Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с общей схемой расчёта шихты сердечника порошковой проволоки.

2. В соответствии с заданием преподавателя выполнить расчёт шахты для одной из марок порошковой проволоки.

3. Изготовить порошковую проволоку по рассчитанному составу.

4. Произвести наплавку образца изготовленной порошковой проволокой и определить химический состав наплавленного металла.

Содержание отчёта

1. Цель работы.

2. Изложить методику и выполнить по заданию преподавателя расчёт состава шихты порошковой проволоки.

3. Составить таблицы с результатами расчёта состава шихты порошковой проволоки и химического состава наплавленного металла, выполненного опытной порошковой проволокой.

Характеристика порошковой проволоки				Характеристика шихты
Марка	Диаметр, мм	Конст-рукция	КЗ, %	Наименование компонентов	Содержа-ние, %

Массовая доля элементов в наплавленном металле, %
C	Cr	Mn	Si	Mo	Ti	V	W	B	N	S	P

Лабораторная работа № 6 сравнение газонасыщенности металла шва при сварке электродами с различными видами покрытий

Цель работы. Изучение газонасыщенности металла шва при ручной дуговой сварке электродами с различными видами покрытий.

Оборудование:

1. Сварочный пост, содержащий сварочные аппараты постоянного и переменного тока с приборами контроля силы сварочного тока и напряжения;

2. Пластины из малоуглеродистой стали и станочный парк для изготовления испытательных металлических пластин;

3. Химическая лаборатория, оснащённая газоанализаторами для определения содержания кислорода, азота и водорода в наплавленном металле;

4. Инструкция по технике безопасности.

Содержание и методика проведения работы

Ручная дуговая сварка выполняется плавящимся или неплавящимся (угольным, графитовым, вольфрамовым, гафниевым) электродом. При сварке плавящимся электродом (рис. 1) дуга горит между  ним и изделием.

Рис. 1. Схема ручной дуговой сварки (наплавки) штучным электродом: 1– основной металл; 2 – сварочная ванна; 3 – электрическая дуга; 4 – проплавленный металл; 5 – наплавленный металл; 6 – шлаковая корка; 7 – жидкий шлак; 8 – электродное покрытие; 9 – металлический стержень электрода; 10 – электрододержатель

Формирование металла шва осуществляется за счет материала электрода и расплавления основного металла в зоне действия дуги. При сварке неплавящимся электродом для формирования металла шва в зону дуги извне подается присадочный материал.

Наибольшее применение нашла сварка плавящимся электродом, так как ее можно применять во всех пространственных положениях, сваривая черные, цветные металлы и различные сплавы. При этом используются электроды диаметром 1…12 мм. Однако основной объем работ выполняется электродами диаметром 3…6 мм.

Электроды классифицируются по материалу, из которого они изготовлены, по назначению, по виду покрытия, по свойствам металла шва, по допустимым пространственным положениям сварки или наплавки, по роду и полярности тока.

По назначению электроды подразделяются на следующие группы:

• для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей – У;

• для сварки теплоустойчивых легированных сталей – Т;

• для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами – В;

• для наплавки слоев с особыми свойствами – Н.

По толщине покрытия существуют группы электродов:

• с тонким покрытием – М;

• со средним покрытием – С;

• с толстым покрытием – Д;

• с особо толстым покрытием – Г.

По виду покрытия могут быть кислые – А, основные – В, целлюлозные – Ц, рутиловые – Р, прочие – П, а также их комбинации (АР, РБ и пр.).

Кислое покрытие состоит в основном из оксидов металла, алюмосиликатов и раскислителей. Газовая защита осуществляется за счет сгорания органических составляющих покрытия.

Сварку электродами с кислым покрытием можно производить при помощи постоянного и переменного тока. В процессе сварки сварочная ванна бурно кипит вследствие активного раскисления металла углеродом, что способствует хорошей дегазации металла шва. Поэтому даже при сварке по окалине или ржавчине получаются сравнительно плотные швы, уступающие по характеристикам пластичности и ударной вязкости металла шва электродам с другими видами покрытий. При использовании электродов с кислым покрытием существует склонность к образованию кристаллизационных трещин, большое разбрызгивание металла, значительное выделение в процессе сварки вредных марганцевых выделений. К электродам с кислым покрытием относятся электроды следующих марок: ОМА-2, ЦМ-7, ОММ-5 и др.

