Сварочные материалы
Сварочная проволока
Для заполнения шва в зону дуги вводят присадочный металл в виде прутка или проволоки. При ручной дуговой сварке применяют плавящиеся электроды в виде прутков или стержней с покрытием. При механизированной сварке используют электрод в виде проволоки, намотанной на кассету.
Стальная холодно тянутая проволока, идущая на изготовление электродов или применяемая как сварочная проволока, изготовляется по ГОСТ 2246 — 70 следующих диаметров: 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; 10,0 и 12,0 мм. Проволока поставляется в мотках (бухтах) из одного отреза. Проволока первых семи диаметров предназначена в основном для полуавтоматической и автоматической сварки в защитном газе. Для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом применяют проволоку диаметром 2...6 мм. Проволока диаметром 1,6... 12,0 мм идет на изготовление стержней электродов. Поверхность проволоки должна быть гладкой, чистой, без окалины, ржавчины, грязи и масла.
По химическому составу ГОСТ 2246—70 устанавливает три основные группы марок сварочной проволоки: низкоуглеродистые (6 марок) с содержанием углерода не более 0,12%, предназначенные для сварки низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и некоторых низколегированных сталей; легированные (30 марок) для сварки низколегированных, конструкционных и теплостойких сталей; высоколегированные (39 марок) для сварки хромистых, хромоникелевых, нержавеющих и других высоколегированных сталей.
Проволока маркируется индексом Св (сварочная) и следующих за ним букв и цифр. Буквами обозначены химические элементы, содержащиеся в металле проволоки: А — азот (только в высоколегированных проволоках), Г — марганец, С — кремний, X — хром, Н — никель, М — молибден, Т — титан, Ю — алюминий, Ц — цирконий и др. Первые две цифры, следующие за индексом Св указывают содержание углерода в сотых долях процента, а цифры после букв — содержание данного элемента в процентах. Отсутствие цифры после буквенного обозначения легирующего элемента означает, что этого элемента в проволоке менее одного процента. Буква А на конце обозначений марок низкоуглеродистой и легированной проволоки указывает на пониженное содержание вредных примесей (серы и фосфора). Например, сварочная проволока марки Св-08ХГ2С содержит 0,08% углерода, до 1 % хрома, до 2% марганца и до 1 % кремния.
Содержание углерода в сварочной проволоке не превышает 0,12—0,15% (за редким исключением), что снижает склонность металла шва к газовой пористости и образованию твердых закалочных структур. Содержание кремния в углеродистой проволоке составляет менее 0,03%, так как наличие кремния способствует образованию при сварке пор в металле шва. Допустимое содержание серы и фосфора также ограничено (0,04% каждого элемента), так как они даже при малой концентрации способствуют образованию трещин в сварном шве.
Медь и ее сплавы сваривают проволокой и прутками из меди и сплавов на медной основе (ГОСТ 16130—72). Алюминий и алюминиевые сплавы сваривают сварочной проволокой из алюминия и его сплавов (ГОСТ 7871—75). Для сварки других металлов и сплавов применяют сварочную проволоку или стержни, изготовленные либо по ГОСТу на свариваемый металл, либо по техническим условиям.
Вместо дорогостоящей легированной сварочной проволоки успешно применяют порошковую электродную проволоку. Ее изготовляют из стальной ленты, свернутой в трубочку, внутрь которой помещают шихту (порошок), состоящую из смеси ферросплавов, железного порошка и графита. Диаметр порошковой проволоки 2,5...5 мм. Состав шихты подбирают так, чтобы образовавшийся от расплавленных оболочки и шихты жидкий сплав имел после охлаждения химический состав и свойства, установленные для металла шва. Сварку порошковой проволокой производят открытой дугой, под флюсом или в защитных газах. При строительно-монтажных работах применяют порошковую проволоку марок ПП-АН1, ПП-АН2, ПП-АНЗ, ПП-ДСК. Они позволяют получать металл шва с высокими механическими свойствами.
