5.Электроды для дуговой сварки
Плавящиеся электроды, применяемые при электрической дуговой сварке, представляют собой металлические стержни определенных размеров и химического состава, служащие как проводником электрического тока, так и присадочным металлом; на них нанесено покрытие с целью защиты зоны сварки от атмосферного воздуха, раскисления и легирования наплавленного металла, а также стабилизации дугового разряда.
В зависимости от состава электродного стержня и покрытия наплавленный металл обладает различными механическими и физико-химическими свойствами.
Главными функциями электродных покрытий являются защита зоны сварки от атмосферного воздуха, раскисление и легирование наплавленного металла, а также стабилизация дугового разряда.
Для выполнения этих функций в состав электродных покрытий должны входить следующие материалы:
Шлакообразующие материалы, основной задачей которых является создание шлакового покрова, защищающего расплавленный металл от атмосферного воздуха. Шлаки, образующиеся в результате расплавления этих материалов, являются той средой, в которой протекают металлургические процессы, и наряду с этим сами активно участвуют в них. Наиболее часто применяемыми шлакообразующими материалами служат: марганцевая руда, гематит, гранит, мрамор, кварц, рутил и др.
Для придания шлаку жидкотекучести, подвижности в его состэве должны находиться флюсующие вещества (плавни), обеспечивающие оптимальное значение вязкости шлака в определенном интервале температур. Короткие шлаки с требуемой температурой размягчения и интервалом плавления образуются при введении в состав электродного покрытия плавикового шпата, титаносодержащих руд, полевого шпата и др.
Газообразующие материалы, служащие для создания газовой защиты зоны сварки от атмосферного воздуха. Таковыми являются как различные органические вещества (крахмал, декстрин, целлюлоза и др.), так и минералы, которые при нагрезании диссоциируют с образованием газов (мрамор, магнезит и др.).
Раскисляющие материалы, в качестве которых при электрической дуговой сварке чаще всего используются ферросплавы элементов, обладающих достаточно высоким сродством к кислороду и другими качествами. Такими материалами являются: ферросилиций, ферротитан, ферромарганец, реже — ферроалюминий. Для диффузионного раскисления состав покрытия подбирается таким образом, чтобы поступающая в шлак закись железа связывалась в нем в силикаты или титаниты и тем самым способствовала непрерывному переходу FeO из металла ванны в шлак.
Легирующие материалы, задачей которых является легирование металла шва определенными элементами для придания требуемой технологической и эксплуатационной прочности. В качестве легирующих, как правило, используются соответствующие ферросплавы, иногда чистые металлы.
Стабилизирующие материалы, т. е. такие, которые содержат элементы с низким потенциалом ионизации (кальций, калий, натрий и др.) и снижают эффективный потенциал ионизации. Стабилизирующими материалами являются мел, мрамор, поташ, полевой шпат и др.
Цементирующие материалы, т. е. такие, на которых делается замес шихты с тем, чтобы после высыхания эти вещества скрепляли покрытие и придавали ему нужную прочность. В качестве цементирующего материала чаще всего используется жидкое стекло.
Формовочные добавки — вещества, придающие обмазочной массе лучшие кроющие свойства. В качестве формовочных добавок обычно применяется бентонит, иногда каолин, декстрин и др.
В ряде случаев одни и те же материалы выполняют ряд функций: мрамор является как шлакообразующим, так и газообразующим и стабилизирующим материалом, ферросплавы — раскислители являются одновременно и легирующими материалами и т. д.
На основе химического состава покрытия проведена классификация электродных покрытий:
Руднокислые электродные покрытия содержат окислы железа и марганца (обычно в виде руд), кремнезем, большое количество ферромарганца; для создания газовой защиты зоны сварки в покрытие вводят органические вещества (целлюлозу, древесную муку, крахмал и пр.), которые при нагревании разлагаются и сгорают с образованием смеси защитных газов.
