Сварка, резка и пайка металлов

Качественные электроды

20 лет тому назад началось промышленное применение электродов с качественными обмазками или, как их называют, качественных электродов. Эти электроды легко отличить по внешнему виду, они имеют слой обмазки значительной толщины — 1—3 мм, вес обмазки не менее 15—20% от веса электродного стержня. Изобретение качественных электродных обмазок и их промышленное освоение являются крупнейшим достижением непрерывно развивающейся и совершенствующейся современной сварочной техники. Преимущества качественных обмазок настолько велики, что они должны применяться для всех ответственных изделий в обязательном порядке. Применение тонких обмазок должно быть ограничено областью сварных соединений менее ответственных изделий, где на первый план выступает дешевизна и простота изготовления электродов. Качественные обмазки должны способствовать улучшению химического состава наплавленного металла, устранению неблагоприятного воздействия процесса сварки и доведению показателей механических свойств наплавленного металла до показателей основного или даже превзойти их, что достижимо во многих случаях. Вместе с тем, качественные обмазки должны обеспечить и достаточно устойчивое горение дуги.

Основой металлургического процесса при сварке, как и в сталеплавильных печах, остаётся взаимодействие между шлаком и металлом. Шлак при сварке образуется, главным образом, из расплавленного покрытия электрода, в которое для этой цели вводятся в тонкоразмолотом виде различные минеральные вещества, руды, горные породы и т. п. Шлак, образующийся вместе с расплавленным металлом при плавлении электрода, защищает ванну от доступа воздуха; при затвердевании ванны шлак замедляет охлаждение. Только этих двух процессов воздействия шлака уже достаточно для значительного улучшения качества наплавленного металла. Механическая защита от воздействия воздуха, обеспечиваемая шлаком, значительно снижает количество кислорода, поступающего в ванну из воздуха. Замедление охлаждения вызывает разложение нестойких соединений азота с железом, причём освобождающийся азот удаляется из металла, и содержание азота в металле снижается до допустимой нормы 0,01—0,03%. Шлак не должен вводить в металл вредных примесей, в особенности серы и фосфора, поэтому содержание этих элементов в материалах: для изготовления обмазок доводится до возможного минимума. Все материалы, идущие на изготовление электродных обмазок, должны строго контролироваться по содержанию фосфора и-серы.

которые в ванне металла практически не растворимы. Таким образом, происходит непрерывный переход закиси железа из металла в шлак„ т. е. экстрагирование закиси железа из металла шлаком. Подобный процесс раскисления металла кислым шлаком называется диффузионным раскислением .

В настоящее время большое распространение получают обмазки, дающие шлаки сильно основного характера с большим содержанием окиси кальция СаО ; эти шлаки обеспечивают получение наплавленного металла особенно высокого качества. Шлаки основного характера не производят диффузионного раскисления металла, и для уменьшения содержания кислорода в ванне в обмазки приходится вводить сильные раскислители (кремний, титан) в форме-ферросплавов .

Более важным признаком для классификации обмазок является характер металлургических реакций, протекающих в сварочной ванне. По этому признаку качественные электроды можно разделить на две группы.

в форме минерала пиролюзита. Дополнительным источником углерода, сверх содержащегося в основном металле, служит обычно ферромарганец, вводимый в значительном количестве в подобные обмазки. Протекающие в ванне экзотермические реакции освобождают значительное количество тепла и дополнительно разогревают ванну.

У электродов второй группы основной металлургической реакцией является восстановление закиси железа металлом с большой теплотой образования окисла, обычно кремнием или титаном:

Реакция идёт без газообразования и кипения ванны. В обмазку вводятся лишь весьма прочные окислы, не отдающие кислорода ванне и не окисляющие металла, например окись кальция. Металлургический процесс сходен с выплавкой спокойной стали.

По предложению инж . Е. В. Соколова, электроды первой группы называют иногда кипящими, второй — спокойными. Электроды второй группы обеспечивают особенно высокое качество сварки и часто применяются для сварки сталей повышенной прочности и легированных спецсталей .

Весьма важны физические свойства шлака. Температура плавления шлака, как показывает опыт, должна находиться в пределах 1100—1200°. При температуре плавления стали 1400—1500° шлак должен обладать малой вязкостью, большой подвижностью и жид-котекучестью , что важно для правильного формирования сварного шва. Существенное значение имеет характер затвердевания расплавленного шлака. Шлаки не имеют строго определённой температуры плавления. При повышении температуры вязкость шлака постепенно падает, а при понижении возрастает. Переход от жидкого к твёрдому состоянию может быть растянут на значительный температурный интервал, такие шлаки называются длинными. Если же переход от твёрдого к жидкому состоянию происходит в небольшом температурном интервале, то шлаки называются короткими.

На фиг. 47 нанесены диаграммы затвердевания длинного и короткого шлаков в координатах температура — вязкость. Опыт показывает, что при сварке лучшие результаты при прочих равных условиях обычно дают короткие шлаки.

Одна шлаковая защита недостаточна, как бы ни была она совершенна. Для получения высококачественного наплавленного металла необходимо легирование, т. е. введение в металл таких элементов, как марганец, кремний, хром, никель и т. д. Наиболее важное значение имеет легирование марганцем, которое применяется чаще всего на практике. Легирующие элементы вводятся в обмазку в виде тонко измельчённых ферросплавов, ферромарганца, ферросилиция, феррохрома и т. п. Ферросплавы, кроме того, являются сильными раскислителями и уменьшают содержание кислорода в ванне, восстанавливая закись железа.

Помимо минеральных веществ для образования шлаков и ферросплавов для восстановления и легирования в обмазки часто вводятся органические вещества: целлюлоза, крахмал, декстрин, сахар, пищевая мука, древесная мука и т. п. Органические вещества под действием высокой температуры при сварке разлагаются с образованием смеси газов, имеющих восстановительный характер и защищающих металл от воздействия атмосферного воздуха. Защитная газовая оболочка, образуемая при разложении органики, устраняет доступ кислорода к ванне, а соединения железа с азотом в присутствии водорода или газов, богатых водородом, как показывает опыт, при сварке вообще не образуются в сколько-нибудь значительных размерах. Введение органических веществ, в особенности целлюлозы, понижает требования к шлаковой защите и позволяет уменьшить количество обмазки на электроде, что особенно важно для электродов, предназначенных для сварки в вертикальном и потолочном положениях.

Составные части обмазок тонко измельчаются, смешиваются в надлежащих соотношениях, замешиваются в пасту, обычно на водном растворе жидкого стекла, и наносятся на электродный стержень. Для качественной обмазки важен не только её состав, но и количество, наносимое на электрод, так как ход и конечный результат металлургической реакции зависят от количества шлака, взаимодействующего с металлом. Приведём несколько примеров качественных обмазок.