Електроди. Загальні відомості.

Електроди
Загальні відомості

Електрод — стрижень завдовжки 45 см і менше із спеціального металу з нанесеним на нього покриттям певного складу. Один його кінець вільний від покриття на довжині близько 3 см для захоплення електродотримачем і контакту з ланцюгом зварювального струму, інший кінець злегка звільняється від покриття для контакту з виробом при запалюванні дуги.

При розплавлюванні електрода у зварювальній дузі відбуваються складні металургійні процеси. У результаті окисно-відновних реакцій в газовій середовищі дуги і на кордоні її розділу з металом, а також між металом і шлаком відбувається легування, окислення і розкислення металу, що утворює зварний шов.

Властивості електродів в значній мірі визначаються властивостями шлаку, одержуваного з шлакообразующей основи покриття електродів.

Електрод повинен забезпечувати:

• легке запалення і стійке горіння зварювальної дуги;
• рівномірне розплавлення покриття електрода;
• рівномірне покриття шва шлаком і легке його видалення після зварювання;
• відсутність в металі шва тріщин, пор, непроваров.

Ознаки класифікації електродів:

• матеріал стрижня електрода;
• призначення для зварювання певних сталей;
• товщина покриття стрижня;
• види покриття;
• характер шлаку, що утворюється при розплавленні покриття;
• властивості металу шва;
• допустимі просторові положення зварювання або наплавлення;
• рід і полярність застосовується при зварюванні струму.

Електроди також поділяються на групи залежно від зварюваних сталей:

• У — вуглецевих і низьколегованих конструкційних сталей;
• Л — легованих конструкційних сталей;
• Т — легованих теплостійких сталей;
• В — високолегованих сталей з особливими властивостями.

Основні характеристики електродів — механічні властивості шва і зварного з'єднання:

• тимчасовий опір розриву;
• відносне подовження, ударна в'язкість;
• кут вигину.

Згідно ГОСТ 9467-75 електроди класифікуються по мінімальному тимчасовому опору розриву металу шва або зварного з'єднання на типи:

• Э38, Е42, Э46, Э50 — для зварювання сталей з тимчасовим опором розриву до 490 МПа;
• Э42А, 346А, Э50А — для зварювання тих же сталей, коли до металу шва пред'являються підвищені вимоги по відносному подовженню і ударної в'язкості;
• Э55 і Е60 — для зварювання сталей з тимчасовим опором розриву понад 490 МПа до 590 МПа.

Цим стандартом також регламентуються величини вмісту сірки і фосфору в наплавленому металі.

Призначення електродних покриттів — забезпечення стабільності горіння зварювальної дуги та одержання металу шва з заданими властивостями.

Стабільність горіння зварювальної дуги досягається зниженням потенціалу іонізації повітряного проміжку між кінцем електрода і металом виробу, що зварюється.

Шлак, що утворюється при розплавленні покриття електрода, служить для захисту розплавленого металу шва від впливу кисню й азоту повітря шляхом утворення шлакових оболонок на поверхні крапель металу електрода, що переходять через дуговий проміжок на місце зварювання, і для утворення шлаку на поверхні розплавленого металу.

Шлак уповільнює охолодження і затвердіння металу шва, що дає можливість виходу з нього газових і неметалічних включень.

Легування зварного з'єднання проводиться для надання йому спеціальних властивостей зазвичай введенням легуючих компонентів у склад покриття електрода.

В покриття електродів іноді вводять залізний порошок для підвищення продуктивності зварювання.

Для зв'язку компонентів покриття між собою і з поверхнею стрижня електрода застосовуються зв'язують компоненти, найбільш поширеним з яких є рідке скло.

До позначення електрода додають букву Ж при наявності в складі покриття понад 20% залізного порошку.