Основное покрытие состоит преимущественно из мрамора, плавикового шпата, раскислителей и легирующих элементов (ферромарганец, ферросилиций, феррованадий и др.). Газовая защита расплавленного металла обеспечивается углекислым газом и окисью углерода, которые образуются в результате диссоциации карбонатов.

Электроды с основным покрытием (УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, СМ-11, УОНИ-13/55К, ВН-48, ОЗС-33, ОЗС-25, ОЗС-18, УОНИ-13/55У, УОНИ-13/65, ВСФ-65У и др.) обеспечивают получение наплавленного металла с малым содержанием газов и вредных примесей, с высокими пластическими характеристиками и ударной вязкостью при нормальной и отрицательных температурах, с хорошей стойкостью против образования кристаллизационных трещин и старения. Поэтому такие электроды предназначаются для сварки конструкций из углеродистых и конструкционных сталей, жестких конструкций из литых углеродистых и низколегированных высокопрочных сталей.

Недостатком этого вида покрытий является повышенная чувствительность к порообразованию при увлажнении покрытия (наличие большого количества диффузионного водорода в наплавленном металле), увеличении длины дуги, при наличии окалины, ржавчины или масла на кромках свариваемых изделий.

Сварка электродами с основным покрытием ведется, как правило, на постоянном токе обратной полярности. Чтобы использовать такие электроды для сварки на переменном токе, в покрытие вводятся компоненты, содержащие легко ионизирующие элементы: калиевое жидкое стекло, кальцинированную соду, поташ и др.

Рутиловое покрытие содержит в основном рутиловый концентрат, различные алюмосиликаты и ферромарганец. Раскисление и легирование металла шва достигается наличием ферромарганца, а газовая защита – целлюлозой. Марки электродов с рутиловым покрытием: ОЗС-12, МР-3, ОЗС-6, ОЗС-4, АНО-4, ОЗС-32, ОЗС-21 и др.

Электроды с рутиловым покрытием обладают высокими сварочно-технологическими свойствами, обеспечивают хорошее формирование шва, имеют небольшое разбрызгивание, легкую отделимость шлаковой корки, малую склонность металла к образованию пор. Сварку можно вести как на постоянном, так и переменном токе.

В таблице 1 приведены некоторые характеристики электродов общего назначения наиболее распространенных для сварки и наплавки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей.

Для получения при ручной дуговой наплавке слоев с высокими механическими свойствами (большая твердость, износостойкость, жаростойкость и другие) рекомендуется использовать электроды, приведенные в таблице 2.

Таблица 1

Характеристики электродов общего назначения

Тип	Марка	Свариваемый материал	Род тока	Положение сварки
Э 42	ОМА - 2	Углеродистые стали с σв > 410 МПа, тонколистовые	Переменный, постоянный обратной полярности	Все положения
Э 42А	УОНИ- 13/45	Углеродистые и низколегированные стали с σв ≤ 410 МПа при повышенных требованиях к металлу шва по пластичности, ударной вязкости и стойкости против образования трещин	Постоянный обратной полярности	Все положения (электроды диаметром 5,0 мм – нижнее и вертикаль-ное)
	СМ - 11
Э 46	ОЗС - 12	Углеродистые стали с σв ≤ 450 МПа	Переменный, постоянный прямой полярности
	МР - 3		Переменный, постоянный обратной полярности
	ОЗС - 6
	ОЗС - 4		Переменный, постоянный любой полярности
	АНО - 4			Все положения
	ОЗС - 32		Переменный, постоянный обратной полярности	Все положения (электроды диаметром 5,0 мм - нижнее и вертикаль-ное
	ОЗС - 21		Переменный, постоянный прямой полярности

