Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

М.Д. Мосесов

СВАРКА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Самара 2008

УДК

Мосесов М.Д. Сварка: Учебное пособие /М.Д. Мосесов; Самарский государственный архитектурно-строительный университет.

- Самара : СГАСУ, 2008. - 76 с.

Пособие предназначено в помощь студентам и магистрам строительных специальностей, изучающим дисциплины «Технология конструкционных материалов», а также «Металлические конструкции». В учебном пособии рассматриваются основы сварочного процесса, технологические особенности различных видов сварки, описано устройство и принцип работы сварочного оборудования. Изложенный материал соответствует программам курса «Технология конструкционных материалов», читаемого студентам факультетов ПГС, ГТС, ТГВ, ВВ, ИЗО третьего курса в 5 семестре, ГСХ третьего курса в 7 семестре, а также студентам первого курса факультета МАЭС в 1 семестре.

Сведения, приведенные в пособии, ориентированы на помощь студентам в освоении лекционного материала, проведении лабораторных работ и выполнении дипломных проектов.

Рецензент: И.С. Холопов, Советник РААСН, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой металлический и деревянных конструкций СГАСУ

Самарский государственный архитектурно-

строительный университет, 2009

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие предназначено для студентов и магистрантов строительных специальностей, изучающих курсы металлических конструкций и технологии конструкционных материалов, и может быть использовано при разработке дипломных проектов. Изложенный материал соответствует программе курса «Технология конструкционных материалов».

Необходимость написания такого пособия продиктована, во-первых, сложностью, спецификой и большим объемом материала, излагаемого в специальной литературе, и, во-вторых, отсутствием учебной литературы, в которой в доступной форме была бы изложена сущность предмета в объеме, предусмотренном программой.

В учебном пособии рассматриваются основы сварочного процесса, технологические особенности различных видов сварки, описано устройство и принцип работы сварочного оборудования.

Автор выражает глубокую благодарность советнику РАСН, д.т.н. профессору И.С. Холопову за замечания, высказанные при рецензировании рукописи.

СОДЕРЖАНИЕ

Физические особенности электродуговой сварки …………….. 5

Сварочные свойства электрической дуги …………………….. 13

Металлургические основы дуговой сварки …………………… 19

Техника ручной дуговой сварки ……………………………….. 32

Выполнение швов в нижнем положении ……………………… 44

Сварка вертикальных швов …………………………………….. 47

Сварка горизонтальных швов ………………………………….. 53

Сварка потолочных швов ………………………………………. 55

Сварка швов различной протяженности ……………………… 56

Сварка металлов малой толщины ……………………………… 58

Сварка металлов большой толщины …………………………… 59

Контактная сварка ………………………………………………. 61

Плазменная сварка ……………………………………………… 62

Автоматическая и полуавтоматическая сварка ………………. 66

Инверторные источники питания сварочной дуги …………… 71

Термитная сварка ……………………………………………….. 71

Газовая сварка и резка ………………………………………….. 72

Физические особенности электродуговой сварки

В строительной практике соединения элементов строительных конструкций чаще всего производят сваркой. При этом различают несколько видов сварки, каждый из которых отличается как принципом, так и технологическими особенностями. Чаще всего применяются дуговая сварка, контактная сварка, газовая сварка.

В общем виде сварка – это процесс создания неразъемного соединения деталей конструкции, для чего частицы металла необходимо сблизить на величину межатомного расстояния, при котором происходит их взаимодействие. Наиболее часто для этого производят расплавление контактирующих поверхностей, что требует создания высокой температуры (температура плавления стали 1540 ⁰С). Такую температуру получают созданием электрической дуги.

Электрическая дуга представляет собой мощный электрический длительный разряд в газовой среде между двумя электродами. Электрический разряд в газах есть прохождение электрического тока в ионизированной газовой среде.

При нормальных условиях все газы не проводят электрический ток, так как в них нет свободных электрических зарядов. При этих условиях все газы являются хорошими диэлектриками (изоляторами). Газы способны проводить электрический ток в том случае, если в них появляются свободные, электрически заряженные частицы.

Явление ионизации газов

Процесс образования в газе свободных электрически заряженных частиц называется ионизацией. Свободными заряженными частицами в газах могут быть электроны, ионы (положительные и отрицательные). Если к ионизированному газовому промежутку приложить электрическое напряжение, то начнется электрический газовый разряд (прохождение электрического тока). При прохождении электрического тока через ионизированный газ, положительные ионы движутся к отрицательному полюсу электрической цепи (катоду), электроны и отрицательные ионы – к положительному полюсу (аноду).

Ионизация газа может происходить при воздействии на газ высокой температуры, мощного электрического поля, мощного светового излучения, при столкновении свободных электронов с нейтральными атомами. В зоне сварочной дуги ионизация газа происходит в основном за счет высокой температуры (термическая ионизация). Высокая температура газа поддерживается притоком энергии из питающей электрической цепи.

Явление электронной эмиссии

Для начала процесса ионизации необходим приток в газовый промежуток свободных электронов 6т внешнего источника. В этом случае особенно важна роль отрицательного электрода электрической цепи – катода, который служит мощным источником свободных электронов.

Процесс выхода свободных электронов с поверхности металла носит название электронной эмиссии. Электронная эмиссия возникает при воздействии высокой температуры, мощного электрического поля, мощного светового излучения, за счет энергии, выделяемой при ударах положительных ионов о поверхность раскаленного катода.

Основными факторами, которые обеспечивают в дуговом промежутке мощный поток электронов, способствующий устойчивому горению сварочной дуги, являются термоэлектронная эмиссия и эмиссия электронов от ударов положительных ионов о поверхность катода.

Процесс возникновения сварочной дуги

Ионизация дугового промежутка в начальный момент возникает в результате термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. Существенное влияние на стабильное горение сварочной дуги оказывает термическая ионизация дугового промежутка.

Чтобы создать условия термоэлектронной эмиссии, необходимо раскалить поверхность катода. С этой целью производят короткое замыкание электрической (сварочной) цепи: электродом касаются основного металла (изделия). При отрыве электрода дуговой промежуток заполняется свободными электронами, вышедшими с поверхности раскаленного катода. Одновременно происходит термическая ионизация дугового промежутка – он заполняется ионизированными частицами газов, паров металла и электродного покрытия.

С ростом числа свободных заряженных частиц в дуговом промежутке растет его электрическая проводимость. В результате сила тока через дуговой промежуток увеличивается, а напряжение дуги уменьшается. Рост тока и уменьшение напряжения дуги происходят до определенного предела, затем наступает устойчивое состояние дугового разряда – горение дуги. Процесс нарастания тока во времени показан на рисунке 1. Время нарастания тока до режима насыщения составляет примерно 0.1 С.

Вустановившемся режиме горения дуга при ручной сварке плавящимся штучным (покрытым) электродом горит устойчиво при напряжении 15 – 20 В. Этого напряжения достаточно для поддержания дугового разряда, когда дуговой промежуток хорошо ионизирован и имеет малое электрическое сопротивление.

Но для возбуждения сварочной дуги такого напряжения недостаточно, так как в начальный момент образования дуги (мгновенное состояние после отрыва электрода от изделия после короткого замыкания) дуговой промежуток ионизирован очень слабо и имеет большое электрическое сопротивление. В момент возбуждения сварочной дуги необходимо более высокое напряжение – не менее 40 В. Для обеспечения надежности зажигания дуги, а также по условиям безопасности принято напряжение холостого хода в сварочных аппаратах – 60 В.

Понятие устойчивости горения дуги

Сварочная дуга, горящая равномерно, без произвольных обрывов, с незначительными произвольными изменениями величины тока в ней, называется устойчивой.

Сварочная дуга называется неустойчивой, если она горит неравномерно, часто обрывается и гаснет, если произвольные изменения величины тока в ней значительны.

Активное сопротивление дугового промежутка зависит от его длины. При этом с увеличением длины дуги, увеличивается и выделяемая на ней тепловая энергия. Поскольку при ручной сварке очень трудно выдержать постоянную длину дуги, необходимо принять меры к стабилизации теплового режима. Это достигается применением питающего устройства с мягкой падающей характеристикой, как показано на рисунке 2. Для этого в цепь вторичной обмотки вводят реактивное сопротивление в виде дросселя. Поскольку ток через индуктивное сопротивление отстает от напряжения на 90 градусов, выделяемая на нем мощность Р = U·I·Cosφ (Cos90 = 0) практически равна нулю. Схема сварочного аппарата переменного тока показана на рисунке 3.

