Осуществление термического воздействия на свариваемые кромки неплавящиеся и плавящиеся электроды

Характеристики порошковых проволок для механизированной сварки

1.5 Классификация порошковых проволок

Порошковые проволоки можно классифицировать по следующим признакам:

1. по назначению

2. по способу защиты металла шва

3. по составу сердечника

1. По назначению порошковую проволоку подразделяются:

- для сварки

- для наплавки

Наиболее широкое применение получили проволоки для сварки низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей.

В последнее время применяют и для сварки высоколегированных сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов.

2. По способу защиты порошковые проволоки делятся на:

- самозащитные (защита расплавленного металла осуществляется с помощью составляющих сердечника проволоки)

- используемые с дополнительной защитой

а) газом

б) флюсом

3. По составу сердечника, выпускаемые в настоящее время промышленностью порошковые проволоки делятся на 5 типов:

а) Рутил-органические;

б) Карбонатно-флюоритные;

в) Флюоритные;

г) Рутиловые;

д) Рутил-флюоритные;

Самозащитные порошковые проволоки имеют следующие составы сердечника:

- рутил-органические;

- карбонатно-флюоритные;

- флюоритные.

Самозащитные порошковые проволоки имеют сложную конструкцию - с одним и двумя загибами кромок, а также двухслойные.

Порошковые проволоки с дополнительной защитой в частности для сварки в углекислом газе имеют в состав сердечники рутилового и рутил-флюоритного типов и более простую трубчатую конструкцию.

1.6 Технологический процесс изготовления

Схема процесса изготовления порошковой проволоки показана на рис. 2.3.

Лента 2 мягкой малоуглеродистой стали 08кп холодного проката сматывается с кассеты 1, очищается щетками 8, сворачивается вальцами 4 в желоб (заготовку) и заполняется из бункера 5 тонко размолотым порошком. Избыток порошка снимается дозатором 6 и ссыпается в бункер 7. Заготовка с порошком протягивается пиками 9 через калибровочную доску 8 со втулкой (фильером), изготовленной из твердого сплава, сворачиваясь при этом в трубку. Готовая проволока 10 наматывается на барабан 11. Порошковая проволока значительно дешевле легированной и производство её несложно.

Рис. 2.3. Схема изготовления порошковой проволоки

По рассмотренной технологии невозможно получить проволоку меньшего диаметра. Поэтому в последние годы разрабатывают процессы изготовления порошковой проволоки из стальной пластичной сплошного сечения трубки. Трубку предварительно заполняют порошковым наполнителем, а затем путем волочения через несколько фильер уменьшают ее диаметр до 1 мм.

Использование порошковой проволоки, например, сварочной дугой, состав наплавляемого металла будет определяться сплавлением металлических составляющих оболочки и сердцевины.

Соотношения (весовые) количеств металла оболочки и сердцевины определяются размерами ленты (В-ширина и Б-толщина), плотностью металла ленты и насыпным весом порошка.

Насыпной вес порошка зависит от состава порошка, от его грануляции, от степени уплотнения при засыпке и формовке.

При обычных конструкциях порошковых проволок вес порошковых материалов составляет:

где G_n - вес порошка в сердцевине,

G_л - вес оболочки (ленты на той же длине проволоки).

Порошковая проволока может создаваться непосредственно во время выполнения сварки (наплавки) специализированным сварочным или наплавочным автоматом, снабженным устройством для размотки ленты с катушки, бункером с сыпучей шихтой и необходимыми простейшими формирующими устройствами. Порошковая проволока сразу после формирующего устройства попадает в сварочную головку и переплавляется дугой. Скорость изготовления проволоки в этом случае равна скорости ее расплавления дугой.

Институтом Электросварки разработан способ изготовления порошковых проволок, пригодных для их хранения и транспортировки. В этом случае порошковая проволока изготовляется централизованно с дополнительной ее протяжкой после первичной формовки и намоткой в катушке, через волочильные фильеры до конечной величины диаметра.

Возможные дефекты встречающиеся при изготовлении порошковой проволоки и способы их устранения.

1. Пустоты. В процессе изготовления порошковой проволоки могут образовываться пустоты, которые крайне отрицательно влияют на процесс сварки, приводит к взрывному расплавлению проволоки, т.е. приводит к нарушению стабильности процесса сварки. (определяется путем взыскивания пустоты).