За видами покриттів електроди підрозділяються і позначаються:

• А — з кислим покриттям, що містить окисли заліза, марганцю, кремнію, титану;
• Б — з основним покриттям (за назвою хімічної сполуки — підстави), що містить фтористий кальцій і карбонат кальцію. (Зварювання електродами з основним покриттям проводять постійним струмом зворотної полярності: можлива зварювання великих перерізів у зв'язку з малою вірогідністю утворення тріщин);
• Р — з рутиловим покриттям, з рутил в якості основного компонента. При зварюванні відбувається незначне розбризкування металу, стійке горіння дуги, добре формування швів у всіх просторових положеннях;
• Ц — з целюлозним покриттям; основні компоненти — целюлоза, борошно та інші органічні речовини, які створюють газову захист при плавленні і тонкий шлак (електроди застосовують в основному для зварювання сталі малої товщини);
• П — інші види покриттів.

Електроди з кислим покриттям

Основу покриття цього виду складають оксиди заліза, марганцю і кремнію. Метал шва, виконаний електродами з цим покриттям, має схильність до утворення гарячих тріщин. Електроди відносяться до типів Э38 і Е42 по механічних властивостях металу шва.

Зварювання може виконуватися постійним і змінним струмом.

Електроди з основним покриттям

Основою покриття цього виду електродів є мінерали — карбонати кальцію і магнію (мармур, магнезит, доломіт) і плавиковий шпат CaF₂, тому вони також називаються фтористо-кальцієвими.

При високій температурі дуги карбонати розпадаються з утворенням оксидів кальцію і магнію CaO, MgO, а також окису вуглецю і вуглекислого газу. При цьому відбувається утворення газозахисної середовища мінерального походження, яке не супроводжується виділенням водню, тому наплавлений метал мало насичується воднем з матеріалів покриття. Фтористий кальцій також зв'язує водень в термічно стійкі сполуки.

За вказаними ознаками електроди з основним покриттям називаються також низководородными.

Переваги основних покриттів роблять електроди з цими покриттями незамінними при зварюванністалей, що загартовуються, схильних до утворення холодних тріщин внаслідок впливу водню, що переходить з металу в околошовную зону.

Покриття основного виду з малої окислювальною здатністю сприяють переходу легуючих елементів з електрода в шов, завдяки чому відбувається розкислення і легування металу шва.

Ці властивості електродів з основним покриттям використовуються також при зварюванні високолегованих сталей.

Наплавлений метал з використанням цих електродів володіє стійкістю проти утворення гарячих тріщин, електроди придатні для зварювання жорстких конструкцій, для швів великої товщини при багатошаровій наплавленні.

Зварювання електродами з основними покриттями може проводитися у всіх просторових положеннях.

Недоліком електродів з основним покриттям є більш низька стабільність горіння дуги в порівнянні з електродами з іншими покриттями. Це пояснюється наявністю в дузі іонів фтору, які є деионизаторами дуги. Тому електроди з основним покриттям застосовуються переважно для зварюванняпостійним струмом зворотної полярності («+» на електроді).

Недоліком основних покриттів є також схильність до утворення пір в швах при подовженні дуги в процесі зварювання, при наявності окалини та іржі на поверхні металу, що зварюється, так як шлаки цих покриттів не пов'язують оксиди заліза, які потрапляють в зварювальну ванну.

Освіта пір у швах при зварюванні електродами даного виду відбувається також при зволоженні покриттів, в результаті чого відбувається підвищення вмісту водню в наплавленому металі.

На зволоження електродних покриттів, що впливають якість упаковки електродів після їх виготовлення, умови транспортування та зберігання на складах.

Зберігання електродів для зварювання особливо відповідальних конструкцій рекомендується при температурі повітря не нижче 15 °С і відносній вологості не більше 50%. Термін придатності після прокалювання — не більше 5 діб (для сталей перлітового класу).

Після закінчення допустимого терміну придатності електродів після прокалювання вони повинні бути знову прокалены, але не більше трьох разів.

Часті прокалки і зволоження електродів негативно впливають на якість покриттів електродів.