Он состоит из понижающего трансформатора Тр, и дросселя Др, индуктивность которого может меняться по желанию сварщика. Тем самым можно подобрать сварочный ток.

В момент зажигания дуги из-за малого количества ионов сопротивление дугового промежутка велико, а ток мал. В процессе разгорания дуги с увеличением количества ионов, увеличивается ток и падает напряжение, что и обеспечивает падающую характеристику.

Реактивное сопротивление дросселя включено в цепь последовательно с активным сопротивлением дуги. Напряжение, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора, распределяется пропорционально величинам этих сопротивлений. Величина индуктивности дросселя выбирается такой, чтобы обеспечить напряжение на дуге порядка 15 – 20 В. Поскольку на индуктивном сопротивлений ток отстает по фазе от напряжения на 90⁰, падения мощности на нем не происходит (;cos 90 =0) и вся мощность выделяется на дуге.

На постоянном токе режим горения дуги более стабилен и обеспечивает более качественную сварку. Схема сварочного аппарата постоянного тока показана на рисунке 4. Отличие этих аппаратов заключается в том, что после дросселя дополнительно включен выпрямительный мост на диодах Д₁ – Д₄.

Строение сварочной дуги

Электрическая сварочная дуга постоянного тока имеет три основные четко выраженные зоны: катодную область, анодную область и столб дуги (рисунок 5).

В процессе горения дуги на катоде и аноде наблюдаются активные пятна, представляющие собой наиболее нагретые участки электрода и основного металла. Через активные пятна проходит весь ток дуги. При среднем значении сварочного тока (200 – 300 А) диаметр анодного пятна в 1,5 – 2 раза больше диаметра катодного пятна.

Столб дуги расположен между катодной и анодной областями. Столб дуги представляет собой ярко светящийся, нагретый до высокой температуры сложный газ, состоящий из смеси электронов, положительных и отрицательных ионов, нейтральных атомов. Такое состояние вещества называется плазмой. Плазма в целом электрически нейтральна, так как количество положительных и отрицательных частиц в ней одинаково.

Явление магнитного дутья

Отклоняющее действие магнитных полей на сварочную дугу носит название магнитного дутья. Сварочную дугу можно рассматривать как гибкий газовый проводник электрического тока. При взаимодействии магнитного поля столба дуги с магнитными полями, возникающими при прохождении сварочного тока по изделию, или с ферромагнитными массами может произойти отклонение сварочной дуги от своей оси и в результате нарушится сварочный процесс.

Магнитное дутье резко повышает разбрызгивание электродного металла, ухудшает качество сварных швов и снижает производительность сварочного процесса. Явление магнитного дутья может существенно затруднить сварку постоянным током, при сварке переменным током оно проявляется значительно слабее, Силовое действие магнитного поля пропорционально квадрату силы тока, поэтому магнитное дутье особенно заметно себя проявляет при сварке на больших токах (свыше 250 А).

На величину магнитного дутья оказывают влияние следующие факторы: место присоединения сварочного провода к основному металлу (изделию), присутствие вблизи места сварки значительных ферромагнитных масс, тип сварного соединения (рисунок 5).

Присоединение сварочного провода к изделию в отдалении от дуги приводит к отклонению ее в сторону, противоположную токоподводу, Сильным фактором, действующим на отклонение дуги, являются ферромагнитные массы, имеющие высокую магнитную проницаемость, значительно большую, чем воздух. Близко расположенные к дуге ферромагнитные массы вызывают направленный магнитный поток, который отклоняет дугу в сторону массы. Это явление наблюдается при сварке стыковых швов вблизи массивных элементов крепления, при сварке угловых швов, при сварке листов различной толщины, при сварке стыковых швов с разделкой кромок при большой толщине металла.

Для уменьшения отрицательного влияния магнитного дутья рекомендуется принимать следующие меры:

1) В процессе сварки поддерживать предельно короткую дугу.

2) В зависимости от величины отклонения дуги изменять угол наклона электрода, при этом конец электрода направлять в сторону отклонения дуги (Рисунок 6а).

3) Временно размещать симметричные ферромагнитные массы вблизи места сварки (Рисунок 6б).

4) Присоединять сварочный провод к изделию в непосредственной близости к дуге (Рисунок 6в). При сварке длинных швов токоподвод к изделию можно осуществлять при помощи двух проводов (в начале и в конце шва) и даже трех (в начале, середине и в конце шва). При сварке длинных швов в нижнем положении сварочный провод можно присоединить к стальной плитке и периодически перемещать ее по изделию вдоль шва по мере продвижения.

Магнитное дутье проявляется значительно слабее при применении электродов с толстым покрытием. Если все перечисленные способы борьбы с магнитным дутьем не дают эффекта, то необходимо перейти на сварку переменным током.

Особенности горения дуги переменного тока

Устойчивость горения сварочной дуги, питаемой переменным током, ниже, чем питаемой постоянным током. Это объясняется тем, что при переходе тока через нуль и изменении полярности напряжения в начале и в конце каждого полупериода дуговой разряд угасает. Дуга горит примерно 70% времени в течение каждого полупериода переменного тока. При промышленной частоте переменного тока 50 герц перерывы в горении дуги повторяются 100 раз в секунду. В эти моменты резко уменьшается температура дугового промежутка в степень его ионизации. При этом электропроводимость дугового промежутка падает, и дуговой разряд может не возникнуть вновь в начале следующего полупериода, то есть дуга может погаснуть.

Длительность перерывов в горении дуги зависит от величины напряжения холостого хода источника питания переменного тока (трансформатора), состава электродного покрытия, температуры плавления электродного металла. Для повышения устойчивости горения дуги переменного тока можно применять источники питания сварочной дуги с повышенным напряжением холостого хода (в сравнении с источниками питания постоянного тока), можно включать в сварочную цепь индуктивное сопротивление для сдвига нулевого значения тока относительно нулевого значения напряжения.

Если в зоне дуги присутствуют легкоионизируемые элементы, то зажигание дуги в начале каждого полупериода облегчается, то есть повышается устойчивость горения дуги переменного тока. С этой целью в состав электродных покрытий вводят элементы с низким потенциалом ионизации: калий, натрий, кальций. Эти элементы содержатся в таких компонентах электродных покрытий, как мел, мрамор, поташ, полевой шпат, жидкое стекло.

Производство штучных (покрытых) электродов все время совершенствуется. Разработаны составы электродных покрытий, которые обеспечивают достаточно устойчивое горение дуги при сварке переменным током. Сварка переменным током нашла широкое применение на производстве. Она имеет следующие достоинства:

а) экономические – оборудование сварочного поста и его эксплуатация значительно проще и обходится дешевле,

б) технологические – практически отсутствует явление магнитного дутья.

Сварочные свойства электрической дуги

Электрическая дуга является концентрированным источником тепла. Большая концентрация тепла и высокая температура дуги позволяют расплавить практически все известные металлы.

Распределение тепла в сварочной дуге

В установившейся сварочной дуге конец электрода и поверхность основного металла (изделие) расплавлены, то есть электрическая дуга горит между жидкими электродами. Распределение тепла в различных зонах сварочной дуги неодинаково. При питании дуги постоянным током наибольшее количество тепла выделяется в анодной области ~ 43 %. В катодной области выделяется примерно 36 % тепла дуги, остальные 21 % тепла приходятся на столб дуги.

Температура по длине дуги также распределяется неравномерно. При сварке плавящимся металлическим электродом температура в катодной области достигает 2400°С, в анодной области – 2600°С.; Температура столба дуги около 6000°С Температура металла а сварочной ванне 1800 – 2000°С,

Перенос электродного металла через дуговой промежуток

Электродный металл переходит в сварочную ванну в виде капель. В момент прохождения через дуговой промежуток, расплавленный электродный металл нагревается до температуры 2100 – 2300°С. При ручной дуговой сварке штучными электродами в виде капель переносится до 90 – 95 % электродного металла, а остальные 5 – 10 % - это брызги и пары металла, значительная часть которых теряется.

