Виды электродных покрытий

Раскисление наплавленного металла раскислителями снижает содержание кислорода в жидком металле перед его кристаллизацией. Для обеспечения высоких пластических свойств металла шва необходимо снизить концентрацию остаточного кислорода и полнее уменьшить количество продуктов раскисления, остающихся в сварочных швах. Это осуществляется подбором состава покрытия, обеспечивающего физико-химические свойства шлака. Чтобы шлак при температуре жидкого металла обладал низкой вязкостью, хорошо смачивал жидкий металл, не препятствовал правильному формированию шва. Омывая капли жидкого металла и сварочную ванну, шлак должен растворять и связывать продукты раскисления металла.

Жидкий металл в капле и сварочной ванне находится в состоянии конвективного перемешивания. Рафинирование металла шва может быть осуществлено при подборе рецептуры покрытия электродов.

Сварочные электроды с кислым покрытием. Покрытие состоит из большого количества оксидов железа, марганца и различных силикатов с высоким содержанием SiO₂, обладает высоким окислительным потенциалом. В покрытии может присутствовать также ильменит или титановый концентрат. Раскислителем обычно является ферромарганец. Для газовой защиты вводят электродную целлюлозу.

Шлак при плавлении электрода содержит большое количество оксидов железа. Окисление металла при высокой температуре осуществляется за счет атмосферы дуги и кислорода, переходящего из шлака.

Применяемый марганец начинает окисляться в плавящемся покрытии при взаимодействии с оксидами железа и кислорода атмосферы дуги. В жидкий металл марганец переходит в весьма умеренном количестве.

В хвостовой части ванны кремний и марганец, перешедший из покрытия, вступают в реакцию с кислородом, растворенным в жидком металле. В результате образуются мелкодисперсные включения, которые частично могут образовывать между собой химическое соединение MnO•SiO₂ с температурой плавления 1300⁰С. Такие соединения могут укрупняться, наплавленный металл оказывается значительно загрязненным как крупными, так и мелкодисперсными включениями.

Крупные включения могут иметь экзогенное происхождение и заносятся в жидкий металл из шлака. Наличие включений, особенно мелкодисперсных, существенно снижает характеристики швов, в первую очередь, значения ударной вязкости при низких температурах. Кроме того, металл шва склонен к образованию кристаллизационных трещин.

Технологически электроды при сварке характеризуются мелкокапельным переносом и формированием плоских и гладких сварных швов.

Сварочные электроды с рутиловым покрытием. Покрытие состоит из большого количества рутила (с содержанием TiO₂ примерно 95%), алюмосиликатов (калиевая слюда, каолин, полевой шпат), карбонатов (мрамор, магнезит). Раскислителем служит ферромарганец. Газовая защита осуществляется целлюлозой, вводимой в покрытие электродов (до 4-5%). В качестве связующего применяют калиево-натриевое и натриево-калиевое жидкое стекло. Атмосфера дуги является сравнительно слабо окислительной за счет кислорода, образующегося при диссоциации карбонатов и разложении целлюлозы.

Помимо окисления жидкого металла кислородом окисление происходит в результате кремневосстановительного процесса. Восстановление кремния протекает при высоких температурах за счет марганца, находящегося в покрытии, а также за счет восстановления его железом. Оксиды железа частично переходят в шлак, частично растворяются в жидком металле.

При высоких температурах перешедший из покрытия марганец и восстановленный кремний не вступают в реакцию с кислородом, растворенным в жидком металле; возможна лишь реакция окисления углерода. По мере понижения температуры такие реакции начинаются. При высокой концентрации восстановленного кремния и пониженном содержании марганца в швах будут находиться, главным образом, мелкодисперсные включения оксидов кремния.

В связи с пониженным содержанием кислорода в наплавленном металле и меньшим количеством оксидных включений электроды с рутиловым покрытием обеспечивают более высокие характеристики сварных швов по сравнению с электродами с кислым покрытием.

Электроды с рутиловым покрытием обладают высокими сварочно-технологическими свойствами. Они позволяют легко выполнять сварку не только на постоянном, но и на переменном токе, во всех пространственных положениях, обеспечивают хорошее формирование сварных швов, легкое отделение шлака. Важной характеристикой является их низкая токсичность при сварке.

Особенности рутиловых электродов сделали их незаменимыми для сварки ответственных конструкций из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей прочностью до 490 МПа. Рутиловые покрытия используют и в высоколегированных электродах.

На базе электродов с рутиловым покрытием разработаны высокопроизводительные электроды. Для этой цели в покрытие вводят железный порошок, который, являясь присадочным материалом, повышает коэффициент наплавки электродов.