2. Не качественное уплотнение оболочки стыка: приводит к большой потере порошка через стык оболочки при ее намотке на барабаны, катушки, при хранении и размотке.

3. Наличие на поверхности порошковой проволоки ржавчины и остатки волочильной смазки.

4. Ржавчину снимают механическим путем при пропускании проволоки через специальное зачистное устройство при ее наматывании на бухту перед сваркой.

5. Наличие влаги в сердечниках проволоки. Влагу сердечника и волочильную смазку удаляют путем прокалки при t 250-3000С.

электрод проволока сварка газ

2. Сварочные плавящиеся электроды и их классификация

2.1 Общие сведения о сварочных плавящихся электродов для РДС и требования, предъявляемые к ним

Покрытый металлический электрод для ручной дуговой сварки представляет собой металлический стержень, на поверхность которого нанесено специальное покрытие (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Покрытый электрод:

1 - стержень; 2 - участок перехода; 3 - покрытие; 4 - контактный торец без покрытия

Металлические электроды для ручной дуговой сварки изготовляют следующих размеров (табл. 3.1)

Таблица 3.1

Размеры электродов

Основными требованиями для всех типов электродов являются:

1) обеспечение стабильного горения дуги и хорошего формирования шва;

2) получение металла сварного шва заданного химического состава;

3) спокойное и равномерное расплавление электродного стержня и покрытия;

4) минимальное разбрызгивание электродного металла и высокая производительность сварки;

5) легкая отделимость шлака и достаточная прочность покрытий;

6) сохранение физико-химических и технологических свойств электродов в течение определенного промежутка времени;

7) минимальная токсичность при изготовлении и при сварке.

Свойства электродов определяются химическим составом электродного стержня и покрытия, а также диаметром стержня и весом покрытия. Наиболее сильно влияет на состав наплавленного металла и его механические свойства состав электродного стержня.

2.2 Компоненты электродных покрытий

Электродные покрытия (обмазки) состоят из шлакообразующих, газообразующих, раскисляющих, легирующих, стабилизирующих и связующих (клеящих) компонентов.

Шлакообразующие компоненты защищают расплавленный металл от воздействия кислорода и азота воздуха и частично рафинируют (очищают) его. Они образуют шлаковые оболочки вокруг капель электродного металла, проходящих через дуговой промежуток, и шлаковый покров на поверхности металла шва, шлакообразующие составляющие уменьшают скорость охлаждения металла и способствуют выделению из него неметаллических включений. Шлакообразующие компоненты могут включать титановый концентрат, марганцевую руду, полевой шпат, каолин, мел, мрамор, кварцевый песок, доломит.

Газообразующие компоненты при сгорании создают газовую защиту зоны сварки, которая также предохраняет расплавленный металл от кислорода и азота воздуха. Газообразующие компонетны состоят из древесной муки, хлопчатобумажной пряжи, крахмала, пищевой муки, декстрина и целлюлозы.

Раскисляющие компоненты необходимы для раскисления расплавленного металла сварочной ванны. К ним относятся элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо, например марганец, кремний, титан, алюминий и др. Большинство раскислителей вводится в электродное покрытие в виде ферросплавов.

Легирующие компоненты необходимы в составе покрытия для придания металлу шва специальных свойств: жаростойкости, износостойкости, сопротивляемости коррозии и повышения механических свойств. Легирующими элементами служат марганец, хром, титан, ванадий, молибден, никель, вольфрам и некоторые другие элементы.

Стабилизирующими компоненты являются те элементы, которые имеют небольшой потенциал ионизации, например калий, натрий и кальций.

Связующие компоненты применяют для связывания составляющих покрытия между собой и со стержнем электрода. В качестве них применяют калиевое или натриевое жидкое стекло, декстрин, желатин и другие. Основным связующим веществом служит жидкое стекло. Жидкое стекло является силикатом -- солью кремниевой кислоты щелочных металлов (натрия или калия). Обычно используют натровое жидкое стекло -- силикат натрия, химическая формула которого Na₂О· SiO₂. Отношение называется модулем жидкого стекла. Чем выше модуль, тем больше клейкость жидкого стекла. Для электродных покрытий применяется жидкое стекло с модулем от 2,2 до 3. Калиевое жидкое стекло вводится в некоторые покрытия для повышения устойчивости горения дуги.