Размер капель электродного металла определяется в первую очередь плотностью тока в электроде, а также зависит от состава металла электродного стержня и свойств электродного покрытия, диаметра электрода. Чем больше плотность тока в электроде, тем меньше размер капель. Перенос расплавленного металла через дуговой промежуток всегда происходит от электрода к основному металлу (изделию). Направление переноса не зависит от рода и .полярности сварочного тока и пространственного положения сварки. Перенос капель жидкого металла через дуговой промежуток происходит под действием следующих факторов: силы поверхностного натяжения жидкого металла, силы электромагнитного поля, неравномерности напряженности электрического поля, внутреннего давления газов капли жидкого металла, газового дутья столба дуги, При сварке в нижнем положении переносу металла способствует также сила тяжести.

Образование сварного шва

Электрическая дуга подводится к месту сварки и вызывает быстрое расплавление электродного и основного металла. Расплавленный объем металла на поверхности изделия, где происходит сплавлениё электродного металла с основным, называется сварочной ванной. Электрическая дуга перемещается вдоль свариваемых кромок. Примыкающий к оси шва основной и электродный металлы расплавляются и перемешиваются в подвижной сварочной ванне и, затвердевая, образуют сварной шов. При ручной дуговой сварке штучным (покрытым) электродом сварной шов приблизительно на 70% состоит из электродного металла и 30% приходится на долю основного металла.

Давлением столба дуги жидкий металл вытесняется со дна сварочной ванны на ее боковые поверхности, образуя углубление, называемое кратером, Давление столба дуги периодически изменяется, и жидкий металл откладывается отдельными порциями, отчего при затвердевании сварочной ванны на поверхности сварного шва образуются чешуйки. Чем толще слой электродного шлака на поверхности сварочной ванны, тем меньше будут чешуйки, а поверхность шва – более ровной и чистой.

Расстояние между концом электрода и дном кратера на поверхности сварочной ванны называется длиной дуги. Глубина, на которую расплавляется основной металл под действием тепла дуги, называется глубиной провара или просто проваром.

Сварочная дуга нагревает металл значительно выше точки плавления. В катодной и анодной области температура близка к температуре кипения металла. В результате меняется химический состав металла и его структура после затвердевания, изменяются и механические свойства. Металл сварного шва обычно по своим свойствам отличается от основного металла, не затронутого сваркой.

Сварочные свойства дуги постоянного и переменного тока

Неравномерным распределением тепла в сварочной дуге постоянного тока пользуются для регулирования скорости плавления основного и электродного металла, применяя сварку на прямой или обратной полярности.

Чтобы подвергающееся сварке изделие, имеющее более значительные массу и объем по сравнению с электродом, получало больше тепла, необходимо применять прямую полярность. При прямой полярности (на электроде – , на изделии +) тепловые условия плавления основного металла и электродного примерно уравновешиваются: на тонком электроде (катод) тепла выделяется меньше, чем на более массивном изделии (анод).

Сварка постоянным током на обратной полярности применяется в следующих случаях:

1 Если электрод имеет тугоплавкое покрытие. Для нормального протекания процесса сварки (т. е. для стабильного горения дуги) на электроде требуется повышенная концентрация тепла, чтобы обеспечить одновременное расплавление электродного стержня и покрытия. С этой целью к электродержателю подключается плюсовой провод от источника питания.

2 Когда требуется уменьшить концентрацию тепла на основном металле. Это необходимо в следующих случаях при сварке:

а) тонколистового металла,

б) цветных металлов,

в) легированных специальных сталей, чувствительных к перегреву.

С этой целью к изделию подключается минусовой провод от источника питания.

При питании сварочной дуги переменным током полярность электрода и основного металла и условия существования дугового разряда периодически изменяются в соответствии с частотой тока. При этих условиях распределение тепла и температуры в катодной и анодной областях (между электродом и изделием) выравниваются.

Глубина провара основного металла существенно зависит от силового давления газового дутья столба дуги. Максимальная глубина проплавления достигается при сварке постоянным током на обратной полярности. При сварке на прямой полярности глубина проплавления основного металла на 40 – 50 % меньше. При сварке переменным током глубина провара на 15 – 20 % меньше, чем при сварке постоянным током на обратной полярности.

Тепловая мощность дуги

Полная тепловая мощность сварочной дуги считаётся равной тепловому эквиваленту её элёктрической мощности:

Q = 0.24· I·U·K кал/с, где

I – сварочный ток;

U – падение напряжения на дуге;

К – коэффициент, учитывающий снижение мощности дуги при сварке переменным током (K = 0,8 – 0,9);

С – тепловой эквивалент электрической мощности сварочной дуги.

Полная тепловая мощность дуги Q расходуется на нагрев и плавление электродного и основного металла, нагрев и плавление электродного покрытия, рассеивание тепла в окружающую среду. Часть тепла, расходуемая на нагрев и плавление электродного и основного металла, электродного покрытия, вводимая дугой в изделие в единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью сварочной дуги: q = 0.24·I·U·K·h кал/с, где h – эффективный кпд процесса нагрева металла сварочной дугой (0,7—0,8); q – эффективная тепловая мощность сварочной дуги.

Погонная энергия сварочного процесса

Количество тепла, вводимое в изделие на единицу длины однопроходного шва, называется погонной энергией дуги (сварочного процесса).

При заданной скорости перемещения дуги вдоль свариваемых кромок v см/с количество тепла, вводимое в 1 см длины однопроходного шва, определяется отношением:

кал/см

Это отношение называется погонной энергией дуги.

Погонная энергия дуги является одной из основных характеристик сварочного процесса и имеет важное значение при определении рационального режима сварки. Поперечное сечение однопроходного шва находится в прямой зависимости от величины погонной энергии,

Коэффициент наплавки

В процессе сварки часть электродного металла теряется на разбрызгивание, испарение, окисление, поэтому в наплавленный металл (сварной шов) его переходит меньше. Потери электродного металла при ручной сварке штучными электродами составляют до 10%.

Коэффициент наплавки – масса электродного металла в граммах, наплавленная за один час горения дуги, отнесенная к 1 амперу сварочного тока: где

G_н – масса наплавленного металла с учетом потерь (Г);

I– сварочный ток (А);

t– время горения дуги (ч);

– коэффициент наплавки.

Коэффициент наплавки зависит от состава электродного стержня и покрытия, рода и полярности сварочного тока. Коэффициент наплавки ан является удельной производительностью сварочного процесса, он служит важной характеристикой электродов. Для стальных электродов коэффициент наплавки колеблется в пределах 8 – 18 Г/А-ч, составляя в среднем 9 – 10 Г/А-ч. Коэффициент наплавки учитывается при нормировании сварочных работ, по его значениям определяют расход электродов, скорость и время сварки.

Производительность процесса сварки

Производительность сварки, а также объем сварочных работ определяются массой наплавленного металла

G_н =·I·tГ

где

G_н – масса наплавленного металла с учетом потерь (Г);

I– сварочный ток (А);

t– время горения дуги (ч);

– коэффициент наплавки.

Чем больше сварочный ток, тем выше производительность сварки. Ток должен быть максимально допустимым при условии высокого качества сварки. При чрезмерной величине тока электрод, металл шва и зона сплавления основного металла (околошовная зона) будут сильно перегреваться, увеличится разбрызгивание металла, Это резко снизит качество сварки.

Металлургические основы ручной дуговой сварки

Процесс образования сварного шва является сложным металлургическим процессом. Дуговая сварка как металлургический процесс имеет свои особенности:

1 Происходит при высоких температурах нагрева.

2 Протекает с большой скоростью.

3 Характеризуется малыми объемами нагретого и расплавленного металла.

4 Расплавленный металл быстро охлаждается.

5 На расплавленный металл в зоне сварки интенсивно воздействуют газы и шлаки.

В зоне сварки металл нагревается значительно выше температуры плавления (до 2300°С). Высокая температура значительно ускоряет плавление электродного и основного металла, электродного покрытия. Малый объем расплавленного металла и большая скорость охлаждения его обусловливают кратковременность химических процессов, поэтому они не всегда завершаются полностью. Процессы кристаллизации и затвердевания расплавленного металла протекают с большой скоростью. При высокой температуре молекулы газов распадаются на атомы. В атомарном состоянии газы имеют высокую химическую активность, интенсивно растворяются в расплавленном металле.