Сварочные электроды с целлюлозным покрытием. Покрытие электродов содержит значительное количество электродной целлюлозы, доходящее до 40-45%. В качестве шлакообразующих используют рутил, тальк, марганцевую руду, гематит. Для раскисления металла применяют ферромарганец, связующим служит натриевое или натриево-калиевое жидкое стекло. Высокое содержание целлюлозы в покрытии электродов обеспечивает газовую защиту наплавляемого металла даже при малом значении коэффициента массы покрытия, не превышающего 20-25%.

Газы, выделяющиеся при разложении целлюлозы, содержат большое количество водорода, окиси углерода и умеренное количество кислорода. Атмосфера дуги является слабоокислительной.

В состав покрытия входит большое количество кислых оксидов, при сварке наблюдается существенное развитие кремневосстановительного процесса. Для его подавления в покрытие вводят марганцевую руду или гематит.

Содержание кислорода в металле швов сравнительно невелико. В металле швов присутствуют, главным образом, мелкодисперсные включения оксидов кремния. Поэтому пластические свойства наплавленного металла посредственны.

Особенностью сварочных электродов является возможность выполнения сварки во всех пространственных положениях с высокой скоростью и обеспечение проплавления основного металла с формированием с обратной стороны шва плавного валика. Электроды с целлюлозным покрытием нашли широкое применение для сварки корневых швов стыков магистральных трубопроводов. К недостаткам относят грубочешуйчатую поверхность швов, склонность к подрезам по свариваемым кромкам, повышенные потери на разбрызгивание, высокое содержание водорода в металле шва.

Сварочные электроды с основным покрытием. Покрытие состоит из карбонатов щелочно-земельных металлов: мрамора, плавикового шпата, кварца и рутила. Раскислителями являются ферротитан, ферросилиций, ферромарганец, ферроалюминий. В качестве связующего применяют натриевое, натриево-калиевое или калиево-натриевое жидкое стекло.

При высоких температурах кремний, титан и марганец сосуществуют с кислородом, растворенным в металле. По мере снижения температуры в зависимости от концентрации и вида раскислителей кислород вступает с ними в реакцию, образуя оксиды соответствующих элементов. Обычно это бывает наиболее активные элементы: титан и кремний.

Низкое содержание кислорода, а следовательно, малое количество оксидных включений, обеспечивает весьма высокие пластические свойства сварных швов как при положительных, так и при отрицательных температурах. Другим преимуществом электродов с основным покрытием является наибольшая среди покрытий всех видов стойкость металла шва против образования трещин. Это обеспечивается только при применении электродов с низким содержанием влаги в покрытии. Последнее достижимо при строгом соблюдении предписанной технологии изготовления электродов, особенно в части применяемых пластификаторов и режимом термообработки электродов.

Электроды с основным покрытием дают возможность выполнять сварку практически во всех пространственных положениях с использованием постоянного тока, главным образом, при обратной полярности.

Высокая чистота наплавленного металла по различным вредным включениям и газам позволяет применять эти электроды для сварки ответственных и особо ответственных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей. Электроды с дополнительным легированием через покрытие применяют для сварки сталей повышенной и высокой прочности, легированных теплоустойчивых сталей, для наплавочных работ.

На базе основных покрытий разработаны многочисленные марки электродов для сварки высоколегированных сталей и сплавов.

Сварочные электроды с основным покрытием не лишены недостатков, к которым относят невысокую технологичность, особенно в условиях поточного производства; чувствительность к порообразованию при сварке, требующую особой тщательности при их хранении, транспортировке, подготовке к использованию, выполнения предписаний по чистоте и влажности свариваемых кромок; сложность при сварке на переменном токе.

Возникновение пористости связано с образованием газовых пузырьков в жидкой сварочной ванне и фиксацией их в металле при его кристаллизации. Причинами образования пористости могут явиться газы: водород, азот, оксид углерода.

Возникновение и развитие пор определяется совместным действием всех газов, присутствующих в металле. Однако чаще всего основное влияние принадлежит какому-либо одному из газов. Существенно также влияние физических свойств сварочных шлаков.

Вместе с ростом температуры жидкого металла количество растворенного газа возрастает. В области высоких температур количество растворенного газа может превысить его растворимость. В результате сварочная ванна в ее хвостовой, менее нагретой части окажется пересыщенной газом, особенно на границе с кристаллизующимся металлом.

Излишний газ будет выделяться из металла. При этом он способен создавать давление, превышающее атмосферное. Образование и развитие газового пузырька внутри металла затруднено и требует затрат энергии.