Якщо електроди зберігаються в закритих мішках з водонепроникної поліетиленової плівки чи в ємкостях з кришками з гумовим ущільненням, або в сушильних шафах при температурі 80±20 °С, то терміни їх зберігання після прокалювання не обмежуються.

Рівень вологи основних покриттів перед зварюванням становить 0,3%. Для досягнення цього рівня вологості покриття необхідна прокалювання електродів безпосередньо перед зварюванням. Оптимальною температурою прокалки для забезпечення цього рівня вологості є температура 350 °С і витримка при цій температурі протягом двох годин.

Електроди з основним покриттям, нанесеним на стрижні із низьковуглецевої дроту (Св-08, Св-08А) відповідають типів Э42А, Э50А.

Електроди з основним покриттям застосовуються для зварювання добре раскисленных спокійних сталей з підвищеним вмістом сірки, низьколегованих та високолегованих сталей, для зварювання деталей великої товщини, конструкцій, що працюють при великих динамічних і знакозмінних навантаженнях, при знижених температурах.

Електроди з целюлозним покриттям

Основою покриття цього типу є целюлоза. Метал, наплавлений електродами з покриттям цього типу, містить підвищену кількість водню. По механічних властивостях металу шва електроди відповідають типам Е42, Э46 і Е50. Електроди з целюлозним покриттям дають можливість зварювання зверху вниз.

Електроди з рутиловим покриттям

Основою рутилових покриттів є мінерал рутил, що складається з двоокису титану ТіО₂. Рутилові покриття містять також алюмосилікати (польовий шпат, каолін та ін) і карбонати (мармур, магнезит).

Із збільшенням вмісту в покритті карбонатів зростає основність (лужність) шлаку, що знижує вміст кисню і кремнію в наплавленому металі. Це підвищує ударну в'язкість металу і стійкість проти утворення гарячих тріщин.

При гарантованій вологості покриттів досягається значне зниження водню в металі шва і зменшення утворення пір.

Електроди сушаться при температурі 200 °С протягом 1 ч.

Зварювання необхідно виконувати не раніше ніж через добу після сушіння електродів.

При підвищеній температурі прокалки електродів можуть з'явитися пори в шві. Пори можуть з'явитися при перевищенні струму при зварюванні таврових швів з зазорами і при зварюванні тонкого металу електродами великого діаметру.

При зварюванні рутиловими електродами пори не з'являються при зварюванні сталей, що мають окалину та іржу, при зміні довжини дуги, при зварюванні з грунтовим покриттям товщиною 20...25 мкм.

Стійкість проти утворення гарячих тріщин більше, ніж при зварюванні електродами з кислим покриттям.

Рутилові електроди за технологічними властивостями перевершують електроди з покриттям основного виду, забезпечуючи хорошу стабільність горіння дуги при зварці змінним і постійним струмом, мають низький коефіцієнт розбризкування металу, легку віддільність шлакової кірки, є кращими для зварювання у вертикальному і стельовому положеннях швів. Це відбувається тому, що утворюються при плавленні рутилових покриттів з'єднання титану швидко спливають з рідкої ванни на поверхню металу. Також в'язкість шлаку титанових покриттів різко зростає при зниженні температури, і такі шлаки називаються короткими.

Перевагою рутилових електродів є легкість запалювання дуги, мала схильність до утворення пір при запалюванні і короткочасному подовженні дуги, високий опір втомі зварних з'єднань.

Введення в рутилові покриття великої кількості залізного порошку знижує вміст вуглецю в шві, зменшує неоднорідність розподілу сірки, підвищує стійкість металу шва проти утворення гарячих тріщин.

Область застосування електродів з рутиловим покриттям — зварювання маловуглецевих і низьколегованих сталей. Їх не рекомендується застосовувати для зварювання конструкцій, що працюють при високих температурах.

