4.2 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 сани­тарно-гигиенические 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 из сварочной ванны. 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 (СаС0₃) 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:

C_n(H₂O)_n-1 →(n – 1)CO + (n – 1)H₂ + C

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

СаС0₃ →СаО+ СО₂

MgCO₃ → MgO + CO₂

а также последующей диссоциации CO₂

CO₂ →СО + ½ О₂

Процесс диссоциации происходит недалеко от торца электрода. Расчеты показывают, что при температуре 0°С и давлении 1 МПа диссоциация 1г органических соединений приводит к выделению примерно 1450 см³ СО + Н₂, а 1 г карбоната СаС0₃ — к выделению 340 см³ газов. В столбе дуги газы нагреваются до средней температуры 550 — 800°С; объем выделившихся при этих температурах газов составляет соответственно 1000—1400 см³ (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 см³ защитного газа (С0₂, 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; это окислы СаО, Мg0, МnО, FеО, А1₂0₃, SiO₂, ТiO₂, 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, NаС1, КF и т. п.).

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

1 Руднокислое покрытие (А) состоят 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 кремнемарганцевосстановительного 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.

2 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.

3 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 вязко-пластические 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.

4 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%).

5 Смешанное покрытие. Кроме перечисленных типов покрытий существуют рутилокарбонатные, 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 (рутилокарбонатное покрытие) или улучшаются физические свойства основных шлаков при одно­временном снижении чувствительности к порообразованию ме­талла шва (карбоната-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 и износостойкость.