Образование зародыша газового пузырька происходит легче всего на границе между жидкой фазой и кристаллизующимся твердым металлом. Легко это происходит во время остановок кристаллизации, продолжительность которых для стали обычно не превышает 0,2 с. В процессе кристаллизации происходит повышение концентрации газа в слое жидкого металла на его границе с образующейся твердой фазой. Во время движения фронта кристаллизации содержание газов в твердом металле становится равным его исходному содержанию в жидком металле.

Дальнейшее развитие и рост зародыша будут происходить в том случае, если сумма давлений выделения всех газов, растворенных в металле, превышает атмосферное давление.

При введении в покрытие электродов сильных раскислителей: ферросилиций, алюминий, углерод, окислительный потенциал покрытия снижается. Это приводит к росту коэффициента перехода марганца из покрытия в наплавленный металл, к интенсивному развитию кремневосстановительного процесса. При этом изменяется химический состав образующегося шлака и его свойства.

К таким же результатам приводит прокалка сварочных электродов при высоких температурах, превышающих рекомендованные.

Для предупреждения возможности образования пор при сварке электродами необходимо:

• при изготовлении – строго соблюдать рецептуру покрытия и требования технической документации к компонентам и технологии изготовления, обращая внимание на соблюдение режимов прокалки;

• при применении – выдерживать предписанные режимы силы сварочного тока. В случае увлажнения производить дополнительную прокалку в соответствии с документацией.

При сварке длинной дугой в атмосферу зоны сварки проникает воздух и азот, который может раствориться в жидком металле при высокой температуре.

При охлаждении жидкого металла до температуры кристаллизации растворимость азота резко снижается, и металл на фронте кристаллизации может оказаться пересыщенным этим газом.

При сварке электродами с увлажненным покрытием в атмосфере дуги появятся пары воды, которые сопровождаются появлением атмосферного водорода. В этом случае жидкий металл на фронте кристаллизации может быть пересыщен водородом. В связи с медленным ростом пузырьков кристаллизующийся металл их зафиксирует, и в сварных швах появится пористость.

При сварке по окисленным, ржавым поверхностям возможно местное пересыщение металла как кислородом, так и водородом. Пористость возникает на фронте кристаллизации в результате образования пузырьков газа как за счет водорода, за счет оксида углерода.

С целью снижения чувствительности электродов к пористости при их изготовлении следует жестко ограничить введение в покрытие минеральных и органических пластификаторов, содержащих соединения водорода, трудноудаляемые в процессе прокалки. Режимы прокалки должны соответствовать требованиям технической документации.

Сварку необходимо выполнять только по зачищенным поверхностям, на токовых режимах, соответствующих указаниям документации. Перед употреблением электроды – прокалить.

Легированием называется введение в расплавленный металл элементов, придающих металлу заданные свойства.

Применяют широкую номенклатуру сталей и сплавов различного назначения, свойства которых определяют содержание в них разнообразных легирующих элементов, уровень содержания вредных примесей, а также вид и режимы их термической обработки. Для сварки всего многообразия сталей, сплавов и выполнения наплавочных работ необходимы электроды, обеспечивающие соответствующий химический и структурный состав наплавленного металла и его свойства.

Электроды позволяют легировать наплавленный металл в самых широких заданных пределах. Для этого используют следующие способы: легирование через покрытие, легирование через стержень, комбинированное или комплексное легирование.

Независимо от способа легирования в покрытие электродов во всех случаях вводят раскислители, вид и количество которых определяется особенностями покрытия и составом применяемой проволоки.

Способ легирования в первую очередь зависит от требований к химическому составу наплавленного металла и наличия проволоки необходимого сосстава. При этом учитывают экономические показатели, например, получение низколегированного наплавленного металла с суммой легирующих элементов менее 2-3% чаще всего обеспечивается легированием через покрытие, с использованием проволоки из углеродистой стали. Однако при наличии сварочной проволоки, имеющей в своем составе требуемые легирующие элементы, можно ограничиться легированием через стержень или применить комбинированное легирование.

При изготовлении электродов для сварки высоколегированных сталей или сплавов в подавляющем большинстве случаев применяют легирование через стержень. Если нужно долегировать наплавленный металл дополнительными элементами, а также повысить содержание элементов, находящихся в проволоке, используют комбинированное легирование.

Рафинирование металла – это процесс металлургической очистки жидкого металла от вредных примесей, главным образом, от серы и фосфора, поступающих в расплав как из основного металла, так и из металла электродных стержней, и компонентов электродных покрытий.

В твердом железе сера находится в виде сульфида FeS и образует с ним эвтектику с температурами плавления ниже температуры плавления стали. С учетом растягивающих сварочных напряжений возникают условия для образования горячих трещин. Для уменьшения склонности к трещинам необходимо минимизировать концентрацию серы в металле шва.

Дата добавления: 2015-07-15