сварных соединений с особыми характеристиками и повышенной эксплуатационной надежностью.
Электроды для сварки легированных конструкционных сталей повышенной и высокой прочности
В группу эл ектродов для сварки легированных конструкционных сталей повышенной и высокой прочности входят электроды, предназначенные для сварки легированных сталей с временным сопротивлением разрыву свыше 590 МПа. Сварку конструкций из этих сталей производят по двум технологическим вариантам: с последующей после сварки термической обработкой сварных соединений, без последующей термической обработки.
При сварке по первому варианту применяют электроды, обеспечивающие получение равнопрочных сварных соединений. Главными характеристиками таких электродов являются механические свойства металла шва и сварных соединений, получаемые после соответствующей термической обработки: временное сопротивление разрыву, относительное удлинение, ударная вязкость.
По этим показателям ГОСТ 9467-75 стандартизировано пять типов электродов для сварки конструкционных сталей повышенной и высокой прочности: Э70, Э85, Э100, Э125 и Э150. Химический состав наплавленного металла указанным стандартом не регламентируется, за исключением серы и фосфора, содержание которых не должно превышать соответственно 0,030% и 0,035%. Вместе с тем при выборе конкретной марки электрода химический состав металла необходимо принимать во внимание, особенно при сварке конструкций, работающих в экстремальных условиях. Данные по химическому составу приводятся в нормативной документации и в более общем виде в условном обозначении электродов. Электроды для сварки конструкционных сталей повышенной и высокой прочности имеют покрытие основного вида.
При сварке конструкций из сталей этого класса (в термически упрочненном состоянии) по второму варианту, т.е. без последующей после сварки термической обработки, особенно, когда равнопрочность сварных соединений не является обязательным условием, используют электроды, обеспечивающие получение металла шва с аустенитной структурой. Получаемые сварные соединения отличаются высокой стойкостью против образования трещин, а металл шва — повышенными пластичностью и вязкостью. Сварка такими электродами производится с учетом особенностей, присущих электродам, предназначенным для сварки высоколегированных сталей. Электроды можно использовать также при сварке разнородных сталей.
Электроды для сварки теплоустойчивых сталей
К группе электродов для сварки теплоустойчивых сталей относятся электроды, предназначенные для сварки низколегированных и легированных теплоустойчивых сталей (теплоустойчивыми называют стали, работающие при повышенных температурах ― до 550-600°С). Основными характеристиками электродов являются химический состав наплавленного металла и механические свойства металла шва при нормальной температуре. При выборе электродов учитывают также максимальную рабочую температуру, при которой регламентированы показатели длительной прочности металла шва.
Согласно ГОСТ 9467-75 электроды для сварки теплоустойчивых сталей по показателям химического состава и механических свойств наплавленного металла и металла шва классифицированы на девять типов: Э-09М, Э-09МХ, Э-09Х1М, Э-05Х2М, Э-09Х2М1, Э-09Х1МФ, Э-10Х1М1НФБ, Э-10ХЗМ1БФ, Э-10Х5МФ. Электроды могут иметь рутиловое и основное покрытие.
Вместе с тем, при сварке теплоустойчивых сталей применяются электроды, не регламентированные ГОСТ 9467-75, основным назначением которых является сварка других классов стали (например, электроды марки АНЖР-1, предназначенные, главным образом, для сварки разнородных сталей).
Сварку теплоустойчивых сталей в большинстве случае выполняют с предварительным подогревом и последующей термообработкой.
Электроды для сварки высоколегированных сталей и сплавов
Согласно действующей классификации к высоколегированным сталям относят сплавы, содержание железа в которых более 45%, а суммарное содержание легирующих элементов не менее 10%, считая по верхнему пределу при концентрации одного из элементов не менее 8% по нижнему пределу. К сплавам на никелевой основе относят сплавы с содержанием не менее 55% никеля. Промежуточное положение занимают сплавы на железоникелевой основе.
В соответствии с ГОСТ 10052-75 электроды для сварки высоколегированных коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов по химическому составу наплавленного металла и механическим свойствам металла шва и наплавленного металла классифицированы на 49 типов (например, электроды типа Э-07Х20Н9, Э-10Х20Н70Г2М2Б2В, Э-28Х24Н16Г6). Наплавленный металл значительной части электродов, регламентируется техническими условиями предприятий — изготовителей.
Химический состав и структура наплавленного металла электродов для сварки высоколегированных сталей и сплавов отличаются — и иногда весьма существенно — от состава и структуры свариваемых материалов. Основными показателями, решающими вопрос выбора таких электродов, является обеспечение: основных эксплуатационных характеристик сварных соединений (механических свойств, коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности), стойкости металла шва против образования трещин, требуемого комплекса сварочно-технологических свойств.
