§ 138. Электроды.

Электроды, применяемые при сварке сталей, должны обеспечивать высо­кие механические свойства сварного соединения и высокую производитель­ность процесса сварки.

Электродная проволока. Электродную проволоку изготовляют диа­метром 1—12 мм. Длина электродов, нарезаемых из проволоки диаметром до 3 мм, обычно составляет 350 мм, а диаметром свыше 3 мм—450 мм. На практике преимущественно применяют электроды диаметром 2—7 мм. Электродами диаметром 2 мм сваривают металл толщиной до 2 мм, диа­метром 3 мм — металл толщиной 2 мм и выше. Для сварки металла толщи­ной 5—10 мм применяют электроды диаметром 4—5 мм, а для толщин свыше Ю мм —электроды диаметром 5—7 мм. Химический состав металла сталь­ной электродной проволоки установлен ГОСТ 2246-51 и имеет 19 марок. Для сварки малоуглеродистой стали и многих сортов конструкционных ста­лей самое широкое применение в производстве имеют три марки проволоки: Св-1, Св-IA и Св-П.

Указанные марки проволоки отличаются по содержанию углерода, кремния и фосфора. Лучшая проволока Св-IA содержит до 0,10% С; 0,35—0,6% Mn; 0,15—0,25% Si; 0,03—0,04% S; до 0,03% P. Марка Св-П содержит углерода до 0,18%.

Для ручной дуговой сварки проволоку-электрод покрывают специаль­ными обмазками с целью защиты ванны расплавленного металла от погло­щения кислорода и азота из воздуха. Содержание кислорода в металле шва свыше 0,2% и азота свыше 0,15% резко снижает пластические свой­ства металла шва: относительное удлинение, угол загиба, ударную вязкость. Поглощение азота и кислорода расплавленным металлом в процессе сварки происходит как при переходе капель металла с электрода в ванну, так и в самой ванне и продолжается до затвердевания металла. Кислород, облада­ющий большой химической активностью, вступает с железом в соединения FeO, Fe₃0₄ и Fe₂O_s.

Низший окисел— закись FeO — образуется ранее других на поверхно­сти капли расплавленного металла и сразу же растворяется в нем. Выс­шие окислы железа в момент переноса капли металла в ванну раскисляются углеродом, марганцем, кремнием, содержащимися в электродной проволоке. Выгорание этих примесей уменьшает их содержание в металле шва. На поверхности сварочной ванны реакции окисления продолжаются и, несмо­тря на происходящие внутри ванны раскислительные процессы, металл насы­щается кислородом в виде твердого раствора FeO в железе или включений окислов.

Насыщение расплавленного металла азотом воздуха может происходить либо путем образования при высоких температурах нитридов марганца MnN и кремния SiN, либо окисла NO. При температуре металла около 1000° этот окисел выпадает из твердого раствора и диссоциирует на ато­марный азот и кислород. Атомарный азот образует с железом нитриды Fe₄N и Fe₂N в интервале температур 500—800°. Для уменьшения содержа­ния азота и кислорода в металле Шва применяют ряд мер: в металле электродов увеличивают содержание раскислителей (Mn, Si), наносят специальное электродное покрытие, содержащее раскислители.

Хорошей защитой расплавленного металла от кислорода и азота воздуха при ручной дуговой сварке является применение покрытых электродов, которые при плавлении дают шлаки, защищающие металл как при переходе его с электрода в ванну, так и в самой ванне. В зависимости от толщины покрытия электроды разделяются на тонкопокрытые, с толщиной слоя обмазки 0,1—0,3 мм и толстопокрытые, с толщиной слоя обмазки до 2 мм. Вес тонкого покрытия составляет около 1 %, а толстого около 20—35% веса электрода. Тонкие покрытия предназначаются для увеличения устойчи­вости горения дуги и поэтому часто называются ионизирующими покрыти­ями. Наиболее распространенным ионизирующим покрытием является мело­вое, состоящее.по весу из 80—85% мелко просеянного мела СаС0₃ и 15— 20% жидкого растворимого стекла NaO-Si0₂. Сварные швы, выполненные этими электродами, из-за отсутствия защиты расплавленного металла обла­дают низким пределом прочности и низкой пластичностью. Для получения сварных швов с высокими показателями прочности и пластичности пользу­ются электродами с толстым покрытием. В состав толстого покрытия входят газообразующие, шлакообразующие и легирующие вещества и раскислители.