Перечисленные особенности металлургических процессов при сварке затрудняют получение сварных швов высокого качества. Особенно это относится к металлам и сплавам, чувствительным к быстрому нагреву и охлаждению, легко окисляющимся. Для сварки конструкций из таких металлов и сплавов приходится применять специальную технологию и режимы, специальные электроды, предварительный подогрев и последующую термообработку.

Основные химические процессы в зоне сварки

Рассмотрим эти процессы при сварке стали, как наиболее распространенного промышленного металла (сплава). Химический состав металла шва зависит от состава электродного и основного металла, а также от химических реакций, протекающих в зоне сварки. На ход и интенсивность этих реакций влияет окружающая атмосфера, степень защиты зоны сварки, состав электродных шлаков, режим сварки. При высокой температуре происходит интенсивное испарение и выгорание из стали отдельных элементов. В атомарном состоянии газы активно вступают в реакцию с расплавленным металлом, растворяются в нем. В результате снижается пластичность и повышается хрупкость металла шва.

При сварке стали основной задачей является получение сварного шва, свободного от примесей – кислорода, водорода, азота, серы и фосфора.

Влияние газов на металл шва

Присутствие кислорода в металле шва резко снижает его механические характеристики: прочность, пластичность, ударную вязкость. Кроме того, кислород способствует образованию пор, увеличивает хладноломкость и красноломкость, снижает стойкость металла шва против коррозии.

В зону сварки кислород попадает из окружающей атмосферы, электродных покрытий, поверхностных окислов основного металла (ржавчина, окалина). Кислород вступает в соединения с элементами, входящими в состав металла шва, образуя окислы. При сварке стали окисляется железо, являющееся основным ее элементом. Другие элементы окисляются тем быстрее, чем больше химическое родство данного элемента с кислородом. На степень окисления существенно влияет длина дуги в процессе сварки. При большой длине дуги окисление металла происходит интенсивней вследствие более длительного контакта с окружающей атмосферой расплавленного электродного металла,

Наличие водорода в сварном шве приводит к образованию дефектов: пористости и трещин, газовых пузырей и флокенов, то есть, небольших светлых пятен с очень малой полостью в центре, встречающихся на поверхности излома.

Водород попадает в зону сварки из влаги, содержащейся в окружающей атмосфере, электродном покрытии, на свариваемых кромках, а также из органических компонентов некоторых электродных покрытий. Водород не вступает в соединения с расплавленным металлом, но в атомарном состоянии хорошо растворяется в жидком металле.

Присутствие в металле шва азота способствует образованию пор, резко снижает пластичность и ударную вязкость, повышая при этом прочность и твердость (явление старения стали).

Азот в зону сварки попадает из окружающей атмосферы. Атомарный азот растворяется в сварочной ванне. Вступая в химическое соединение с железом, азот образует нитриды.

На степень насыщения металла шва азотом оказывает влияние режим сварки, причем с увеличением сварочного тока и уменьшением длины дуги содержание азота в сварном шве уменьшается.

Мероприятия, предотвращающие насыщение шва газами

Для предотвращения насыщения металла шва газами необходимо строго выполнять следующие мероприятия:

1 Хранить электроды в сухих помещениях. Перед использованием электроды должны быть тщательно прокалены по режимам, указанным на этикетках пачек электродов.

2 Тщательно очищать свариваемые кромки изделий от влаги, остатков смазки, поверхностных окислов (ржавчина, окалина).

3 Место сварки защищать от атмосферных осадков (дождь, снег). По возможности сварку изделий при низких температурах производить в помещениях.

4 В процессе сварки поддерживать наименьшую длину дуги.

5 При сварке толстого металла выполнять швы с минимальным числом проходов, т. к. наложение многопроходных швов способствует насыщению водородом нижележащих швов (слоев) в момент их расплавления последующими швами.

Влияние серы и фосфора на металл шва

Сера и фосфор являются очень вредными примесями в металле шва, резко снижающими качество сварного соединения. Сера и фосфор в металл шва могут попадать из основного и электродного металла, из электродных покрытий. Чем меньше содержание серы и фосфора в основном металле и электродах, тем выше их качество.

В сварочной ванне сера вступает в соединение с железом, образуя сернистое железо. Температура плавления и кристаллизации сернистого железа ниже, чем у стали, поэтому оно при кристаллизации сварочной ванны остается еще жидким в виде прослоек между кристаллами стали и является одной из причин образования горячих трещин по границам зерен – явление красноломкости стали.

Чтобы уменьшить содержание серы в металле шва, в состав электродных покрытий вводят марганец (в виде ферросплавов) и кальций (в виде извести). Эти элементы имеют большое сродство с серой и связывают ее в прочные соединения, переходящие в шлак.

Присутствие фосфора в металле повышает его хрупкость в холодном состоянии. Фосфор способствует росту зерен в процессе кристаллизации сварочной ванны. В результате снижается пластичность и ударная вязкость, появляется неоднородность структуры металла шва. Это явление носит название хладноломкости стали.

Удаление фосфора из сварочной ванны осуществляется путем связывания его в прочные химические соединения, переходящие в шлак, при помощи окислов железа и кальция, содержащихся в электродных покрытиях.

Защита зоны сварки. Для получения высококачественного сварного соединения необходимо обеспечить защиту зоны сварки от окружающей атмосферы (газов). Электродные покрытия обеспечивают газошлаковую защиту зоны сварки.

Электродное покрытие, расплавляясь в процессе сварки, образует газ, окружающий зону сварки, и шлак, обволакивающий капли расплавленного электродного металла и покрывающий сварочную ванну. Газ и шлак преграждают доступ окружающего воздуха в зону сварки. В состав покрытий вводятся компоненты, которые обеспечивают в процессе сварки необходимую металлургическую обработку сварочной ванны.

Раскисление сварочной ванны. Несмотря на газошлаковую защиту зоны сварки, некоторое количество газов проникает в сварочную ванну из окружающей атмосферы, шлаков, поверхностных окислов основного металла (ржавчина, окалина). Электродное покрытие должно обеспечить удаление газов из сварочной ванны,. Самым нежелательным газом, проникающим в сварочную ванну из окружающей атмосферы, является кислород.

Процесс удаления кислорода из сварочной ванны с целью повышения качества металла шва называется раскислением. Раскисление осуществляется двумя способами:

а) взаимодействием расплавленного металла и шлака,

б) введением в сварочную ванну элементов раскислителей. В качестве элементов раскислителей чаще всего используют марганец, кремний, титан в виде ферросплавов (сплавов с железом), которые входят в состав электродных покрытий и в сварочную проволоку (электродный стержень). Благодаря газовой защите зоны сварки и раскисления сварочной ванны при сварке современными штучными электродами удается получать сварные швы высокого качества, хорошо раскисленные, то есть с малым содержанием кислорода.

Легирование металла шва

Легированием называется процесс введения в сплав (сталь) элементов, придающих ему нужные свойства. В процессе сварки легирование сварочной ванны производится с целью восстановления химического состава и улучшения механических и физических свойств металла шва (наплавленного металла). Процесс легирования сварочной ванны происходит одновременно с процессом раскисления.

Путем легирования металл шва пополняется элементами, содержание которых значительно уменьшилось вследствие выгорания их в процессе сварки. Для придания металлу шва особых свойств (повышенной прочности, твердости, жаростойкости и др.) его можно легировать дополнительными элементами, отсутствующими в основном металле.

Легирующими элементами в процессе сварки служат марганец, кремний, никель, хром, титан, молибден и другие. Эти элементы в виде ферросплавов входят в состав электродных покрытий и в сварочную проволоку (электродный стержень). Некоторые легирующие элементы одновременно являются и раскислителями.

Чем лучше раскислен металл сварочной ванны, тем большее количество легирующих элементов им усваивается. Степень усвоения легирующих элементов зависит от рода, полярности и величины сварочного тока, длины дуги.

Рафинирование металла шва

Рафинирование – процесс освобождения металла сварочной ванны от шлаковых включений, окислов, вредных примесей, таких, как соединения серы и фосфора, Процесс рафинирования металла сварочной ванны происходит параллельно с раскислением и легированием.