Все покрытия должны удовлетворять следующим требованиям:

1) обеспечивать стабильное горение дуги;

2) физические свойства шлаков, образующихся при плавлении электрода, должны обеспечивать нормальное формирование шва и удобное манипулирование электродом;

3) реакции между шлаками, газами и металлом, способные вызвать образование пор в сварных швах, не должны происходить;

4) материалы покрытия должны хорошо измельчаться и не вступать в реакцию с жидким стеклом или между собой в замесе;

5) состав покрытий должен обеспечивать приемлемые санитарно-гигиенические условия труда при изготовлении электродов и в процессе их сгорания.

Физические свойства образующихся шлаков оказывают значительное влияние на процесс сварки и формирование сварного шва. Во всех электродных покрытиях при их плавлении плотность шлака должна быть ниже плотности металла сварочной ванны, что обеспечит его всплывание из сварочной ванны. Температурный интервал затвердевания шлака должен быть ниже температуры кристаллизации металла сварочной ванны, в противном случае слой шлака не будет пропускать выделяющиеся из сварочной ванны газы. Шлак должен покрывать сварной шов по всей поверхности ровным слоем.

Шлаки, образующиеся при плавлении электродных покрытий, бывают «длинные» и «короткие». «Длинными» называют такие шлаки, в составе которых содержится значительное количество кремнезема. Возрастание их вязкости при понижении температуры происходит медленно. Электроды, имеющие покрытия, образующие при плавлении «длинные» шлаки, не пригодны для сварки в вертикальной и потолочных плоскостях, так как сварочная ванна длительное время находится в жидком состоянии. Для сварки во всех пространственных положениях применяют электроды, покрытия которых при плавлении дают «короткие» шлаки: возрастание вязкости расплавленного шлака с понижением температуры происходит быстро, поэтому закристаллизовавшийся шлак препятствует отеканию металла шва, находящегося еще в жидком состояний. «Короткие» шлаки дают электроды с рутиловым и основным покрытием.

Достаточно хорошую отделимость шлаковой корки от поверхности металла получают при применении шлаков, имеющих коэффициент линейного расширения, отличающийся от коэффициента линейного расширения металла.

2.3 Типы электродных покрытий

Покрытия принято классифицировать по виду основных веществ, входящих в них и определяющих действие покрытия на металл сварочной ванны. По этому признаку все покрытия делят на 4 группы: кислые, основные, рутиловые и целлюлозное.

Кислое покрытие (АНО-1, СМ-5) содержит окислы железа и марганца (преимущественно в виде руд), кремнезем, титановый концентрат и большое количество ферромарганца. Газовую защиту расплавленного металла обеспечивают разложением органических составляющих покрытия (целлюлозы, древесной муки, декстрина, крахмала). Металл, наплавленный электродами с кислым покрытием, по своему составу чаще всего соответствует кипящей стали и содержит от 0,12% С, 0,10% Si, 0,6--0,9% Мn до 0,05% S и Р каждого. Электроды этой группы пригодны для сварки во всех пространственных положениях переменным и постоянным током и характеризуются достаточно большой скоростью расплавления. Их не рекомендуется применять для сварки сталей, которые имеют повышенное содержание серы и углерода, так как металл шва, выполненный этими электродами, чувствителен к образованию кристаллизационных трещин. Электродами с кислым покрытием можно сваривать металл с ржавыми кромками, окалиной (при значительном напряжении дуги), получая при этом плотные швы. Поры в швах при сварке электродами с рудно-кислым покрытием образуются:

- из-за высокого содержания марганца в покрытии;

- при применении ферромарганца с большим содержанием углерода и кремния;

- при сварке металла с высоким содержанием кремния.

Недостатками этих электродов являются пониженная стойкость против образования кристаллизационных трещин, повышенное разбрызгивание металла и выделение в процессе сварки марганцовистых соединений, вредно влияющих на организм человека.

