Типы покрытий и свойства электродов

 

Все покрытия должны удовлетворять следующим требованиям:

 

- обеспечивать стабильное горение дуги;

 

- физические свойства шлаков, образующих при плавлении электрода, должны обеспечивать нормальное формирование шва и удобное манипулирование электродом;

 

- не должны происходить реакции между шлаками, газами и металлом, способные вызвать образование пор в сварных швах;

 

- материалы покрытия должны хорошо измельчаться и не вступать в реакцию с жидким стеклом или между собой в замесе;

 

- состав покрытий должен обеспечивать приемлемые санитарногигиенические условия труда при изготовлении электродов и в процессе их сгорания.

 

Электрод, состоящий из электродного стержня и покрытия, при плавлении образует расплавленный металл и шлак. Шлак должен обладать определенными физическими и химическими свойствами.

 

К физическим свойствам шлака относят температуру плавления, температурный интервал затвердевания, теплоемкость, теплосодержание, вязкость, способность растворять окислы, сульфиды и т. д., плотность, газопроницаемость и коэффициенты линейного и объемного расширения.

 

К химическим свойствам относят способность шлака раскислять расплавленный металл сварочной ванны, связывать окислы в легкоплавкие соединения, а также легировать расплавленный металл сварочной ванны.

 

Физические свойства образующихся шлаков оказывают значительное влияние на процесс сварки и формирование сварного шва. Во всех электродных покрытиях при их плавлении плотность шлака должна быть ниже плотности металла сварочной ванны, что обеспечит его всплывание. Температурный интервал затвердевания шлака должен быть ниже температуры кристаллизации металла сварочной ванны, иначе слой шлака не будет пропускать выделяющиеся из сварочной ванны газы. Шлак должен покрывать сварной шов по всей поверхности ровным слоем.

 

Шлаки, образующиеся при плавлении электродных покрытий, бывают «длинные» и «короткие». «Длинными» называют такие шлаки, в составе которых содержится значительное количество кремнезема. Возрастание их вязкости при понижении температуры происходит медленно. Электроды, имеющие покрытия, образующие при плавлении «длинные» шлаки, не пригодны для сварки в вертикальной и потолочной плоскостях, так как сварочная ванна длительное время находится в жидком состоянии. Для сварки во всех пространственных положениях применяют электроды, покрытия которых при плавлении дают «короткие» шлаки; возрастание вязкости расплавленного шлака с понижением температуры происходит быстро, поэтому закристаллизовавшийся шлак препятствует стеканию металла шва, находящегося еще в жидком виде. «Короткие» шлаки дают электроды с рутиловым и основным покрытием.

 

Достаточно хорошую отделимость шлаковой корки от поверхности металла получают при применении шлаков, имеющих коэффициент линейного расширения, отличающийся от коэффициента линейного расширения металла.

 

Органические соединения, используемые в покрытиях, - мука, крахмал, декстрин, целлюлоза, дают в основном только газовую защиту. В качестве шлакообразующих добавок используют рутил, титановый концентрат, марганцовую руду, окислы марганца и железа чаще в виде руд (гематита, марганцовой руды), алюмосиликаты (гранит), полевой шпат, карбонаты (мрамор) и т. д.

 

Газовая защита обеспечивается за счет разложения органических составляющих и в результате образования углекислого газа при диссоциации мрамора (СаСО3) в процессе нагрева. Имеющиеся в покрытии ферросплавы связывают кислород, который отдают при нагревании шлакообразующие окислы, входящие в покрытие.

 

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

 

Cn(H2O)n-1 → (n - 1)CO + (n - 1)H2 + C

 

и диссоциации карбонатов при температуре ~ 900 °С (при парциальном давлении в газовой фазе Рсо2 = 1 МПа)

 

СаСО3 → СаО+ СО2,

 

MgCO3 → MgO + CO2, а также последующей диссоциации CO2:

 

CO2 → СО + 1/2О2.