В настоящее время получил применение разработанный Институтом электросварки им. Е. О. Патона способ сварки самозащитной проволокой, т. е. сплошной легированной проволокой без защитной среды (открытой дугой). Этот способ основан на использовании специальных электродных проволок, содержащих раскисляющие и стабилизирующие элементы. Обычно при сварке открытой дугой происходит выгорание марганца и кремния, а металл шва обогащается кислородом и азотом. При сварке специальной для данного способа легированной проволокой происходит компенсация выгорания марганца и кремния за счет повышенного их содержания в металле проволоки. Металл проволоки содержит также алюминий, титан, цирконий и церий. Эти элементы обеспечивают хорошее раскисление металла сварочной ванны, образуя соединения, переходящие в шлак. Кроме того, эти элементы связывают азот, нейтрализуя его вредное действие на пластичность и вязкость металла. Церий и цирконий повышают ударную вязкость и пластичность металла шва, а также способствуют устойчивому процессу сварки и уменьшению разбрызгивания металла. Этим способом можно производить сварку в углекислом газе постоянным током прямой полярности, что позволяет значительно повысить коэффициент наплавки и производительность сварки.
Металлические электроды
Металлические электроды изготовляют по ГОСТ 9466—75 «Электроды, покрытые металлические для ручной дуговой сварки и наплавки. Классификация, размеры и общие технические требования».
Электроды классифицируют по назначению, типу, маркам, толщине покрытия, качеству, допустимым пространственным положениям сварки или наплавки и т.д. По качеству (точность изготовления, состояние поверхности покрытия, сплошность металла шва, содержание серы и фосфора в наплавленном металле) электроды подразделяются на три группы: 1, 2, 3.
Покрытие электрода должно быть однородным, плотным, прочным, без трещин, вздутий, наплывов и эксцентричности относительно оси стержня. Допускаются шероховатость и отдельные риски глубиной менее четверти толщины покрытия, вмятины глубиной до половины толщины покрытия и другие мелкие дефекты. Прочность покрытия испытывают следующим образом: при падении плашмя на стальную плиту с высоты 1 м электродов диаметром менее 4 мм и с высоты 0,5 м электродов диаметром 4 мм и более покрытие не должно разрушаться. Влагостойкость покрытия проверяют погружением электрода в воду и выдержкой в течение 24 ч при температуре 15...25°С.
Электроды упаковывают в водонепроницаемую бумагу или полиэтиленовую пленку; пачки массой 3...8 кг укладывают в деревянные ящики. Масса ящика 30...50 кг. На каждой пачке имеются этикетка, содержащая наименование предприятия-изготовителя, условное обозначение электродов, область их применения, режимы сварки, механические и специальные свойства металла шва и др.
Электроды, изготовленные по ГОСТу, обеспечивают устойчивое горение дуги и спокойное равномерное плавление покрытия. Шлак ровным слоем покрывает наплавляемый металл и легко удаляется после остывания. Трещины, газовые поры и шлаковые включения в сварном шве не образуются. Содержание серы и фосфора в металле сварного шва при сварке низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей не превышает 0,05%, а при сварке легированных сталей повышенной прочности — 0,04%. Сварные швы высоколегированных сталей содержат серы не более 0,025% и фосфора не более 0,03%.
Типы и требования, предъявляемые к металлическим электродам для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей, регламентированы ГОСТ 9467—75. Для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей предусмотрено 9 типов электродов (Э38, Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55, Э60); для сварки легированных конструкционных сталей повышенной и высокой прочности — 5 типов (Э70, Э85, Э100, Э125, Э150); для сварки теплоустойчивых сталей — 9 типов (Э-09М, Э-09МХ и др.). При изготовлении стержней большинства этих электродов применяют проволоку Св-08 и Св-08А.
Тип электрода обозначается буквой Э и цифрой, указывающей гарантируемый предел прочности металла шва в кгс/мм2. Буква А в обозначении указывает, что металл шва, наплавленный этим электродом, имеет повышенные пластические свойства. Такие электроды применяют при сварке наиболее ответственных швов. Каждому типу электрода соответствует несколько марок, на каждую из которых разработаны технические условия. Например, типу Э42 соответствуют электроды ОММ-5, ЦМ-7, МЭЗ-04 и др. Марка электрода — это его промышленное обозначение, характеризующее стержень и покрытие.