Электроды для сварки высоколегированных сталей и сплавов имеют покрытия основного, рутилового и рутилово-основного видов. Из-за низкой теплопроводности и высокого электросопротивления скорость плавления, а следовательно и коэффициент наплавки электродов со стержнями из высоколегированных сталей и сплавов существенно выше, чем у электродов для сварки углеродистых, низколегированных и легированных сталей. Вместе с тем повышенное электросопротивление металла электродного стержня обуславливает необходимость применения при сварке пониженных значений тока и уменьшения длины самих стержней (электродов). В противном случае из-за чрезмерного нагрева стержня возможен перегрев покрытия и изменение характера его плавления, вплоть до отваливания отдельных кусков. Сварка, как правило, производится постоянным током обратной полярности.
Электроды для сварки специализированных сталей
В группу электродов для сварки специализированных сталей входят электроды, которые по назначению и совокупности характеристик не могут быть отнесены к другим группам электродов. Это — электроды, предназначенные для сварки легированных и высоколегированных хладостойких сталей, высокомарганцовистых сталей типа 110Г13Л и т.п. Большинство электродов этой группы применяют также для сварки разнородных сталей.
Электроды для сварки разнородных сталей и сплавов
К группе электродов для сварки разнородных сталей и сплавов относятся электроды, обеспечивающие получение требуемых эксплуатационных характеристик сварных соединений при сварке разнородных сталей и сплавов на железоникелевой и никелевой основах.
Разнородными сталями и сплавами являются материалы, резко отличающиеся системой легирования, физико-механическими свойствами и свариваемостью. По признаку "разнородности" стали условно можно разделить на следующие группы: углеродистые и низколегированные, легированные повышенной и высокой прочности, теплоустойчивые, высоколегированные.
Сварка разнородных сталей и сплавов может существенно отличаться от сварки однородных материалов. Это обусловлено возрастающей вероятностью: появления трещин в металле шва, возникновением в зоне сплавления участков со структурной неоднородностью, приводящей к изменению прочностных и пластических характеристик, чрезмерным ростом остаточных напряжений в сварных соединениях из-за значительной разницы в коэффициентах линейного расширения свариваемых материалов.
Большинство электродов, используемых при сварке разнородных сталей и сплавов, относится к электродам, предназначенным для сварки высоколегированных сталей и легированных сталей повышенной и высокой прочности, обеспечивающих получение металла шва с аустенитной структурой.
В группу электродов для наплавки входят электроды, предназначенные для ручной дуговой наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами (кроме электродов для наплавки слоев из цветных металлов). Электроды изготавливают и поставляют в соответствии с требованиями ГОСТ 9466-75 и ГОСТ 10051-75. Для наплавочных работ в некоторых случаях также используют сварочные электроды, например, электроды, предназначенные для сварки высоколегированных коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных сталей.
Согласно ГОСТ 10051-75 электроды для наплавки поверхностных слоев по химическому составу наплавленного металла и твердости при нормальной температуре классифицированы на 44 типа (например, электроды типа Э-16Г2ХМ, Э-110Х14В13Ф2, Э-13Х16Н8М5С5Г46). Наплавленный металл многих электродов регламентируется техническими условиями предприятий-изготовителей.
В зависимости от принятой системы легирования и условий работы получаемого наплавленного металла электроды для наплавки могут быть условно разделены на следующие 6 групп:
1-я группа.
Электроды, обеспечивающие получение низкоуглеродистого низколегированного наплавленного металла с высокой стойкостью в условиях трения металла о металл и ударных нагрузок (по назначению к этой группе относятся некоторые марки электродов 3-ей группы).
2-я группа.
Электроды, обеспечивающие получение среднеуглеродистого низколегированного наплавленного металла с высокой стойкостью в условиях трения металла о металл и ударных нагрузок при нормальной и повышенной температурах (до 600-650°С).
3-я группа.
Электроды, обеспечивающие получение углеродистого, легированного (или высоколегированного) наплавленного металла с высокой стойкостью в условиях абразивного изнашивания и ударных нагрузок
4-я группа.
Электроды, обеспечивающие получение углеродистого высоколегированного наплавленного металла с высокой стойкостью в условиях больших давлений и высоких температур (до 650-850°С).
5-я группа.
Электроды, обеспечивающие получение высоколегированного аустенитного наплавленного метала с высокой стойкостью в условиях коррозионноэрозионного изнашивания и трения металла о металл при повышенных температурах (до 570-600°С).
6-я группа.
Электроды, обеспечивающие получение дисперсноупрочняемого высоколегированного наплавленного металла с высокой стойкостью в тяжелых температурно-деформационных условиях (до 950-1100°С).