 

Процесс диссоциации происходит недалеко от торца электрода. Расчеты показывают, что при температуре 0 °С и давлении 1 МПа диссоциация 1 г органических соединений приводит к выделению примерно 1450 см СО + Н2, а 1 г карбоната СаСО3 - к выделению 340 см газов. В столбе дуги газы нагреваются до средней температуры 550 - 800 °С; объем выделившихся при этих температурах газов составляет соответственно 1000 - 1400 см (при нагреве газа на 1 °С его объем увеличивается на 1/273). При обычном составе электродных покрытий на каждый грамм металла электродного стержня выделяется 90 - 120 см защитного газа (СО2, Н2), что 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: оксиды СаО, МgО, МпО, FеО, А12О3, SiO2, TiO2, Na2O, галогены СаF2 и др.

 

При изготовлении электродов для сварки алюминия и его сплавов ввиду его большого сродства к кислороду применять покрытия из окислов нельзя, так как металл будет разрушать эти окислы и интенсивно окисляться. В этих случаях покрытия практически полностью состоят из бескислородных соединений, хлоридов и фторидов (КС1, NaС1, KF и т. п.).

 

Существует следующая классификация типов электродных покрытий: рудно-кислое, основное, рутиловое, целлюлозное, смешанное, специальное.

 

Рудно-кислое покрытие (А) состоит из оксидов железа, марганца, титана, кремния. Они представляют собой шлаковую основу покрытия. При плавлении образуются шлаки с ярко выраженными окислительными свойствами и затвердевающие в виде легко отделяющейся сотовой структуры. Газовую защиту обеспечивают небольшие добавки органических компонентов, например целлюлозы. В качестве раскислителя и легирующего компонента используют ферромарганец. При плавлении кислых покрытий большая часть введенных в них ферросплавов окисляется рудами; легирование металла кремнием и марганцем идет по схеме кремнемарганцевосстанови- тельного 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.

 

С энергетической точки зрения электроды с таким покрытием имеют ряд преимуществ: характеризуются достаточно высокой скоростью расплавления, обеспечивают сварку на форсированных режимах. Электроды с кислым покрытием обладают высокой проплавляющей способностью. Они наиболее технологичны при сварке в нижнем положении, но могут применяться и для выполнения вертикальных и горизонтальных швов.

 

С металлургической точки зрения электродам с кислым покрытием присущ ряд существенных недостатков: металл шва имеет повышенное содержание кислорода, фосфора, серы и чувствителен к образованию холодных и горячих трещин, особенно при сварке спокойных сталей. Электроды с руднокислым покрытием обеспечивают весьма посредственный уровень характеристик механических свойств металла шва, неблагоприятны по санитарно-гигиеническим показателям. Поэтому область их применения ограничена и в настоящее время они заменены более совершенными.

 

Рутиловое покрытие (Р). В настоящее время электроды общего назначения выпускают в основном с рутиловым покрытием. Они обладают высокими сварочно-технологическими свойствами, обеспечивающими получение швов с гладкими и плавными очертаниями во всех пространственных положениях, удовлетворительным для конструкций уровнем механических свойств металла шва, в состав покрытия можно вводить большое количество железного порошка для повышения коэффициента наплавки («высокопроизводительные» электроды), хорошими санитарно-гигиеническими свойствами при их изготовлении и при сварке. Покрытие рутиловых электродов содержит до 45 - 50 % рутила или ильменита. Кроме того, они содержат минеральные силикаты (слюду, полевой шпат, маршаллит), карбонаты (магнезит, мрамор), небольшие добавки органических компонентов (целлюлозу). В качестве легирующего и раскисляющего компонента используют ферромарганец. При комплексном раскислении увеличивается склонность металла шва к порообразованию. Титаносиликатные шлаки обладают более слабой окислительной способностью, чем кислые шлаки - силикаты, характерные для кислого и окислительного покрытий. Поэтому металл шва при сварке электродами с рутиловым покрытием в меньшей степени загрязнен эндогенными неметаллическими включениями, что в основном и предопределяет его более высокие вязкопластические свойства.

 

Основное покрытие (Б) обычно базируется на карбонате кальция и плавиковом шпате (реже других фторидных соединениях). В состав покрытия вводят также минеральные силикаты (кварц, гранит и т. д.) и несколько раскислителей одновременно (ферромарганец, ферросилиций и ферротитан, реже вместо ферротитана применяют алюминиевый порошок). С металлургической точки зрения, образующийся шлак, содержащий оксиды кальция, кремния, железа, алюминия, носит ярко выраженный основной характер, что отличает его от ранее рассмотренных шлаковых систем. Шлак состоит из темных столбчатых кристаллитов CaSiO3 на фоне силикатной матрицы и светлой дендритной сетки Fe2O3 2CaO3, имеет плотное строение, коричневый или темно-коричневый цвет и блестящую стекловидную поверхность. Его отделимость хуже, чем титаносодержащих шлаков рутиловых и целлюлозных электродов.