Основное покрытие (УОНИИ-13/45, ДСК-50) состоит из карбонатов кальция (CаСО₃), магния (мрамор, мел, доломит, магнезит) и плавикового шпата (СаF₂), а также из ферросплавов (ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и др.). Расплавленный металл защищается углекислым газом и окисью углерода, которые образуются вследствие диссоциации карбонатов. Электроды с основным покрытием применяют преимущественно при сварке постоянным током обратной полярности во всех пространственных положениях. Металл, наплавленный такими электродами, чаще всего соответствует спокойной стали и содержит незначительное количество кислорода, водорода и азота. Содержание серы и фосфора в нем обычно не превышает 0,035% каждого, а содержание марганца и кремния зависит от назначения электродов (от 0,5 до 1,5% Мn и от 0,3 до 0,6% Si). Металл шва, стойкий против образования кристаллизационных трещин, старения, имеет достаточно высокие показатели ударной вязкости как при положительных, так и при отрицательных температурах. Электроды с основным покрытием применяют для сварки металлов большой толщины, для изделий, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях или транспортирующих газы, а также для сварки литых углеродистых, низколегированных высокопрочных сталей и сталей с повышенным содержанием серы и углерода. Электроды с основным покрытием весьма чувствительны к образованию пор во время сварки, если кромки свариваемых изделий покрыты окалиной, ржавчиной, маслом, а также если электродное покрытие увлажнено и большая длина дуги. Механические свойства металла шва регулируют введением в покрытие хрома, молибдена, ферромарганца и ферросилиция.

Рутиловое покрытие (АНО-3, АНО-4, МР-3, ОЗС-4) содержит концентрат природного минерала рутила, кремнезем, карбонаты кальция, магния и ферромарганец. Концентрат рутила состоит в основном из двуокиси титана ТiО₂. Кремнезем в состав покрытия вводится в виде гранита, полевого шпата и слюды. Содержание водорода в металле шва зависит от присутствия в покрытии органических веществ. Стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин такая же, как у электродов с кислым покрытием. Электроды этой группы при сварке мало склонны к образованию пор при изменении длины дуги или по окисленным поверхностям, а также по металлу, наплавленному ранее электродами со стабилизирующим покрытием. В процессе сварки рутиловое покрытие обеспечивает устойчивое горение дуги, хорошее формирование шва, а также минимальное разбрызгивание металла. Выделение вредных газов при сварке небольшое. Электродами с рутиловым покрытием можно сваривать изделия во всех пространственных положениях как переменным, так и постоянным током. Металл, наплавленный электродами с рутиловым покрытием, содержит до 0,12% С; 0,4--0,7% Мn; 0,10--0,30% Si; 0,04% S и Р каждого.

Целлюлозное покрытие (ВСЦ-1, ВСЦ-2, ОМА-2) состоит главным образом из горючих органических материалов (целлюлозы, крахмала), которые в процессе разложения в дуге обеспечивают газовую защиту расплавленного металла. Шлакообразующими являются рутил, титановый концентрат, марганцевая руда и силикаты, а раскислителем -- ферромарганец. Эти электроды обеспечивают небольшое разбрызгивание металла и малое количество шлака. Они пригодны для сварки во всех пространственных положениях как переменным, так и постоянным током.

2.4 Типы электродов

Ввиду большого разнообразия применяемых покрытий электроды по ГОСТ делятся на типы не по составу покрытий, а по назначению электродов и механическим свойствам металла шва и сварного соединения, получаемых при сварке электродами данного типа. Каждому типу электрода соответствует несколько марок. Например, типу Э42 соответствуют электроды ОМА-2, АНО-6, МЭЗ-04 и др. Марка электрода - это его промышленное обозначение, как правило характеризующее стержень и покрытие.

Согласно ГОСТ 9467-75 «Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей. Типы» для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей предусмотрены 9 типов электродов: Э38, Э42, 42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55 и Э60; для сварки легированных конструкционных сталей повышенной и высокой прочности 5 типов: Э70, Э85, Э100, Э125, Э150. Кроме того, предусмотрены 9 типов электродов для сварки теплоустойчивых сталей: Э09М, Э09МХ, Э09Х1М, Э05Х2М, Э09Х2М1, Э09Х1МФ, Э10Х1М1НФБ, Э10Х3М1БФ, Э10Х5МФ.

Тип электрода для конструкционных сталей обозначается буквой Э и цифрой, указывающий гарантируемый предел прочности металла шва 10^-1МПа. Буква А в обозначении указывает, что металл шва, наплавленный этим электродом, имеет повышенные пластические свойства. Такие электроды применяются при сварке наиболее ответственных швов.

Механические свойства металлов шва и наплавленного при дуговой сварке металлическими электродами указаны в таблицах 3.2., 3.3

Таблица 3.2