Продолжение таблицы 1

Тип	Марка	Свариваемый материал	Род тока	Положение сварки
Э 46А	УОНИ- 13/55К	Углеродистые и низколегированные стали с в σв ≤ 450 МПа при повышенных требованиях к металлу шва по пластичности, ударной вязкости и стойкости против образования трещин	Постоянный обратной полярности	Все положения (электроды диаметром 5,0 мм – нижнее и вертикаль-ное)
	ВН - 48		Постоянный обратной полярности, переменный – для электродов диаметром 4 и 5 мм.	Все положения (электроды диаметром 5 мм – нижнее)
Э 50А	УОНИ- 13/55	Углеродистые и низколегированные стали с σв ≤ 490 МПа при повышенных требованиях к металлу шва по пластичности, ударной вязкости и стойкости против образования трещин	Постоянный обратной полярности	Все положения (электроды диаметром 5 мм – нижнее и вертикаль-ное)
	ОЗС - 33		Переменный, постоянный любой полярности
	ОЗС - 25	То же, в том числе и при пониженных температурах	Постоянный обратной полярности
	ОЗС - 18	Низколегированные стали с σв ≤ 490 МПа стойкие к атмосферной коррозии

Окончание таблицы 1

Тип	Марка	Свариваемый материал	Род тока	Положение сварки
Э 55	УОНИ- 13/55У	Углеродистые и низколегированные стали марок Ст 5, 25Г2С, 35ГС и др. при сварке стержней арматуры и рельсов	Переменный, постоянный обратной полярности	Нижнее
Э 60	УОНИ- 13/65	Углеродистые и низколегированные стали с σв ≤ 590 МПа	Постоянный обратной полярности	Все положения (электроды диаметром 5 мм – нижнее и вертикаль-ное)
	ВСФ - 65У	То же, преимущественно для сварки трубопроводов		Все положения

Таблица 2

Характеристики наплавочных электродов

Марка эле-ктрода и сердечника	Назначение электрода	Твердость наплавлен-ного металла	Особенности наплавки
ОЗН-300М, сердечник – проволока Св-08, Св-08Г2С	Наплавка деталей из углеродистых и низколегированных сталей, работающих в условиях трения и ударных нагрузок	НВ 250…350	В нижнем положении на переменном и постоянном токе обратной полярности
ОЗН-400М, сердечник – проволока Св-08, Св-08Г2С		НВ 350…450

Продолжение таблицы 2

Марка эле-ктрода и сердечника	Назначение электрода	Твердость наплавлен-ного металла	Особенности наплавки
ОЗН-7, сердечник – проволока Св-08	Наплавка быстро- изнашивающихся деталей, работающих при значительных ударных нагрузках	HRC > 55	В нижнем положении на постоянном токе обратной полярности. Обеспечивает трещиностойкость при многослойной наплавке
ОЗШ-3, сердечник – проволока Св-08, Св-08А	Наплавка быстро-изнашивающихся деталей	HRC 52…58	На постоянном токе обратной полярности, в нижнем и вертикальном положении в 1…4 слоя с подогревом до 300…400°С
НР-70, сердечник – проволока Св-08,Св-08А	Наплавка деталей из углеродистых сталей, работающих в условиях трения качения и ударных нагрузок	НВ 300…390	Наплавка на постоянном токе обратной полярности широкими валиками
ОМГ–Н, сердечник – проволока Св-06Н3А	Наплавка деталей из высокомарганцовис-той стали типа 110Г13, 110Г13Л	HRC 25…33	Наплавка в ниж-нем и наклонном положениях на переменном или постоянном токе с минимальным разогревом детали
ЦНИИН-4, сердечник –проволока Х14Г4Н3Т	Наплавка и заварка дефектов на деталях из стали 110Г13 и 110Г13Л	НВ 450…500	Наплавка на постоянном токе обратной поляр-ности в нижнем положении

Окончание таблицы 2

Марка эле-ктрода и сердечника	Назначение электрода	Твердость наплавлен-ного металла	Особенности наплавки
ОЗИ-3, сердечник – проволока Св-08, Св-08А	Наплавка быстро-изнашивающихся деталей	HRC 58…63	Наплавка в ниж-нем положении на постоянном токе обратной полярности в 1…4 слоя с предварительным прогревом до 300…600°С и медленным охла-ждением с печью или в песке, от-жигом или отпус-ком при 560°С в течение 2 ч
ОЗН-6, сердечник –проволока Св-08, Св-08Г2С	Наплавка быстро-изнашивающихся деталей, работающих в условиях интенсивного износа и значительных ударных нагрузок	HRC > 55	Наплавка в ниж-нем положении на переменном или постоянном токе обратной полярности. Наплавленный металл обладает повышенной трещиностойкос-тью при много-слойной наплав-ке и в условиях ударных нагрузок

Перед сваркой и наплавкой необходима прокалка электродов: с рутиловой обмазочной массой при температуре 180…200°С, с рутилово- карбонатным покрытием при температуре 200…250°С и с основным – при температуре 300…350°С. Время прокаливания 2…2,5 часа.