Электроды имеют довольно большую скорость расплавления, коэффициент наплавки 8-11 г/А·ч, пригодны для сварки во всех пространственных положениях на постоянном и переменном токе; наплавленный металл соответствует типу электродов Э42 и содержит <0,12% С; <0,10% Si; 0,6-0,9 Мn; < 0,05% Р и < 0,05% S.
При плавлении электрода идет интенсивная экзотермическая реакция марганца и углерода кислородом окислов, разогревающая сварочную ванну и обеспечивающая гладкую поверхность наплавленного металла с небольшой чешуйчатостью. При большом содержании марганцевой руды образующийся дым вреден для сварщика и при недостаточной вентиляции может постепенно отравлять его соединениями марганца.
Электроды широко применяются в производстве всевозможных изделий из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, но на ряде предприятий применение этих электродов ограничено или запрещено из-за их токсичности.
Рутиловые электродные покрытия получают значительное применение в связи с развитием добычи минерала рутила, состоящего в основном из двуокиси титана TiO2. В покрытия, помимо рутила, введены кремнезем, ферромарганец, карбонаты кальция или магния.
Рутиловые покрытия по технологическим качествам близки к руднокислым, дают лучшее формирование, меньшее разбрызгивание и выделение газов, считаются менее вредными для сварщика. Наплавленный металл соответствует электродам типа Э42 и Э46; электроды могут применяться для более ответственных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей.
Фтористо-кальциевые электродные покрытия состоят из карбонатов кальция и магния, плавикового шпата и ферросплавов. Фтористо-кальциевые покрытия называются также основными, так как дают короткие шлаки основного характера, а электроды с таким покрытием называются также низководородистыми, так как наплавленный металл содержит водорода меньше, чем при других покрытиях. Газовая защита ванны обеспечивается двуокисью и окисью углерода, образующимися при разложении карбонатов под действием высокой температуры.
Электроды чаще используются на постоянном токе обратной полярности (плюс на электроде).
Наплавленный металл по составу соответствует спокойной стали, отличается чистотой, малым содержанием кислорода, азота и водорода; понижено содержание серы и фосфора, повышено — марганца (0,5-1,5%) и кремния (0,3-0,б%). Металл устойчив против старения, имеет высокие показатели механических свойств, в том числе ударной вязкости, и нередко по механическим свойствам превосходит основной металл.
Электроды с этим покрытием рекомендуются для наиболее ответственных конструкций из углеродистых и легированных сталей. Электроды с фтористо-кальциевым покрытием на протяжении многих лет являются наилучшими по качеству наплавленного металла.
Электроды с фтористо-кальциевым покрытием чувствительны к наличию окалины, ржавчины, масла на кромках основного металла и в этих случаях дают поры, как и при отсыревании электродов.
Свойства наплавленного металла можно менять в широких пределах, меняя количество ферросплавов в покрытии. Широко известен электрод этого типа, маркируемый УОНИ-13; он имеет несколько разновидностей; УОНИ-13/45, УОНИ-13/55 и т. д.; второе число указывает предел прочности наплавленного металла.
Органические электродные покрытия состоят из органических материалов, обычно из оксицеллюлозы, к которой добавлены шлакообразующие материалы, двуокись титана, силикаты и пр. и ферромарганец в качестве раскислителя и легирующей присадки.
Электроды пригодны для сварки во всех пространственных положениях на постоянном и переменном токе; малочувствительны к качеству сборки и состоянию поверхности металла, особенно пригодны для работы в монтажных и полевых условиях. Дают удовлетворительный наплавленный металл, соответствующий электродам типов Э42-Э50. Широко применяются на монтажных работах.
Все материалы, используемые для изготовления электродных покрытий, должны удовлетворять определенным условиям поставки, которые регламентируются соответствующими ГОСТ и ТУ.