Газообразующие вещества в покрытиях, вроде древесной муки, крах­мала, пищевой муки, целлюлозы и т. п., предназначаются для создания в про­цессе плавления электрода газовой защитной среды вокруг дуги и ванночки жидкого металла, состоящей в основном из водорода и окиси углерода. В результате этой защиты удается устранить вредное влияние воздуха на жидкий металл. Шлакообразующие вещества, входящие в состав толстых покрытий, вроде полевого шпата, марганцевой руды, титановой руды, мела, каолина и т. п. образуют при плавлении электрода шлаки, защищающие расплавленный металл от Бездействия воздуха и улучшающие условия форми­рования металла шва.

Ферросплавы в виде ферромарганца, ферротитана, ферросилиция и др. вводят в покрытия для раскисления металла шва и шлаков, перевода закиси железа в металле в другие соединения; а также для легирования металла шва путем повышения содержания в нем некоторых элементов кроме Mn, Si Ti и др.

Для сварки сталей j незначительным, содержанием легирующих примесей применяют электроды со стержнями из малоуглеродистой стали, но с вве­дением в покрытие легирующих элементов в виде ферросплавов (ферро­марганца, ферросилиция, феррованадия, ферротитана и др.) вместе с соот­ветствующими газо- и шлакообразующими компонентами.

Легирующие элементы из покрытия, частично выгорая, переходят в наплавленный металл шва и позволяют получить механические свойства шва, близкие к свойствам свариваемого металла.

При сварке высоколегированных сталей (нержавеющих и жаропрочных) применяют электроды, стержни которых по своему химическому составу одинаковы со свариваемым металлом.

Для компенсации выгорания при сварке легирующих элементов, содер­жащихся в проволоке, в состав покрытия для этих электродов, кроме газо и шлакозащитных веществ, вводят соответствующие компоненты в виде ферро­сплавов.

Во всех покрытиях в качестве связующего вещества применяют жидкое стекло. В некоторых случаях применяют декстрин и органический клей.

Защита расплавленного металла является основной функцией толстого покрытия на электродах. Кроме того, покрытие обеспечивает устойчивое горение дуги, равномерное распределение шлака по поверхности шва и легкое его удаление после сварки, отсутствие наружных и внутренних дефектов в шве в виде пор и шлаковых включений, хороший внешний вид шва. Наиболее ходовыми марками электродов для сварки малоуглеродистых сталей являются разработанные в ЦНИИТМАШ электроды марок ОММ-5 и ЦМ-7, а также марки УОНИ-13 для сварки малоуглеродистых и конструк­ционных сталей.

Состав покрытия ОММ-5: 37% титанового концентрата, 21% марганце­вой руды, 13% полевого шпата, 20% ферромарганца, 9% крахмала и 30% (веса всех компонентов) жидкого стекла.

Состав покрытия ЦМ-7: 33% гематита (естественный минерал), 32% гранита, 30% ферромарганца, 5% крахмала, 30% (веса всех компонентов) жидкого стекла.

Состав покрытия УОНИ-13/45: 53% мрамора, 18% плавикового шпата, 9% кварцевого песка, 2% ферромарганца, 3% ферросилиция, 15% ферро­титана, 30% (веса всех компонентов) жидкого стекла.

Электроды марки УОНИ-13/55, 65 и 85 позволяют производить сварку низколегированных конструкционных сталей и отличаются по своему составу от электродов марки УОНИ-13/45 большим содержанием легирующих ферро­сплавов.

Механические свойства металла шва, выполненного электродами УОНИ-13/45 на малоуглеродистой стали, следующие: а_ь = 43 - 45 кг/мм²; δ = 28 - 32%; ударная вязкость a_k = 20 - 25 кгм/см². Металл швов, вы­полненных электродами ОММ-5 и ЦМ-7, обладает меньшей пластичностью и вязкостью по сравнению с указанным выше.

Производство покрытых электродов состоит из следующих операций: очистки, рубки и рихтовки проволоки, сушки и дро­бления компонентов покрытий, изготовления смеси компонентов, нанесе­ния покрытия, сушки и контроля качества.

Покрытия наносят двумя способами: окунанием или опрессовкой. В первом случае отдельные электроды или несколько (10—15)электродов, укрепленных в рамке, погружают в бачок с покрытием, вынимают быстро или медленно из бачка и получают нужную толщину покрытия.

Нанесение покрытий опрессовкой производят в специальных прессах, в которых проволока пропускается через цилиндр с покрытием, находя­щимся под большим давлением.

Нанесение покрытий при помощи опрессовки имеет преимущества перед способом окунания. Покрытие при опрессовке равномерно наносится на стержень, что улучшает технологические свойства электродов. Стои­мость электродов снижается.

Покрытые электроды просушивают и затем прокаливают при 120—200° в течение 1—2 час. Для проверки качества электродов каждой изготовлен­ной партии производят пробу сваркой с испытаниями опытных образцов на определение механических свойств сварных швов.