 

Сварку электродами с основным покрытием осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Для сварки переменным током необходимы специальные меры: дополнительное введение в состав покрытия ионизаторов, применение электродов со специальным двухслойным покрытием и т. д. Основной шлак, как правило, пригоден для сварки во всех пространственных положениях, однако для обеспечения сварки сверху вниз ему необходимо придать специальные физические свойства. Технологичность основного покрытия при сварке корневого слоя шва обычно хуже, чем целлюлозного.

 

Диссоциация карбонатов основного покрытия обеспечивает интенсивную газовую защиту расплавленного металла, а основной шлак - десульфурацию металла. Физические свойства основного шлака определяют достаточно полное интенсивное удаление из металла шва неметаллических включений. Раскисление и модифицирование металла шва происходит благодаря использованию активных раскислителей. Малое содержание оксидных включений в металле шва в сочетании с благоприятным составом сульфидных фаз обусловливает высокие вязкопластические свойства металла шва и хорошую сопротивляемость образованию горячих трещин. На базе основных покрытий выпускают «низководородистые» электроды, обладающие малой чувствительностью к образованию холодных трещин.

 

К недостаткам основного покрытия электродов следует отнести низкую технологичность при сварке переменным током; трудности при изготовлении, в частности необходимо применение особых добавок, пластифицирующих обмазочную массу; чувствительность к порообразованию при увлажнении покрытия и наличии влаги, окалины или ржавчины на свариваемых кромках. В связи с высокой степенью раскисления сварочная ванна адсорбирует водород в значительно большем количестве, чем кипящая. Поэтому необходимо строго ограничивать содержание влаги в электродном покрытии путем высокотемпературной прокалки их на заводе-изготовителе, повторной прокалки перед сваркой, хранением непосредственно перед сваркой в специальных термопеналах и т. д.

 

Основное покрытие используется для электродов специального назначения: высокопрочных, хладостойких, теплоустойчивых, жаропрочных, коррозионно-стойких и т. д.

 

Целлюлозное покрытие (Ц). При введении в рутилосиликатное покрытие 30 - 40 % целлюлозы электроды приобретают ярко выраженные газозащитные свойства. Покрытие электродов иногда содержит ряд специальных компонентов, например асбест. Раскисление сварочной ванны осуществляется с помощью ферромарганца. Введение активных раскислителей (ферротитана и особенно ферросилиция) увеличивало бы чувствительность металла шва к образованию пор. Уровень механических свойств металла шва примерно такой же, как и при сварке электродами с рутиловым покрытием. Количество образующегося сварочного шлака невелико, он легко отделяется даже при сварке многослойных швов в достаточно глубокие разделки. Высокое содержание водорода в атмосфере дуги определяет повышенное напряжение в приэлектродных областях.

 

Электроды с целлюлозным покрытием характеризуются высокой проплавляющей способностью и значительной скоростью расплавления. Они обеспечивают сварку во всех пространственных положениях, в том числе сварку сверху вниз, с высокой линейной скоростью до 25 м/ч. Сварка корневого слоя шва осуществляется опиранием торца электрода на свариваемые кромки с формированием с обратной стороны шва плавного валика. Поэтому при сварке отпадает необходимость подварки швов изнутри и обеспечивается наиболее благоприятная, с точки зрения работоспособности, форма зоны проплавления сварных соединений. Электроды с покрытием этого вида наиболее широко применяют для сварки стыков магистральных трубопроводов.