Рафинирование сварочной ванны обеспечивается наличием слоя расплавленного шлака на ее поверхности. В результате охлаждение и кристаллизация расплавленного металла происходят более замедленно и из него успевают выделиться шлаковые включения, окислы, вредные примеси и пузырьки газов.

Термический цикл сварки

Металл сварного шва испытывает значительные температурные воздействия: нагрев до очень высокой температуры, плавление, затвердевание и остывание. Наряду со сварным швом температурным воздействиям – нагреву и остыванию – подвергается также околошовная зона основного металла. ..

Изменение температуры в процессе сварки в данной точке сварного шва или околошовной зоны называется термическим циклом сварки.

Термический цикл зависит от режима сварки. Регулируя скорости нагрева и остывания металла подбором режима сварки можно влиять на формирование структуры шва и околошовной зоны и, следовательно, получить требуемое качество сварного соединения.

Основными параметрами режима сварки, регулирующими термический цикл, являются величина погонной энергии дуги и начальная температура основного металла перед сваркой. С увеличением погонной энергии дуги или начальной температуры основного металла (предварительный подогрев) скорость охлаждения уменьшается, что благоприятно влияет на структуру сварного шва и околошовной зоны основного металла

Кристаллизация сварочной ванны

Кристаллизацией называется процесс образования зерен (кристаллов) металла при переходе его из жидкого состояния в твердое. Различают первичную и вторичную кристаллизацию.

Первичная кристаллизация – образование зерен при переходе металла из жидкого состояния в твердое. После перехода металла в твердое состояние при дальнейшем охлаждении происходит изменение формы зерен. Этот процесс носит название вторичной кристаллизации. Условия протекания процесса первичной кристаллизации в значительной степени определяют свойства металла сварного шва. На рисунке 6 показана структура сварного шва

Количество, форма и расположение зерен металла зависят от места зарождения центров кристаллизации, скорости роста зерен, скорости охлаждения и направления отвода тепла, а также от наличия в расплавленном металле посторонних включений. В первый момент кристаллизации появляется большое количество зерен с неопределенной ориентировкой. Но вскоре в силу соприкосновения граней соседних зерен рост тех из них, которые расположены менее выгодно, прекращается. Далее продолжают расти только те, которые расположены перпендикулярно поверхности раздела между жидким и твердым металлом.

Чем быстрее происходит охлаждение расплавленного металла сварочной ванны, тем больше образуется центров кристаллизации, и тем мельче будут зерна металла. При медленном охлаждении в процессе кристаллизации металл приобретает крупнозернистое строение. Форма сварного шва имеет существенное значение для направления кристаллизации и расположения посторонних включений. При широких швах эти включения вытесняются наверх и легко удаляются. При узких сварных швах посторонние включения зачастую остаются внутри шва между зернами. Первичная кристаллизация носит периодический волнообразный характер, т.е. расплавленный металл застывает не сразу по всему объему, а отдельными порциями – слоями (волнами). Это подтверждается наличием кристаллизационных слоев, которые можно проследить на разрезе сварного шва после специальной обработки. Волновой характер кристаллизации является еще одной причиной образования чешуйчатой поверхности сварного шва.

Для ручной дуговой сварки штучными электродами характерна гранулярная структура металла сварного шва, когда зерна не имеют определенной ориентировки, а по форме напоминают многогранники. Гранулярная структура может быть крупнозернистой и мелкозернистой. Наиболее благоприятной структурой сварного шва в отношении механических свойств является гранулярная мелкозернистая структура. Если расплавленный металл в процессе сварки был перегрет, то при охлаждении он образует зерна игольчатой формы, пересекающиеся друг с другом в различных направлениях. В результате перегретый металл делается хрупким, прочность его резко снижается.

Строение сварного соединения.

Качество сварного соединения существенно зависит от характера структуры его. Для изучения структуры сварных соединений изготовляют шлифы – образцы разреза сварного шва со специально обработанной поверхностью (шлифовка, травление). Шлифы подвергают металлографическому исследованию, т.е. исследуют макроструктуру и микроструктуру.

При исследовании макроструктуры, т.е. структуры, видимой невооруженным глазом или при малом увеличении, определяют характер кристаллизации, контуры провара, зону термического влияния, ликвацию, неоднородность структуры металла, дефекты сварки; (Ликвацией называется неоднородность химического состава и неравномерность расположения вредных примесей).

При исследовании микроструктуры, т.е. структуры, выявляемой при сильном увеличении под микроскопом, определяют расположение кристаллов, характер фазовых структурных превращений (вторичная кристаллизация), особенности отдельных структурных составляющих, наличие нитридов, микроскопических включений, пор и трещин.

Сварное соединение можно разделить на три основные зоны, имеющие различные структуры: 1 – зона основного металла, 2 – зона термического влияния, 3 – зона металла шва, (рисунок 7). Металл шва (наплавленный металл) имеет структуру литой стали. Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок основного металла (околошовная зона), в котором произошлиНа рисунке 7 показана структура сварного шва и зона термического влияния на металл свариваемых деталей. структурные фазовые превращения (изменение формы и размера зерен), вследствие нагрева в процессе сварки до температуры выше критической (723⁰C). При ручной дуговой сварке штучными электродами ширина зоны термического влияния составляет 3 – 6 мм. Обычно зона термического влияния имеет низкие механические свойства, поэтому качество сварного соединения частично определяется свойствами и протяженностью зоны термического влияния.

Ширина зоны термического влияния зависит от основных условий процесса сварки, условий отвода тепла от места сварки. При сварке среднеуглеродистых и низколегированных сталей, склонных к закалке, в зоне термического влияния возможно образование трещин. Зона термического влияния имеет особое значение при сварке специальных легированных сталей, чувствительных к нагреву. При сварке таких сталей возможны как закалка с образованием твердых структур и трещин, так и отжиг со снижением прочности металла на участке зоны термического влияния. Для сварки таких сталей приходится применять специальные меры для изменения теплового режима сварки (подогрев) и последующую термическую обработку сварных соединений.

Основной металл зоны А, прилегающий к зоне термического влияния, подвергается воздействию температур 723 - 500⁰C. На этом участке структура стали не изменяется, а происходит лишь восстановление прежней формы и размеров зерен, деформированных при прокатке стали. Этот процесс называется рекристаллизацией.

Сварочные напряжения и деформации.

При сварке металлоконструкций возникают внутренние напряжения и деформации, которые причиняют много трудностей при изготовлении и эксплуатации сварных конструкций. Сварочные напряжения и деформации могут вызвать следующие нежелательные последствия:

- изменение запроектированных размеров сварных конструкций;

- искривление и изменение формы сварных узлов и конструкций в целом (коробление);

- появление трещин и разрывов в процессе изготовления сварных конструкций;

- разрушение сварных конструкций в процессе эксплуатации.

Понятие напряжений и деформаций. Изменение формы и размеров твердого тела под воздействием силы (нагрузки) называется деформацией. Различают упругие и остаточные деформации.

Если форма и размеры тела восстанавливаются после прекращения действия силы (после снятия нагрузки), то деформация называется упругой. Если после снятия нагрузки твердое тело не восстанавливает прежнюю форму и размеры – деформация называется остаточной (пластической). Размеры деформации определяются величиной действующей нагрузки (усилия). Чем больше усилие, тем больше вызываемая им деформация. О величине усилия судят по напряжению, которое данное усилие вызывает в твердом теле (конструкции). Между напряжением и вызываемой им деформацией в пределах упругой зоны существует прямая, неразрывная связь (закон Гука).

Напряжения и деформации, возникающие от неравномерного нагревания и охлаждения конструкции, называются тепловыми (термическими). Тепловые напряжения могут вызвать изменение геометрических размеров, коробление и деформацию конструкции, могут привести к образованию трещин в металле конструкций. На величину тепловых напряжений и деформаций металла существенное влияние оказывает отсутствие или наличие закреплений и связей.

Причины возникновения напряжений и деформаций при сварке. Напряжения и деформации в сварных конструкциях вызываются различными причинами. К неизбежным причинам относятся такие, без которых сварочный процесс происходить не может: неравномерный нагрев, тепловая (литейная) усадка металла, структурные изменения металла шва и околошовной зоны. К сопутствующим причинам, способствующим возникновению напряжений и деформаций, относятся такие, без которых процесс сварки может происходить:

- неправильное решение конструкции сварных узлов (близкое расположение швов, частое их пересечение, неправильно выбранный вид соединения);

- неправильная технология сварки (режим сварки, диаметр электрода, способы наложения швов);

- низкая квалификация сварщика; нарушение геометрических размеров сварных швов.