Электродные покрытия делят на две группы: тонкие (стабилизирующие и ионизирующие) и толстые (качественные). Назначение тонкого покрытия — облегчить возбуждение дуги и стабилизировать ее горение. Для этого покрытие составляют из веществ, атомы и молекулы которых обладают низким потенциалом ионизации, т. е. легко ионизируются в воздушном промежутке дуги. Такими веществами являются калий, натрий, кальций, барий, литий, стронций и др. Они применяются, как правило, в виде углекислых солей: мел СаСО3, поташ К2СО3, углекислый барий ВаСО3 и др. В качестве связующего вещества применяют жидкое стекло, представляющее собой силикат натрия Na2O*SiO2. Покрытие наносят на стержень электрода слоем толщиной 0,1...0,25 мм, что составляет 1,5...2,5% от массы электрода. Тонкое покрытие не создает защиты для расплавленного металла шва и поэтому при сварке происходит его окисление и азотирование. Шов получается хрупким, пористым, с различными неметаллическими включениями. Поэтому электроды с тонким покрытием используют при выполнении неответственных сварных швов.
Наиболее простым тонким покрытием является меловое. Оно состоит из мелкопросеянного чистого мела, разведенного в жидком стекле. На 100 массовых частей мела берется 25...30 массовых частей жидкого стекла и полученная смесь размешивается в воде до сметанообразного состояния. Электродные стержни окунают в этот раствор и сушат при комнатной температуре или в сушильных шкафах при температуре ЗО...4ОoС. Такие электроды дают при сварке швы очень низкого качества и поэтому применяются редко.
Более качественные сварные швы дают электроды с тонким покрытием марки К-3 и А-1. Основной составляющей этих покрытий является титановый концентрат. Покрытие К-3 содержит 57,8% титанового концентрата и 42,2% марганцевой руды, а жидкое стекло составляет 25...35% от массы концентрата и руды. Покрытие А-1 содержит 86,6% титанового концентрата, 10,2% марганцевой руды, 3,2% калиевой селитры. Жидкое стекло берется в количестве 30...35% от массы перечисленных компонентов. При сварке тонкостенных изделий хорошие результаты дает покрытие МТ, состоящее из 62% титанового концентрата, 31% полевого шпата и 7% хромовокислого калия. Жидкое стекло составляет 30% от массы остальных компонентов. Применяют и ряд других покрытий, имеющих различные назначения.
Сварное соединение высокого качества выполняют электродами с толстым покрытием. Поэтому эти покрытия называют качественными. Качественное покрытие выполняет следующие функции: обеспечивает устойчивое горение дуги; защищает расплавленный металл шва от воздействия кислорода и азота воздуха; раскисляет образующиеся в металле шва оксиды и удаляет невосстанавливаемые оксиды в шлак; изменяет состав наплавляемого металла вводом в него легирующих примесей; удаляет серу и фосфор из расплавленного металла шва; образует шлаковую корку над металлом шва, замедляет его охлаждение и тем самым способствует выходу газов и неметаллических включений на поверхность металла шва. Разработанная советскими учеными теория сварочных процессов дает возможность точно рассчитать состав электродных покрытий в зависимости от состава свариваемого металла и требований, предъявляемых к сварному шву.
Для выполнения перечисленных выше функций электродное качественное покрытие должно содержать следующие компоненты:
Ионизирующие вещества для снижения эффективного потенциала ионизации. Это обеспечивает стабильное горение дуги. В качестве ионизирующих компонентов в покрытия вводят такие вещества, как мел, мрамор, поташ, полевой шпат и др.
Газообразующие вещества, которые при сварке разлагаются или сгорают, выделяя большое количество газов, создающих в зоне дуги газовую оболочку. Благодаря этой оболочке металл шва предохраняется от воздействия атмосферного кислорода и азота. Такими газообразующими веществами являются крахмал, древесная мука, целлюлоза и др.