Примером электродов с рудно-кислыми покрытиями являются электроды марок ОММ-5, ЦМ-7 и МЭЗ-04, получившие широкое распространение в промышленности. Эти электроды предназначены для сварки малоуглеродистых конструкционных сталей и относятся к типу Э-42. В качестве шлакообразующих используются руды и концентраты, в качестве газообразующих — крахмал. Основным раскислителем и легирующим материалом является ферромарганец. Некоторое количество кремния (около 0,1 %), достаточное для подавления (совместно с марганцем) реакции окисления углерода в кристаллизующейся части сварочной ванны, восстанавливается из кремнезема, входящего в состав материалов покрытия. Сварка этими электродами может производиться как на постоянном, так и на переменном токе.
Примером электродов с покрытием на рутиловой основе являются электроды марки ЦМ-9. Шлакообразующими в этих электродах являются: рутил, полевой шпат и магнезит, газообразующими — декстрин и магнезит. Основным раскислителем и легирующим материалом служит ферромарганец, а также небольшое количество кремния, восстанавливаемого из полевого шпата. Электроды ЦМ-9, как и другие электроды на рутиловой основе, обеспечивают получение швов с гладкой мелкочешуйчатой поверхностью, имеющих плавное сопряжение с основным металлом.
В качестве примера электродов, покрытие которых построено на фтористо-кальциевой основе, приведены электроды марок УОНИ-13, УП2, а также ЦЛ-18 и ЦЛ-19. Электроды с покрытиями этого вида предназначаются для сварки конструкций из углеродистых и низколегированных сталей, а в случае требований повышенной пластичности и вязкости — и для сварки малоуглеродистых сталей.Во всех электродах с покрытиями этого вида основными шлакообразующими компонентами служат мрамор и плавиковый шпат, причем последний является флюсующим, а мрамор одновременно стабилизирующим и газообразующим материалом.
Подавляющее большинство электродов с покрытиями на фтористо-кальциевой основе пригодно только для сварки на постоянном токе при обратной полярности подключения из-за недостаточной стабильности дуги при сварке на переменном токе (вследствие влияния фтора, входящего в состав покрытия). Чтобы использовать электроды с покрытиями этого вида для сварки на переменном токе, в них дополнительно вводят ионизирующие вещества, снижающие эффективный потенциал ионизации (поташ, кальцинированную соду и др.). Металл, наплавленный электродами с покрытием на фтористо-кальциевой основе, обладает наилучшими пластическими свойствами при требуемом пределе прочности, а также высокой стойкостью против образования горячих трещин.
Однако в отличие от электродов с покрытиями на рудно-кислой и рутиловой основе, электроды с покрытием на фтористо-кальциевой основе обладают повышенной чувствительностью к порообразованию при сварке по окисленной и ржавой поверхности, а также при удлинении и обрыве дуги. Тем не менее при тщательной очистке кромок и соблюдении технологических рекомендаций при сварке электродами с покрытиями этого вида получаются плотные, высококачественные швы.
Примером электродов с покрытиями на органической основе служат электроды марок ОМА-2 и ЦЦ-1. Компонентами покрытия, создающими обильную газовую защиту зоны сварки, здесь являются органические вещества, например пищевая мука, целлюлоза. В качестве раскислителей используются ферромарганец и ферросилиций (или только ферромарганец); шлакообразующими являются титановый концентрат, рутил, а иногда и небольшие добавки других материалов. Отличительной технологической особенностью является малый относительный вес покрытия, что делает эти электроды удобными для сварки в пространственных положениях, отличных от нижнего, а также для сварки тонколистовых конструкций.
4.Ручная дуговая сварка – это сварка покрытым металлическим электродом. Является наиболее старой и универсальной технологией дуговой сварки.
Технология ручной дуговой сварки
Для образования и поддержания электрической дуги к электроду и свариваемому изделию (см. рисунок) от источника питания подводится сварочный ток (переменный или постоянный).