Необходимо отметить, что производство наплавочных работ требует применения специальной технологии, которая — в зависимости от химического состава и состояния основного и наплавляемого металлов — может включать обязательное выполнение таких операций, как предварительный и сопутствующий подогрев, термическую обработку для получения заданных эксплуатационных свойств наплавляемой поверхности.
Электроды для сварки и наплавки чугуна
К группе электродов для сварки и наплавки чугуна относятся электроды, предназначенные для устранения с помощью холодной сварки и наплавки дефектов в чугунных отливках, а также электроды, используемые при ремонте вышедшего из строя оборудования и восстановлении изношенных деталей. В ряде случаев электроды могут быть применены при изготовлении сварно-литых конструкций.
Электроды для холодной сварки и наплавки чугуна не стандартизованы и их производят по отдельным техническим условиям. Они позволяют получать наплавленный металл (металл шва) с заданными свойствами в виде стали, сплавов на основе меди, никеля, железоникелевого сплава.
Для холодной сварки и наплавки чугуна (т.е. сварки и наплавки, выполняемых без предварительного подогрева) характерно проведение процесса с минимальным тепловложением короткими валиками протяженностью 25-60 мм с охлаждением каждого наложенного валика на воздухе до температуры не более 60°С. Иногда рекомендуется проковка каждого валика легким ударом молотка.
Электроды для сварки цветных металлов
К группе электродов для сварки цветных металлов относятся электроды, предназначенные для сварки алюминия, меди, никеля и их сплавов. Электроды для сварки цветных металлов не стандартизованы и их производят по отдельным техническим условиям. Исключение составляют высоконикелевые электроды, которые применяют для сварки сплавов на железоникелевой и никелевой основах и высоколегированных сталей, вследствие чего они входят в ГОСТ 10052-75.
Сварка цветных металлов может существенно отличаться от сварки стали, что обусловлено резким различием их физико-химических свойств. Главными факторами, определяющими свариваемость цветных металлов, являются температуры плавления и кипения, теплопроводность, сродство к содержащимся в воздухе газам (кислороду, азоту, парам воды).
В зависимости от типа свариваемого металла электроды могут быть разделены на следующие 3 группы:
- Электроды для сварки алюминия и его сплавов
Алюминий и алюминиевые сплавы обладают малой плотностью, высокой тепло- и электропроводностью, повышенной коррозионной стойкостью.
Особенностью алюминия и его сплавов является легкая окисляемость. Это приводит к тому, что на их поверхности практически всегда присутствует плотная тугоплавкая пленка оксида алюминия. Эта пленка может образовываться и на поверхности сварочной ванны, что нарушает стабильность процесса сварки, препятствует формированию шва, приводит к появлению непроваров и неметаллических включений. Для получения качественных сварных соединений необходимо принимать специальные меры, направленные на удаление оксидной пленки. При ручной дуговой сварке это достигается путем введения в состав электродного покрытия хлористых и фтористых солей щелочных и щелочноземельных металлов. В расплавленном состоянии эти материалы создают необходимые условия для удаления пленки и устойчивого горения дуги.
- Электроды для сварки меди и ее сплавов
Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью, повышенной жидкотекучестью расплавленного металла. Для нее характерна активность при взаимодействии с газами, особенно с кислородом и водородом, что может явиться причиной образования пор в металле шва и микротрещин. Для предотвращения появления таких дефектов в сварных соединениях надлежит применять только хорошо раскисленную медь. Сварку следует выполнять тщательно прокаленными электродами, свариваемые элементы в местах наложения швов должны быть хорошо зачищены до металлического блеска с удалением оксидов, загрязнений, жиров и пр.
При сварке латуней и бронз возникают дополнительные затруднения. Сварка латуни усложняется интенсивным испарением цинка, сварка бронз — высокой хрупкостью и малой прочностью в нагретом состоянии.
- Электроды для сварки никеля и его сплавов
Никель и особенно его сплавы являются прочными и вязкими материалами. Они, в зависимости от состава, обладают высокой коррозионной стойкостью, жаростойкостью и жаропрочностью.
Сварка никеля и его сплавов затруднена вследствие большой чувствительности к примесям и, в первую очередь, к растворенным газам (кислороду, водороду и особенно азоту) и высокой склонности к образованию горячих трещин. Для предупреждения возможного образования пор и трещин необходимо применять основной металл и сварочные электроды высокой чистоты, осуществлять их качественную подготовку к сварке.
В целом по технологии и технике ручной дуговой сварки никель и его сплавы близки к высоколегированным коррозионно-стойким сталям.
Электроды для резки сталей, чугунов, меди, алюминия и их сплавов
В группу электродов для резки металлов входят электроды, предназначенные для дуговой резки плавящимся электродом всех марок сталей (включая высоколегированные), чугунов и цветных металлов.
Резку выполняют с использованием обычного оборудования, предназначенного для ручной дуговой сварки переменным или постоянным током.