Несмотря на широкое распространение ручной дуговой сварки при производстве сварочно-наплавочных работ, она имеет некоторые недостатки. Это сравнительно низкое качество наплавленного металла, возникающее по причине слабой защиты сварочной ванны от воздействия окружающей среды (поглощение из окружающего воздуха азота, кислорода и водорода). Наблюдается большое колебание сварочного тока; значительная вероятность возникновения непроваров, подрезов и других дефектов соединения. Происходят большие потери (до 30%) присадочного материала на угар, разбрызгивание, огарки. Производительность процесса относительно малая из-за невозможности использования высокой плотности тока и вынужденных перерывов при смене электродов. Довольно сложный технологический процесс требует длительного времени на подготовку специалистов-сварщиков. Все это следует учитывать при выборе вида покрытия штучных электродов, а также способа сварки и наплавки.

Обычно чугун содержит 0,0010…0,0025% водорода и около 0,005% азота. В твёрдом чистом железе концентрация растворённого кислорода составляет 0,015…0,020%. При обычных методах производства стали содержание азота, как правило, находится в пределах 0,005…0,008%. Содержание кислорода в стали обычно не превышает 0,08%. Обычно содержание водорода в стали в конце процесса продувки не превышает 3…4 см³/100г металла, т.е. концентрация водорода колеблется примерно от 0,0003 до 0,0004%.

В процессе сварки покрытыми электродами газовая защита является струйной. Она состоит из паров и газов, генерируемых дугой.

Рис. 2. Схема струйной газовой защиты металла

при дуговой сварке электродом с покрытием

Высокая температура в зоне дуги приводит к нагреву и расширению газов более чем в 10 раз. Это расширение газа способствует оттеснению воздуха и является самозащитным действием дуги. Самое большое количество защитных газов образуют электроды с фтористо-кальциевым и рутиловым видами покрытия.

При сварке штучными электродами осуществляется комбинированная газовая и шлаковая защита металла шва. Для её реализации в состав покрытия входят различные газообразующие и шлакообразующие компоненты. Составы различных покрытий приведены в таблице 3.

Таблица 3

Составы электродных покрытий

Компоненты	Содержание компонентов, %, в зависимости от вида покрытия и марки электрода
	А, МЭЗ-04	Б, УОНИ-13/55	Р, ЦМ-9	Ц, ЦЦ-1
Кварцевый песок SO2	15	9	-	-
Марганцевая руда MnO	24,5	-
Титаномагнетитовая руда	30
Ферромарганец FeMn	21,5	5	15	20
Крахмал	4	-	-	-
Калиевая селитра	5
Мрамор CaCO3	-	54
Плавиковый шпат CaF2		15
Ферросилиций FeSi		5
Ферротитан FeTi		12
Рутил TiO2		-	48	25
Магнезит MgCO3			5	-
Полевой шпат (SiO2 + Al2O3)			30
Декстрин (газообразующий)			2
Целлюлоза			-	45
Тальк (пластификатор)				10
Связующее (жидкое стекло)	25…30

При струйной газовой защите покрытие, удалённое от оси электрода и дуги, плавится так, что образует конусную втулку, направляющую струю защитного газа и препятствующую проникновению воздуха в зону формирования капель и к сварочной ванне.

Одновременное плавление электрода и покрытия приводит к образованию на каплях жидкого шлака, поступающего в сварочную ванну и защищающего металл от взаимодействия с атмосферным воздухом. Но при этом металл шва подвергается окислению, что связано с воздействием выделяющегося защитного газа CO₂, который выделяется из органических газообразующих компонентов (мука, крахмал, селитра, декстрин), либо с окислением специальными добавками из покрытия, введёнными для связывания водорода (CaF₂).