Рисунок. Ручная дуговая сварка
Если положительный полюс источника питания (анод) присоединен к изделию, говорят, что ручная дуговая сварка производится на прямой полярности. Если на изделии отрицательный полюс, то полярность обратная. Под действием дуги расплавляются металлический стержень электрода (электродный металл), его покрытие и металл изделия (основной металл). Электродный металл в виде отдельных капель, покрытых шлаком, переходит в сварочную ванну, где смешивается с основным металлом, а расплавленный шлак всплывает на поверхность.
Размеры сварочной ванны зависят от режимов и пространственного положения сварки, скорости перемещения дуги по поверхности изделия, конструкции сварного соединения, формы и размера разделки свариваемых кромок и т.д. Они обычно находятся в следующих пределах: глубина до 6 мм, ширина 8–15 мм, длина 10–30 мм.
Длина дуги – расстояние от активного пятна на поверхности сварочной ванны до другого активного пятна на расплавленной поверхности электрода. В результате плавления покрытия электрода вокруг дуги и над сварочной ванной образуется газовая атмосфера, оттесняющая воздух из зоны сварки для предотвращения его взаимодействия с расплавленным металлом. В газовой атмосфере также присутствуют пары легирующих элементов, основного и электродного металлов.
Шлак, покрывая капли расплавленного электродного металла и поверхность сварочной ванны, препятствует их взаимодействию с воздухом, а также способствует очищению расплавленного металла от примесей.
По мере удаления дуги металл сварочной ванны кристаллизуется с образованием шва, соединяющего свариваемые детали. На поверхности шва образуется слой затвердевшего шлака.
Способы зажигания дуги при ручной дуговой сварке
Дуга зажигается кратковременным прикосновением конца электрода к свариваемому изделию. В результате протекания тока короткого замыкания и наличия контактного сопротивления торец электрода быстро нагревается до высокой температуры, при которой после отрыва электрода происходит ионизация газового промежутка и возникает сварочная дуга. Для надежного зажигания дуги сварщик должен отводить электрод от изделия на высоту 4–5 мм, так как при большем расстоянии между концом электрода и изделием дуга не возникает.
Обычно зажигание дуги осуществляется либо прямым отрывом электрода после короткого замыкания (А на рисунке ниже), либо скользящим движением конца электрода (Б на рисунке ниже).
Рисунок. Зажигание дуги при ручной дуговой сварке
Ведение дуги производится таким образом, чтобы обеспечить проплавление свариваемых кромок и получить требуемое качество наплавленного металла при хорошем формировании. Это достигается путем поддержания постоянства длины дуги и соответствующего перемещения конца электрода.
Перемещения электрода при ручной сварке
В процессе сварки электроду сообщается движение в трех направлениях. Первое движение – поступательное, направлено по оси электрода. Этим движением поддерживается постоянная длина дуги в зависимости от скорости плавления электрода. Длина дуги при ручной сварке в зависимости от условий сварки и марки электрода должна быть в пределах (0,5–1,2)dэл. Чрезмерное уменьшение длины дуги ухудшает формирование шва и может привести к короткому замыканию. Чрезмерное увеличение длины дуги приводит к снижению глубины провара, увеличению разбрызгивания электродного металла и ухудшению качества шва как по форме, так и по механическим свойствам, а при сварке электродами с покрытием основного вида – и к порообразованию.
Второе движение – перемещение электрода вдоль оси валика для образования шва. Скорость этого движения устанавливается в зависимости от силы тока, диаметра электрода, скорости его плавления, вида шва и других факторов. При отсутствии поперечных движений электрода получается узкий шов (ниточный валик) шириной примерно 1,5 диаметра электрода. Такие швы применяют при сварке тонких листов, наложении первого (корневого) слоя многослойного шва, сварке по способу опирания и в других случаях.
Третье движение – перемещение электрода поперек шва для получения требуемых ширины шва и глубины проплавления. Поперечные колебательные движения конца электрода определяются формой разделки, размерами и положением шва, свойствами свариваемого материала, навыком сварщика (см. рисунок ниже). Ширина швов, получаемых с поперечными колебаниями, обычно составляет 1,5–5 диаметров электрода.