Наличие сосредоточенного источника тепла (дуги), перемещающегося вдоль линии шва и вызывающего неравномерное нагревание металла, является основной причиной возникновения внутренних напряжений в сварных конструкциях. Напряжения возникают в том случае, если свободному расширению и сокращению металла при нагревании и охлаждении препятствуют соседние участки металла, остающиеся холодными. Прилегающий к шву металл околошовной зоны подвергается сжатию из-за невозможности свободного температурного расширения, которому препятствуют малонагретые и холодные участки основного металла (изделия). При остывании сварного соединения расплавленный металл шва не может свободно сокращаться в объеме, равно как и металл околошовной зоны не может освободиться от сжатия из-за препятствий со стороны тех же соседних малонагретых и холодных участков основного металла. В результате этих явлений в сварном соединении неизбежно появляются собственные напряжения: после выравнивания температуры сварной шов останется растянутым, а околошовная зона окажется сжатой.

Вследствие литейной (тепловой усадки) расплавленный металл стремится сократить свой объем, в результате в соседних слоях металла возникают растягивающие усилия, являющиеся причиной образования напряжений. Чем меньше объем расплавленного металла сварочной ванны, тем меньше возникающие напряжения. Структурные превращения (изменение формы, размеров, ориентации зерен металла) вызывают растягивающие и сжимающие внутренние усилия, вызывающие напряжения. При сварке малоуглеродистых сталей напряжения от структурных превращений незначительны и практического значения не имеют. Стали с повышенным (более 0,35%) содержанием углерода, а также большинство легированных сталей от структурных превращений приобретают значительные напряжения, достаточные для возникновения трещин в сварном соединении.

Величина и распределение напряжений и деформаций зависят от жесткости свариваемых конструкций, при этом большое значение имеет толщина металла. При сварке металла толщиной до 3 мм проявляются преимущественно большие деформации, а напряжения очень малы. Сварка металла толщиной 4 – 20 мм сопровождается значительными деформациями, одновременно с увеличением толщины металла начинают проявляться остаточные напряжения. При сварке металла толщиной свыше 20 мм деформации ничтожны, но остаточные напряжения могут достигать значительных величин. Остаточные сварочные напряжения проявляются в ближайших к шву слоях металла и резко затухают на расстоянии 50 – 70 мм от шва. Различают остаточные сварочные напряжения и деформации – продольные, поперечные и угловые.

Остаточные сварочные напряжения существуют в сварных конструкциях сами по себе, даже при отсутствии действия на них внешних сил и нагрузок. Изучение сварочных напряжений и деформаций очень важно при выборе рациональных форм сварных конструкций и технологии их изготовления. Если конструктивные формы и технология сварки хорошо продуманы, то остаточные напряжения могут быть не опасны для работоспособности сварных конструкций, а остаточные деформации сведены до минимума.

Мероприятия по уменьшению сварочных напряжений и деформаций. Уменьшение внутренних напряжений и деформаций является важнейшей задачей конструкторов, проектирующих конструкции, и рабочих-сварщиков, изготовляющих эти конструкции. Мероприятия по уменьшению остаточных напряжений и деформаций можно разделить на конструктивные и технологические.

Конструктивные мероприятия:

1 Выбор основного металла и электродов для изготовления конструкций.

Желательно применять основной металл, не имеющий склонности к образованию закалочных структур при остывании на воздухе. Применять электроды, обеспечивающие наплавленный металл с пластическими свойствами не ниже пластических свойств основного металла.

2 Рациональное проектирование конструкций и узлов:

Количество сварных швов должно быть возможно меньшим, сечение швов не должно превышать проектного значения. В проект закладывается минимальный объем наплавленного металла. Применять преимущественно стыковые швы, которые являются менее жесткими. Угол скоса кромок и зазор между стыкуемыми кромками должны быть минимально возможными. В стыковых соединениях деталей различной толщины следует скашивать кромку более толстого листа – это обеспечивает равномерный нагрев и провар стыкуемых кромок и равномерное распределение напряжений. Не допускать скопления сварных швов и избегать их пересечения, особенно в конструкциях, работающих при переменных нагрузках.

3 Сложные сварные конструкции изготавливать в виде отдельных сварных узлов, соединяемых затем в целую конструкцию – это уменьшит влияние связей на усадку швов.

Сварочные материалы

Качество и свойства металла сварного шва во многом определяется правильным выбором электродов. Покрытый электрод (штучный) состоит из металлического стержня и специального покрытия. Здесь рассматриваются только стальные электроды.

Стальная холоднотянутая сварочная проволока изготовляется по ГОСТ 2246 – 70. Из стальной сварочной проволоки изготовляют стержни электродов с покрытием для ручной дуговой сварки (штучные электроды). В маркировке такой проволоки будет присутствовать буква Э (электродная). При механизированных способах сварки под флюсом и в среде защитных газов стальная сварочная проволока используется в качестве плавящегося электрода без покрытия.

Диаметры проволоки установлены следующие: 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,5; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10; 12 мм. Поставляется проволока в мотках весом 1,5 – 40 кг. Стальную сварочную проволоку по химическому составу делят на три группы: низкоуглеродистая, легированная, высоколегированная.

Низкоуглеродистая сварочная проволока предназначена для сварки малоуглеродистых и некоторых среднеуглеродистых сталей, а также некоторых низколегированных сталей. Предусмотрено 6 марок такой проволоки: Св-0,8; Св-0,8А; Св-0,8АА; Св -0,8ГА; Св-10ГА; Св-10Г2. Число указывает на содержание в проволоке углерода в сотых долях процента. Буква А указывает на повышенную чистоту металла сварочной проволоки по содержанию вредных примесей серы и фосфора – такая проволока обеспечивает наплавленный металл (металл шва) с повышенными пластическими свойствами.

Расшифруем одну из марок проволоки – Св-0,8ГА: Св – проволока сварочная; 0,8 – содержание углерода 0,08%; Г – в проволоке присутствует марганец, в среднем 1%; А – гарантируется повышенная пластичность наплавленного металла.

Легированная сварочная проволока предназначена для сварки низколегированных и легированных сталей. В этой группе предусмотрено 30 марок проволоки: Св-0,8ГС; Св-18ХГС; Св-ЮХ2СМА и др.

Высоколегированная сварочная проволока предназначена для сварки специальных высоколегированных сталей и для наплавки. В этой группе предусмотрено 39 марок проволоки: Св-06Х19Н9Т; Св-08Х14ГНТ; Св-13Х25Н18 и др.

Поверхность стальной сварочной проволоки должна быть чистой и гладкой, без окалины, ржавчины и масла, без заусениц и вмятин. Низкоуглеродистая и легированная сварочные проволоки могут выпускаться с омедненной поверхностью. В этом случае в названии марки присутствует буква О.

Пример маркировки стальной сварочной проволоки на этикетке (бирке) мотка проволоки: проволока 1,6 Св-0,8ГА ГОСТ 2246 – 70 (Проволока сварочная, диаметром 1,6 мм, марки Св-0,8ГА, предназначена для сварки). Проволока 3 Св-0,8А-Э-О ГОСТ 2246 – 70 (Проволока сварочная, диаметром 3 мм, марки Св-0,8А, предназначена для изготовления электродов с омедненной поверхностью).

Электродные покрытия.

Сварочно-технологические свойства электродов в значительной степени определяются электродным покрытием. Электродные покрытия в процессе сварки выполняют следующие важные функции:

- Обеспечивают зажигание дуги, увеличивая степень ионизации дугового промежутка; повышают стабильность горения дуги;

- обеспечивают газошлаковую защиту зоны сварки (дуговой промежуток и сварочная ванна) от окружающей атмосферы;

- раскисляют сварочную ванну, восстанавливая часть металла, превратившегося в окислы;

- легируют сварочную ванну, придавая металлу шва необходимые свойства (прочность, износостойкость, стойкость против коррозии и др.);

- электродные шлаки на поверхности сварочной ванны способствуют нормальному формированию шва.