 

К недостаткам следует отнести повышенные потери электродного металла на разбрызгивание, образование узких трещиноподобных подрезов по свариваемым кромкам (для устранения которых корневой шов обрабатывают абразивными дисками), грубочешуйчатую поверхность швов, высокий уровень содержания в металле шва диффузионно-подвижного водорода. Для предотвращения влияния водорода при наличии мартенсита в зоне термического влияния на образование холодных трещин перед сваркой электродами с целлюлозным покрытием осуществляют подогрев кромок до 100 - 200 °С. После сварки корневого слоя выполняют «горячий проход» (второй слой наносят, пока первый не охладился ниже 100 оС), температуру между слоями поддерживают на уровне 60 - 80 оС. Технологическая особенность электродов с рассматриваемыми покрытиями, объединяющая их с рутиловыми, - необходимость предотвращения излишне низкой влажности во избежание образования пор (для целлюлозного покрытия содержание влаги находится в пределах 1,5 - 5,0 %).

 

Смешанное покрытие. Кроме перечисленных типов покрытий существуют рутило-карбонатные, карбонатно-рутиловые и рутилокарбонатнофтористые покрытия. Электроды с такими покрытиями появились в результате попыток объединить преимущества рутиловых и основных покрытий. В результате несколько повышаются вязкопластические свойства металла в сравнении со сваркой электродами с чисто рутиловым покрытием (рутило-карбонатное покрытие) или улучшаются физические свойства основных шлаков при одновременном снижении чувствительности к порообразованию металла шва (карбонатно-рутиловое покрытие).

 

К специальным электродным покрытиям относятся, в частности, так называемые «гидрофобные» покрытия. Необходимость в таких покрытиях определяется большим объемом сварочных работ, выполняемых в особых условиях (при повышенной влажности окружающего воздуха, под водой, например, при сварке и ремонте оснований платформ для добычи нефти и газа в открытом море или при ремонте морских трубопроводов и т. д.). Существует два основных пути создания гидрофобных покрытий:

 

- добавка в обычное связующее электродных покрытий (жидкое стекло) гидрофобных полимеров (до 10 % специальных кремнийорганических соединений, синтетических смол, лаков и т. д.). Введение полимеров позволяет в процессе полимеризации в смеси с отвердителем (рудоминеральными компонентами покрытия) получать гидрофобную смолу сложного состава, заполняющую поры между частицами покрытия и перекрывающую пути проникновения влаги во внутренние слои покрытия;

 

- замена силикатного связующего полимеризующимся органическим, обладающим целым рядом специальных физико-химических свойств (необходимой вязкостью, адгезией к металлу, пластифицирующей способностью, подходящим режимом отверждения и т. д.).

 

При использовании в качестве связующих полимеров удается в несколько раз снизить содержание влаги в электродном покрытии и сохранить необходимую механическую прочность при работе во влажной атмосфере и под водой.

 

Покрытия, наносимые на стержни слоем 0,8 - 1,5 мм на сторону, относятся к виду С или Д. Коэффициент массы покрытия электродов этого вида k = 0,3 - 0,45, а для покрытия типа тонкого (М) - только 0,1. Покрытия кислого типа обеспечивают наплавленному металлу прочность и пластичность, соответствующую электродам типа Э42. Электроды, дающие наплавленный металл повышенной пластичности, могут быть получены только при основном покрытии.

 

Типу Э38 соответствуют электроды с тонким стабилизирующим, чаще всего меловым покрытием. Коэффициент массы такого покрытия 0,03 - 0,05. Оно практически не защищает металл от воздействия воздуха и предназначено только для стабилизации дуги (прежде всего при переменном токе). Вследствие низких механических свойств металла шва, недостаточно стабильного горения дуги (по сравнению с толстопокрытыми электродами) и невысокой производительности электроды с меловым покрытием применяют очень редко.

 

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

 

В покрытие электродов для сварки глубоким проплавлением вводят повышенное количество органического вещества - целлюлозы (до 30 %), рутила, карбонатов и железа. Покрытие наносят слоем повышенной толщины (коэффициент массы покрытия 0,8 - 1). В результате этого при сварке на торце электрода образуется глубокая втулка из нерасплавившегося 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.

 

Введение в покрытие железного порошка до 20 % (покрытие с индексом Ж) 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 k = 1,2 - 1,8.

 

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 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.

 

Электроды характеризуют по свойствам наплавленного ими металла, к которым относятся прочность, пластичность, удлинение, ударная вязкость, твердость, коррозионная стойкость, стойкость против старения, а при наплавочных работах износостойкость.