Рисунок. Основные виды траекторий поперечных движений конца электрода при слабом (А, Б), усиленном (Е–Ж) прогреве свариваемых кромок, усиленном прогреве одной кромки (З, И), прогреве корня шва (К).
Техника ручной сварки в различных пространственных положениях
Техника выполнения ручной дуговой сварки во многом зависит от пространственного положения сварного шва. При сварке различают нижнее (0–60°), вертикальное (60–120°) и потолочное (120–180°) положения (см. рисунок).
Рисунок. Различные положения изделия при ручной дуговой сварке
Ручная дуговая сварка в нижнем положении
При ручной сварке в нижнем положении основная проблема состоит в том, чтобы обеспечить полное проплавление сечения без образования прожогов.
На рисунке приведены различные варианты выполнения швов в нижнем положении. При сварке односторонних швов на весу (рисунок А), как правило, очень трудно избежать непроваров или прожогов, поэтому для односторонних швов обычно применяют способы удержания сварочной ванны:
сварка на съемной медной подкладке (рисунок Б);
сварка на остающейся стальной подкладке (рисунок В);
наложение подварочного шва (рисунок Г);
вырубка непровара с последующей заваркой корня шва (рисунок Д).
Рисунок. Способы удержания сварочной ванны 1 – съемная медная подкладка; 2 – остающаяся стальная подкладка; 3 – основной шов; 4 – подварочный шов
Сварку угловых швов в нижнем положении можно выполнять двумя способами: при повороте изделия на 45° (так называемое положение «в лодочку») и наклонным электродом (см. рисунок ниже). Сварка «в лодочку» более предпочтительна, так как при сварке наклонным электродом из-за отекания расплавленного металла трудно предупредить подрез по вертикальной плоскости и обеспечить провар по нижней плоскости.
Рисунок. Техника выполнения угловых швов при ручной дуговой сварке: А – «в лодочку»; Б – наклонным электродом
Ручная дуговая сварка в вертикальном положении
При ручной сварке в вертикальном положении стекание расплавленного металла также оказывает существенное влияние на формирование шва и глубину проплавления (см. рисунок). Вертикальные швы обычно выполняют на подъем. В этом случае удается обеспечивать требуемый провар и поддерживать расплавленный металл на кромках. Однако производительность сварки низкая и увеличивается при сварке на спуск. Однако из-за малой глубины проплавления это возможно только для тонкого металла и при применении специальных электродов.
Рисунок. Ручная дуговая сварка швов в вертикальном положении
Особенно неблагоприятные условия формирования шва наблюдаются при выполнении на вертикальной плоскости горизонтальных швов, так как расплавленный металл натекает на нижнюю свариваемую деталь.
Ручная дуговая сварка в потолочном положении
Достаточно сложна и ручная сварка в потолочном положении. Расплавленный металл в сварочной ванне в этом случае удерживается от вытекания силой поверхностного натяжения (см. рисунок). Поэтому необходимо, чтобы вес расплавленного металла не превысил эту силу. Для этого стремятся уменьшить размеры сварочной ванны, выполняя сварку периодическими короткими замыканиями, давая возможность металлу шва частично закристаллизоваться. Применяют также уменьшенные диаметры электродов, снижают силу сварочного тока, используют специальные электроды, обеспечивающие получение вязкой сварочной ванны
Рисунок. Формирование ванны и шва при ручной дуговой сварке в потолочном положении
Преимущества ручной дуговой сварки
возможность сварки в любых пространственных положениях;
возможность сварки в местах с ограниченным доступом;
сравнительно быстрый переход от одного свариваемого материала к другому;
возможность сварки самых различных сталей благодаря широкому выбору выпускаемых марок электродов;
простота и транспортабельность сварочного оборудования.
Недостатки ручной дуговой сварки
низкие КПД и производительность по сравнению с другими технологиями сварки;
качество соединений во многом зависит от квалификации сварщика;
вредные условия процесса сварки.