Состав электродных покрытий

Покрытия изготовляют из большого числа тонкоразмолотых и тщательно перемешанных материалов, связанных клеящим составом. Применяемые для приготовления электродных покрытий материалы классифицируют по назначению на следующие группы: стабилизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскисляющие, легирующие, связующие.

Стабилизирующие (ионизирующие) компоненты покрытий повышают стабильность горения дуги. При расплавлении покрытия они легко разлагаются (диссоциируют) с образованием свободных электрически заряженных частиц (электронов, ионов), повышая степень ионизации дугового промежутка. С этой целью используют химические элементы щелочной и щелочноземельной группы, имеющие низкий потенциал ионизации: калий, натрий, кальций, барий. Эти элементы содержаться в таких элементах электродных покрытий, как мел, мрамор, известняк, слюда, полевой шпат, гранит, натриевое и калиевое жидкое стекло, поташ, хромпик, углекислый барий, марганцево-кислый калий, кальцинированная сода.

При расплавлении электродного покрытия образуется шлак, защищающий капли электродного металла и сварочную ванну от вредного воздействия окружающей атмосферы. Слой шлака на поверхности сварочной ванны уменьшает скорость кристаллизации расплавленного металла и способствует выделению из него неметаллических включений, а также обеспечивает нормальное формирование шва. Шлакообразующие компоненты являются, как правило, основной массовой частью большинства электродных покрытий. В качестве шлакообразующих компонентов используются рутил, плавиковый шпат, известняк, мрамор, магнезит, пиролюзит, ильменитовый концентрат, кремнезем, кварцевый песок, магнетит, гематит, слюда, полевой шпат, титановый концентрат, доломит, каолин.

Газообразующие компоненты при сгорании электродного покрытия разлагаются с образованием большого количества газов, которые оттесняют окружающую атмосферу от зоны сварки и тем самым обеспечивают защиту расплавленного металла. Газообразующие компоненты входят в состав покрытий в виде органических и неорганических материалов. Органические газообразующие компоненты: крахмал, декстрин, целлюлоза, торф, древесная и пищевая мука, лигнин, хлопчатобумажная пряжа, древесный уголь. Неорганические газообразующие компоненты: мел, мрамор, известняк, доломит, магнезит, сидерит.

Раскисляющие компоненты восстанавливают часть металла (железа), превратившегося в окислы в результате реакций с кислородом и кислородосодержащими веществами окружающей атмосферы, дугового промежутка и шлака. Эти компоненты содержат в своем составе элементы-раскислители, имеющие больше, чем железо, сродство с кислородом. Восстанавливая железо, эти элементы окисляются сами и в виде окислов удаляются в шлак. В качестве раскисляющих компонентов в электродные покрытия вводят порошки алюминия, марганца и органические материалы (графит, древесный уголь), а также ферросплавы марганца, титана, хрома. Раскисление сварочной ванны может происходить за счет легирующих компонентов, в этом случае они должны содержаться в электродном покрытии в избытке.

Легирующие компоненты придают металлу шва нужный химический состав, чтобы обеспечить требуемые механические и специальные свойства (жаропрочность, стойкость против коррозии и т.д.). С этой целью в электродные покрытия вводят ферросплавы или чистые металлические порошки марганца, хрома, никеля, титана, молибдена, кремния, ванадия и др.

Связующие (клеящие) компоненты связывают многочисленные порошкообразные компоненты электродных покрытий в однородную массу и цементируют ее на электродном стержне. Основным связующим компонентом служит жидкое стекло (натриевое или калиевое). В этом качестве могут использоваться декстрин, бакелитовый клей.

Приведенная классификация компонентов электродных покрытий является несколько условной, т.к. некоторые компоненты могут одновременно выполнять несколько функций, а одни и те же компоненты в различных видах покрытий могут выполнять различные функции.

Классификация электродных покрытий. Электродные покрытия по химическому составу и металлургическому воздействию на металл сварочной ванны в соответствии с ГОСТ 9466 – 75 делятся на следующие виды: рутиловые покрытия (Р), основные (Б), целлюлозные (Ц), кислые (А).

Электродные покрытия смешанного вида имеют двойное соответствующее условное обозначение (например, РА). Все другие виды покрытий, не предусмотренные ГОСТ 9466 – 75, имеют условное обозначение – П (прочие). При наличии в составе покрытия железного порошка в количестве более 20% от веса покрытия к обозначению вида покрытия добавляется буква Ж (например, РЖ).

Рутиловые покрытия (Р) содержат следующие компоненты: рутил, титановый концентрат, магнезит, мел, мрамор, полевой шпат, гранит, целлюлоза, декстрин. В качестве раскисляющих и легирующих компонентов содержат ферросплавы марганца и кремния.

Рутиловые покрытия обеспечивают устойчивое горение сварочной дуги на постоянном и переменном токе, допускают сварку во всех пространственных положениях, выделяют незначительное количество вредных соединений, обеспечивают хорошее формирование шва, малое разбрызгивание металла, легкую отделимость шлака, высокие механические свойства металла шва. Рутиловые покрытия малочувствительны к изменению длины дуги и загрязнению свариваемых кромок. Перед сваркой электроды с рутиловым покрытием рекомендуется просушивать при температуре 150 - 180⁰C в течение 1 – 1,5 ч.

Электроды с рутиловым покрытием широко применяются для сварки конструкций из малоуглеродистых сталей. Примеры некоторых марок электродов с рутиловым покрытием: МР-3, АНО-4, ОЗС-4. Электроды с рутиловым покрытием выпускаются в большом объеме, это самые распространенные электроды.

Основные покрытия (Б). Покрытия основного вида содержат следующие компоненты: плавиковый шпат, мел, мрамор, доломит, магнезит. Раскисляющими и легирующими компонентами являются ферросплавы марганца, кремния, хрома, титана, молибдена.

Основные покрытия обеспечивают устойчивое горение сварочной дуги на постоянном токе обратной полярности, допускают сварку во всех положениях, обеспечивают хорошее формирование шва, в процессе сварки требуют предельно короткой дуги и тщательной зачистки свариваемых кромок. Обеспечивают наплавленный металл (металл шва) высшего качества в сравнении с другими видами покрытий; он содержит минимальное количество газов (хорошо раскислен), серы и фосфора, обладает повышенной стойкостью к образованию горячих и холодных трещин, имеет высокую пластичность и ударную вязкость при низких и высоких температурах.

Некоторые марки электродов с основным покрытием допускают сварку и на переменном токе. В состав покрытий таких электродов вводят поташ и жидкое калиевое стекло.

Электроды с основным покрытием применяются для сварки конструкций из углеродистых и легированных сталей, при сварке металла большой толщины и ответственных конструкций, работающих в тяжелых условиях эксплуатации (низкие и высокие температуры, динамические нагрузки). Перед сваркой электроды с основным покрытием требуют просушки при температуре 300 - 400⁰C в течение 2 часов.

Недостатком электродов с основным покрытием является склонность к образованию пор в наплавленном металле в следующих случаях:

- при повышенной влажности покрытия (плохая просушка);

- при увеличенной длине дуги в процессе сварки;

- при загрязнении свариваемых кромок (сварка по незачищенным кромкам).

Основные покрытия при сгорании выделяют вредные фтористые соединения, поэтому при сварке в закрытых помещениях необходима хорошая вентиляция.

При всех перечисленных недостатках применение электродов с основным покрытием возрастает по следующим причинам:

- повышаются требования к качеству и надежности сварных конструкций;

- при изготовлении сварных конструкций растет использование низколегированных и легированных сталей.

Примеры некоторых марок электродов с основным покрытием: УОНИ-13/55, ТМУ-21, СМ-11.

Целлюлозные покрытия (Ц). В основном состоят из компонентов органического происхождения: целлюлоза, крахмал, декстрин, древесная мука, торф. В качестве шлакообразующих компонентов добавляются неорганические материалы: рутил, титановый концентрат, магнезит, пиролюзит. Раскисляющим компонентом служит ферросплав марганца. При плавлении таких покрытий в процессе сварки выделяется большое количество газов, которые создают интенсивную газовую защиту зоны сварки; на шве образуется тонкий слой легко отделимого хрупкого шлака.