Раскисляющие вещества, которые обладают большим сродством к кислороду и поэтому восстанавливают металл шва. Раскислителями служат ферросплавы, алюминий, графит и др.
Шлакообразующие вещества, создающие шлаковую защиту расплавленного металла шва, а также капель электродного металла, проходящих через дуговой промежуток. Кроме того, шлаки активно участвуют в металлургических процессах при сварке и способствуют получению качественного шва. В качестве шлакообразующих веществ применяются полевой шпат (К2О * Аl2О3 * 6SiO2), кварц (SiO2), мрамор, рутил, марганцевая руда и др.
Легирующие вещества, которые в процессе сварки переходят из покрытия в металл шва и легируют его для придания тех или иных физико-механических свойств. Хорошими легирующими веществами являются ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферротитан. Реже применяют различные оксиды металлов (меди, хрома и др.).
Связующие вещества, предназначенные для замеса всех компонентов покрытия в виде пасты, а также для связывания пасты на сердечнике электрода и придания определенной прочности после высыхания покрытия. Таким веществом является жидкое стекло. Реже применяется декстрин.
Одной из важных характеристик электрода является коэффициент массы покрытия, равный отношению массы покрытия к массе покрытой части электрода.
По виду покрытия электроды подразделяются: с кислым покрытием — условное обозначение А; с основным покрытием — Б; с целлюлозным покрытием — Ц; с рутиловым покрытием — Р.
Кислые покрытия содержат руды в виде оксидов железа и марганца; при плавлении они выделяют кислород, способный окислить металл ванны и легирующие примеси. Для ослабления действия кислорода в покрытие вводят раскислители в виде ферросплавов. Однако наплавленный металл имеет относительно малую вязкость и пластичность и пониженное содержание легирующих примесей. К этому виду относятся покрытия ОММ-5, ЦМ-7 и др. Покрытие ОММ-5 состоит из 37% титанового концентрата, 21% марганцевой руды, 13% полевого шпата, 20% ферромарганца и 9% крахмала. Коэффициент массы покрытия составляет 30 ...38%. Покрытие ЦМ-7 содержит 33% гематита (Fe2О3, 30% ферромарганца, 32% гранита и 5% крахмала. Коэффициент массы покрытия — 40 ... 45%.
Рутиловые покрытия, основным компонентом которых является рутил (TiOsub>2 — двуоксид титана). Шлакообразующими компонентами служат рутил, а также полевой шпат, магнезит и др. В качестве раскислителя и легирующего компонента применяют ферромарганец. В практике применяют покрытия ЦМ-9, МР-3 и др. Покрытие ЦМ-9 содержит 48% рутила, 30% полевого шпата, 15% ферромарганца, 5% магнезита и 2% декстрина. Коэффициент массы покрытия 38 ...42%. Коэффициент наплавки— 9,5 ...10,5 г/(А*ч). Покрытие МР-3 состоит из рутила (50%), мрамора или мела (18%), ферромарганца (15,5%), каолина (5%), оксицеллюлозы (1,5%) и талька (10%). Коэффициент массы покрытия составляет 38 ... 42%.
Целлюлозные покрытия, содержащие главным образом органические компоненты в качестве газообразующих и связующих веществ. В качестве раскислителей введены ферромарганец, ферросилиций. К этой группе относятся покрытия ОМА-2, ЦЦ-1, ВСП ВНИИСТ и др. Покрытие ОМА-2 состоит из титанового концентрата (36,5%) марганцевой руды (3,5%), калиевой селитры (2%), ферромарганца (6%), ферросилиция (5%) и муки (47%). Коэффициент массы покрытия — 9 ... 10%. Покрытие ЦЦ-1 содержит 25% рутила, 20% ферромарганца, 45% целлюлозы и 10% талька. Коэффициент массы покрытия составляет 12 ... 15%. Коэффициент наплавки достигает 10 г/(А*ч).