Матеріал для стрижнів електродів

На виробництво електродів йде зварювальний дріт, яка виготовляється за ГОСТ 2246-70, в якому передбачені марки і хімічний склад металу, розміри, технічні вимоги, маркування, пакування, зберігання та транспортування.

По ГОСТ для зварювання і наплавлення виготовляють сталеву холоднотягнутий дріт діаметрами 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10 і 12 мм.

На виготовлення стрижнів електродів йде дріт діаметром від 1,6 до 12 мм.

Марки зварювального дроту поділяються на три основні групи:

• вуглецеві з вмістом вуглецю не більше 0,12%, призначені для зварювання низьковуглецевих, середньовуглецевих і деяких низьколегованих сталей; дріт простягається з вуглецевої киплячої сталі, що містить кремнію не більш 0,03%;
• леговані для зварювання низьколегованих, конструкційних, теплостійких сталей; дріт виготовляється з відповідних марок легованої сталі;
• високолеговані для зварювання хромистих, хромонікелевих, нержавіючих та інших легованих сталей.

Дріт маркується літерами Св (зварювальний) в поєднанні з буквами і цифрами, де букви позначають легуючі домішки (див. вище), перші дві цифри вказують вміст в сталі вуглецю в сотих частках відсотка, цифри після букви — кількість у відсотках даного елемента в складі дроту.

Відсутність цифри після позначення легуючого елемента означає, що цього елемента менше 1%. Буква А в кінці марки дроту вказує на знижений вміст шкідливих домішок (сірки і фосфору).

Наприклад, дріт марки Св-10ХГ2С містить 0,10% вуглецю, 1% хрому, до 2% марганцю і до 1% кремнію.

Хімічний склад зварювального дроту повинен відповідати складу зварюваної сталі.

Умовні позначення положень зварювання

Кожен вид електродів призначений для певних положень зварювання в просторі.

На рис. 1 наведені умовні позначення положень зварювання в просторі.

Рис. 1. Умовні позначення положень зварювання у просторі:
1 — стельове; 2 — кутове і таврове; 3 — вертикальне вгору; 4 — нижня; 5 — горизонтальне на вертикальній площині; 6 — вертикальне вниз; 7 — кутове і світове в стельовому положенні

Умовні позначення електродів

Електроди, поряд з позначеннями за типом (Е42, Э46, Э50 та ін) і марки (ОЗС-4, АНО-4, ТМЛ-1У та ін) мають універсальне умовне позначення у вигляді дробу, яке дає повні відомості про характеристики електрода.

На рис. 2 представлена структура умовного позначення електрода.

Рис. 2. Структура умовного позначення електрода

Для прикладу розглянемо електрод ОЗС-23, має позначення:

в якому:

• Е42 — тип електрода;
• ОЗС-23 — марка електрода;
• — знак діаметра;
• У — для зварювання вуглецевих і низьковуглецевих конструкційних сталей; застосовуються також позначення:
  • Л — для зварювання легованих конструкційних сталей;
  • В — для зварювання високолегованих сталей з особливими властивостями;
  • Т — для зварювання легованих теплостійких сталей;
  • Н — для наплавлення на поверхню металу;
• Д — з товстим покриттям; крім цього, можуть бути позначення:
  • М — з тонким покриттям;
  • З — із середнім покриттям;
  • Р — з особливо товстим покриттям;
• Е — для ручного дугового зварювання; позначення для інших видів зварювання:
  • G — газова зварювання;
  • MF — зварювання порошковим дротом;
  • TIG — зварювання неплавким електродом в інертному газі;
  • MIG — зварювання плавким електродом в захисному газі;
  • UP — зварювання під флюсом;
• 410 — група індексів, що вказують характеристики металу шва і наплавленого металу;
• Р — вид покриття електрода (рутиловое);
• 2 — позначення допустимих просторових положень зварювання або наплавлення;
• 3 — позначення роду струму, полярності, номінальної напруги холостого ходу джерела змінного струму.