Процессы, проходящие при сварке электродами с покрытием, представлены в виде схемы на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм процессов при сварке электродами с покрытиями

При сварке электродами с кислым покрытием создаётся газовая защита из СО и Н₂ при распаде крахмала. Кроме того, в результате распада при нагревании гематита Fe₂O₃ выделяется кислород, связывающий водород в нерастворимое соединение ОН. Кислород также окисляет металл. Для его раскисления вводится FeMn в количестве 25…30%. Одновременно с раскислением идёт процесс рафинирования марганцем, происходит ошлаковка продуктов раскисления и их вытеснение из шва.

При сварке электродами с рутиловым покрытием газовая защита образуется из СО₂ при распаде магнезита и декстрина. Окислителями выступают СО₂, рутил и полевой шпат, состоящий преимущественно из SiO₂, а раскислителем – FeSi.

Во время сварки электродами с целлюлозным покрытием газообразующими являются целлюлоза или мука, окислителем служит TiO₂ (TiO₂ = TiO + О), а раскислителем – FeMn.

В ходе сварки электродами с основным покрытием газообразующим яаляется СаСО₃, окислителями – СО₂ и SiO₂, раскислителями – FeTi и FeSi, а рафинирующим элементом – СаО. Одновременно СаО и SiO₂ создают шлак, связывающий продукты раскисления в шлаке.

Из сравнения количества Н₂, N₂, О₂ в наплавленном металле (таблица 4) следует, главным критерием качества газовой защиты путём оттеснения воздуха является наличие азота в шве, содержание которого всех электродов практически одинаково: в 5 раз больше, чем в соответствующем электродном стержне.

Таблица 4

Массовые доли газов в металле, наплавленном

электродами с различными покрытиями

Вид покрытия	Содержание, %
	О2	N2	H2·105	Неметаллические включения
Кислый А	0,09… 0,12	0,01… 0,025	15…20	0,10…0,20
Основный Б	0,03… 0,05	0,007… 0,012	До 4	До 0,10
Рутиловый Р	0,08… 0,09	0,016…0,025	До 30	0,06…0,10
Целлюлозный Ц	0,04… 0,10	0,010… 0,025	20…35	0,10…0,16

Однако в основном покрытии из-за наличия CaF₂ и SiO₂ выделяются фтор и SiF₄, которые связывают водород в нерастворимое соединение НF. Благодаря этому химическому процессу содержание водорода в 7…9 раз меньше в наплавках по сравнению с другими электродами. Электроды с основным покрытием получили название «низководородистые».

При увлажнении, неправильном хранении электродов с основным видом покрытия они являются за счёт диссоциации Н₂О источником водорода в наплавленном металле. При сварке электродами с фтористо-кальциевым покрытием повышенной влажности содержание водорода в металле шва увеличивается до 5…7 см³/100 г. Если электроды перед сваркой подвергнуть нормальной прокалке (350^оС), то содержание водорода сокращается до 2…4 см³/100 г. Высокотемпературная прокалка (450^о) даёт снижение уровня водорода до 1 см³/100 г.

Преимуществом основного покрытия является малое количество окислителей, что позволяет применять электроды с таким покрытием для сварки всех высоколегированных сталей, содержащих хром, титан и другие активно окисляющиеся элементы. К недостаткам этого покрытия следует отнести возможность науглероживания шва при сварке коррозионно-стойких сталей, содержащих углерод как вредную примесь на пределе его растворимости (0,02…0,03%). Другим недостатком основного покрытия является чувствительность к влаге, ржавчине, вызывающей поры, а также непригодность к сварке переменным током из-за деионизирующего влияния фтора.

Более технологичны электроды с рутиловым покрытием. Однако они ограничены по назначению: пригодны лишь для сварки низколегированных сталей, для которых временное содержание водорода не опасно из-за отсутствия зон с закалёнными структурами.

Электроды с целлюлозным покрытием также имеют в наплавленном металле высокий уровень водорода. Они предназначены для сварки в монтажных условиях неповоротных стыков труб из низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Наплавленный металл соответствует типам Э42 и Э46.