Электроды с целлюлозным покрытием применяются для сварки конструкций из углеродистых и низколегированных сталей на постоянном и переменном токе. Такие электроды применяются для сварки стали небольшой толщины, т.к. обладают малой проплавляющей способностью. Электроды с целлюлозным покрытием хорошо обеспечивают провар корня шва и формирование обратной стороны шва. Такие электроды удобны при выполнении вертикальных потолочных и труднодоступных швов; хорошо зарекомендовали себя при монтажной сварке трубопроводов.

Целлюлозные покрытия имеют повышенную гигроскопичность и чувствительны к перегреву при сушке. Перед сваркой электроды с таким покрытием требуют просушки при температуре 100⁰C в течение часа. Некоторые марки электродов с целлюлозным покрытием: ОМА-2, ВСП-1, ВСЦ-2, ВСМ-1.

Кислые покрытия (А). Такие покрытия состоят в основном из окислов железа, марганца, кремния, титана в виде руды. Газовую защиту зоны сварки обеспечивают органические компоненты: целлюлоза, декстрин, древесная мука. Раскислителем служит ферросплав марганца.

Кислые покрытия обеспечивают устойчивое горение дуги на постоянном и переменном токе, допускают сварку во всех пространственных положениях, малочувствительны к загрязнению свариваемых кромок. Электроды с кислым покрытием применяются для сварки неответственных конструкций из малоуглеродистых сталей.

Электроды с кислым покрытием имеют существенные недостатки:

- малая пластичность и ударная вязкость наплавленного металла (металла шва) по причине недостаточного раскисления металла (повышенное содержание кислорода и водорода);

- склонность наплавленного металла к образованию горячих трещин, особенно при сварке сталей с повышенным содержанием углерода;

- повышенное разбрызгивание металла в процессе сварки;

- значительное выделение в процессе сварки вредных токсичных веществ (соединения марганца).

Из-за перечисленных недостатков в настоящее время производство электродов с кислым покрытием прекращено. Взамен таких электродов разработаны и широко внедрены в производство электроды с рутиловым покрытием. Кислые покрытия находят применение в комбинации с другими видами покрытий (покрытия смешанного вида).

Примеры некоторых марок электродов с кислым покрытием, применявшихся ранее довольно широко: ОММ-5, СМ-5, МЭЗ-04.

Стальные электроды

Качество и свойства металла сварного шва (наплавленного металла) во многом определяются правильным выбором электродов. Свойства электродов зависят от химического состава и диаметра стержня и от состава и свойств покрытия. Электроды характеризуют по свойствам наплавленного ими металла: прочность, пластичность, ударная вязкость, твердость, химический состав.

Наряду с качеством и свойствами металла сварного шва большое значение имеют сварочно-технологические свойства электродов: стабильность горения дуги на постоянном и переменном токе, пригодность для сварки в различных пространственных положениях, производительность, допустимая длина дуги, формирование шва, отделимость шлаковой корки, коэффициент наплавки.

Классификация электродов

Классификацию и размеры электродов, технические требования к ним, правила приемки, методы испытаний, упаковку, транспортирование и хранение электродов для ручной дуговой сварки сталей и наплавки устанавливает ГОСТ 9466 – 75 («Электроды покрытые, металлические, для ручной дуговой сварки сталей и наплавки»).

По назначению электроды подразделяются:

- для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву до 60 кгс/ммІ-У;

- для сварки легированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву свыше 600 МПа (60 кгс/мм²) – Л;

- для сварки легированных теплоустойчивых сталей – Т;

- для сварки особых высоколегированных сталей – В;

- для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами – Н.

По свойствам наплавленного металла электроды подразделяются на типы. ГОСТ 9467 – 75 устанавливает 14 типов электродов для сварки углеродистых, низколегированных и легированных конструкционных сталей. (У. Л) и 9 типов электродов для сварки легированных теплоустойчивых сталей (Т). Типы электродов для сварки конструкционных сталей регламентированы по механическим свойствам наплавленного металла и содержанию в нем вредных примесей – серы и фосфора. Тиры электродов для сварки легированных теплоустойчивых сталей регламентированы по химическому составу наплавленного металла и механическим свойствам наплавленного металла или металла шва.

ГОСТ 10052-75 устанавливает 49 типов электродов для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами (В). Эти типы также регламентированы по химическому составу наплавленного металла и механическим свойствам наплавленного металла или металла шва.

Основными показателями механических свойств наплавленного металла или металла шва являются: временное сопротивление разрыву МПа (кгс/мм²), относительное удлинение в %, ударная вязкость, Дж (кгс·М/см²).

ГОСТ 10051 – 75 устанавливает 44 типа электродов для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами (Н). Эти типы регламентированы по химическому составу и твердости наплавленного металла, а также содержанию в нем вредных примесей – серы и фосфора.

Каждому типу электродов соответствует одна или несколько производственных марок электродов. Марки электродов характеризуются видом и составом электродного покрытия; маркой электродной проволоки, из которой изготовлен стержень электрода; сварочно-технологическими свойствами; свойствами наплавленного металла или металла шва.

Электроды подразделяются по толщине покрытия в зависимости от отношения D/d (D - внешний диаметр электрода, d - диаметр стержня): с тонким покрытием – М (D/d1,2); со средним покрытием – С (D/d1,45); с толстым покрытием – Д(D/d1,8); с особо толстым покрытием – Г (D/d1,8).

В зависимости от требований к качеству электродов (точность изготовления, состояние поверхности покрытия, содержание серы и фосфора в наплавленном металле, сплошность выполненного данными электродами металла шва) электроды подразделяются на группы 1, 2, 3. Самые высокие требования к качеству изготовления у электродов третьей группы.

По допустимым пространственным положениям сварки или наплавки электроды подразделяются: для всех положений – 1; для всех положений, кроме вертикального, сверху вниз – 2; для нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального снизу вверх – 3; для нижнего и нижнего в лодочку – 4.

По роду и полярности сварочного тока, а также по номинальному напряжению холостого хода источника питания сварочной дуги переменного тока. Электроды подразделяются в соответствии с таблицей 1.

Структура условного обозначения электродов на этикетках пачек и коробок с электродами следующая:

1 – тип электрода; 2 – марка; 3 – диаметр стержня; 4 обозначение назначения электрода; 5 – обозначение толщины покрытия; 6 – группа электродов по качеству изготовления; 7 – индексы, указывающие характеристики наплавленного металла и металла шва; 8 – обозначение вида покрытия; обозначение 9 – обозначение допустимых положений сварки и наплавки; 10 – обозначение рода и полярности сварочного тока, а также напряжения холостого хода источника питания переменного тока; 11 – ГОСТ на типы электродов.

Таблица 1 – Классификация электродов по роду и полярности

сварочного тока

Рекомендуемая полярность источника питания постоянного тока В	Напряжение холостого хода источника питания переменного тока В		Обозначение электродов
	Номинальное	Пределы отклонений
Обратная	-	­	0
Любая	50	±5	1
Прямая			2
Обратная			3
Любая	70	±10	4
Прямая			5
Обратная			6
Любая	90	±5	7
Прямая			8
Обратная			9

Примеры условных обозначений электродов на этикетах:

Э46-МП-3-4,0-УД2 ГОСТ 9466-75, ГОСТ 9467-75; Е430(3)-Р26

Э50А-УОНИ-13/55-3,0-УД2 ГОСТ 9466-75, ГОСТТ 9467-75; Е513-Б2

Во всех видах технической документации обозначение электродов должно состоять из марки, диаметра стержня, группы электродов и ГОСТ 9466-75. Пример условного обозначения электрода в технической документации: МП-3-4,0-2 ГОСТ 9466-75.

ГОСТ 9466-75 устанавливает следующие диаметры электродных стержней: 1.6; 2.0; 2.5; 3.0; 4.0; 5.0 6.0; 7.0; 8.0; 10; 12 мм. Длина стержней устанавливается следующей: 150; 200; 250; 300; 350; 400 мм.

Уменьшение диаметра и увеличение длины электродного стержня приведет к увеличению электрического сопротивления, что вызовет чрезмерный нагрев его в процессе сварки. В результате стержень электрода будет быстрее плавиться (потечет), электродное покрытие разрушится и преждевременно выгорят его составляющие.