Основные покрытия, составленные на основе плавикового шпата (CaFsub>2) и мрамора (карбонат кальция СаСОsub>3). Отсутствие в составе этого покрытия оксидов железа и марганца позволяет широко легировать наплавляемый металл. При сварке можно получить металл шва заранее заданного химического состава с хорошими механическими свойствами. В качестве раскислителей покрытие содержит ферротитан, ферромарганец и ферросилиций. В эту группу входят покрытия типа УОНИ-13, содержанию мрамор (51 ... 54%), плавиковый шпат (15... 18%), кварцевый песок (8... 9%), ферромарганец (2... 7%), ферросилиций (3... 10%), ферротитан (9 ... 16%) и ферромолибден (до 5%). Коэффициент массы покрытия составляет 33 ... 38%.
Условное обозначение электрода включает марку электрода, диаметр стержня, группу по качеству и номер ГОСТа. Например, «Электрод УОНИ 13/45—3,0—2 ГОСТ 9466—75».
В промышленности и строительстве получили широкое применение следующие марки электродов. Электрод ОММ-5 относится к электродам типа Э42; применяется для сварки ответственных конструкций из низкоуглеродистой cтали на переменном и постоянном токе. Коэффициент наплавки достигает 8,0 г/(А * ч). Сварка производится при любом пространственном положении шва. Электрод ЦМ-7 относится также к электродам типа Э42 и применяется для сварки ответственных швов конструкций из низкоуглеродистой стали во всех пространственных положениях (при потолочных швах качество сварки снижается). Коэффициент наплавки равен 11 г/(А*ч). Электрод отличается высокой производительностью, так как допускает применение больших плотностей тока. Электрод ЦМ-7с отличается от электрода ЦМ-7 большей толщиной покрытия и предназначен для скоростной сварки швов в нижнем положении. Электроды типа УОНИ-13 дают высокое качество металла шва и применяются для сварки ответственных швов из конструкционных сталей. Они выпускаются нескольких марок: УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, УОНИ-13/65 и УОНИ-13/85. Цифры после черты означают получаемый предел прочности металла шва в кгс/мм. Сварку можно производить при любом положении шва, но только на постоянном токе обратной полярности. Эти электроды применяют в заводских и монтажных условиях. Коэффициент наплавки электрода УОНИ-13/45 равен 9,8 г/(А * ч), а у электродов остальных марок — 8 г/ (А*ч). Электрод СМ-11 (тип Э42А) получил большое распространение в строительстве и монтаже сварных конструкций. Наплавленный металл имеет высокие механические свойства. Коэффициент наплавки достигает 10 г/(А*ч). Важным положительным качеством электрода СМ-11 является устойчивость сварки в условиях монтажа, когда необходимо поддерживать постоянство длины сварочной дуги. Таким же качеством обладают электроды марки МР-3, имеющие коэффициент наплавки 9 г/(A*ч). Они предназначены для сварки постоянным и переменным током.
Для сварки ответственных конструкций из низкоуглеродистых сталей переменным или постоянным током во всех пространственных положениях хорошие результаты дают электроды типа Э42 марки АНО-5, имеющие коэффициент наплавки 11 г/(А*ч), и марки АНО-6 с коэффициентом наплавки 8,5 г/(А*ч). Для сварки деталей из низкоуглеродистой стали, работающих при динамических нагрузках, применяют электроды марки АНО-3 и АНО-4 (тип Э46) с коэффициентом наплавки 8 г/(А*ч). Электроды марки АНО характеризуются устойчивым горением дуги, незначительным разбрызгиванием металла, стойкостью против образования кристаллизационных трещин и легкостью отделения шлаковой корки. Особо следует отметить их низкую токсичность.
Для сварки тонколистовой стали толщиной 0,8 ... 2,5 мм применяют электроды ОМА-2 (тип Э42). Коэффициент наплавки достигает 9,5 г/ (А*ч). Стержень изготовляют из сварочной проволоки Св-08 диаметром до 3 мм. При больших диаметрах возрастают потери на угар и разбрызгивание металла.
Читать: О сварочных материалах в деталях
Читать: На пути создания покрытых электродов и порошковой проволоки
Источник: Геворкян В.Г. Основы сварочного дела
