В сварочной технике применяются различные металлические электроды для дуговой сварки, из которых наибольшее значение имеют стальные электроды.

Современный металлический электрод (фиг. 44) состоит из двух частей: электродного стержня и покрытия или обмазки. Электрод­ный стержень представляет собой выправленный кусок стальной

Фиг. 44. Металлический электрод.

проволоки нужного диаметра и установленной длины. Диа­метр стержня принимается за диаметр электрода. Наиболее распространены электроды диа­метром от 3 до 6 мм нормальная длина равна 450 мм. Стальная

проволока для дуговой электросварки и газовой сварки изготовляется по ГОСТ 2246-51, предусматривающему диаметры проволоки от I до 12 мм. Химический состав стальной электродной проволоки под­бирается' в зависимости от характера работ и состава свариваемого материала. ГОСТ 2246-51 включает 19 сортов или марок электродной проволоки, отличающихся по химическому составу металла (табл. 3). Наиболее распространёнными являются марки Св1 и СвІІ, а для от­ветственных работ СвІА. Металл проволоки этих марок является малоуглеродистой кипящей сталью со строгим ограничением содер­жания углерода и вредных примесей серы и фосфора. Эти марки про­волоки используются для выполнения подавляющего большинства сварочных работ. Остальные марки проволоки, металл которых пред­ставляет собой различные легированные стали, применяются реже для работ специального характера.

Проволока стальная сварочная Марка прово­ локи С о д е | э ж а н и е эле мент о в в % Марка стали Угле­ род Мар­ ганец Крем­ ний ! 1 Хром Никель Мо - ; либ - j Сера Фос­ фор Примерное назначение ден j не более С в I Углероди­стая Св-1 не более 0,10 0,35- 0,60 не более 0,03 не более 0,15 не более 0,30 і I __ 0,04 0,04 Общее, для получения швов повышенной пластич­ности И вязкости Св ІА Углероди­стая Св-1А не более 0,10 0,35- 0,60 не более 0,03 не более 0,10 не более 0,25 0,03 0,03 То же, для особо ответ­ственных конструкций Св ІГ Углероди­стая Св-1Г не более 0,10 0,80 1,10 не более 0,03 не более 0,15 не более 0,30 0,04 0,04 Общее, для получения швов повышенной прочно­сти при сохранении высо­ких пластических свойств Св ІГА Углероди­стая Св-ІГА не более 0,10 0,80— 1,10 не более 0,03 не более 0,10 не более 0,25 0,03 0,03 То же, для особо ответ­ственных конструкций • Св II Углероди­стая Св-П 0,ll- о.18 0,35- 0,60 не более 0,03 не более 0,20 не более 0,о0 0,04 0,04 Общее, для получения швов повышенной проч­ности Св ІІГ Углероди­стая Св-ИГ 0,ll - о. 18 0,80- 1,10 не более 0,03 не более 0,20 не более 0,30 _ 0,04 0,04 Тоже

Марка прово­ локи			Соде	) ж а н и
Марка стали	Угле­ род	дд Мар­ ганец	Крем - ! ПИЙ
Св III	Легирован­ная Св-ІОГС	не более 0,16	0,80- 1,10	0,60— 0,90
Св IV	Легирован­ная Св-ІОГСМ	не более 0,16	0,90 - 1,20	0,70 — 1,10
Св V	Легированная Св-20ХГСА	0,15- 0,25	0,80- 1,10	0,90— 1,20
Св VI	Легированная Св-20ХМА	0,IS - О.25	0,40- 0,70	не более 0,35
Св VII	Легирован­ная Св-12ХМ	не более 0,12	0,40- 0,70	не более 0,30
Св VIH	Легирован­ная Св-15М	не более 0,15	0,40- 0,70	не более 0,30
Св IX	Легирован­ная Св-Х5М	не более 0,12	0,40— 0,70	не более 0,40

е эле	мент	о в в	7о
Хром	Никель	Мо­ либ­	Сера	Фос­ фор	Примерное назначение
		ден	не более
			0,03	0,04	Для специальных случаев применения сварки под флюсом
не более 0,20	не более 0,30	0,15— 0,25	0,04	0,04	Для сварки стали спе­циального назначения
0,80- 1,10	не более 0,20	_ _	0,025	0,03	Для сварки стали типа „хромансиль''
0,80 - 1,10	не более 0,20	0,15- 0,25	0,025	0,03	Для сварки хромомолиб­деновой стали
0,80— 1,10	не более 0,30	0,45 — 0,60	0,04	0,04	Для сварки хромомолиб­деновой теплоустойчивой стали
не более 0,20	не более 0,30	0,45- 0,60	0,04	0,04	Для сварки теплоустойчи­вой стали
5,0— 7,0		0,45 - 0,60	0,04	0,04	Для сварки трубопроводов и стали того же типа

			С о д е [	ж а н и	е эле	мент	О в в	%
Марка прово­ локи	Марка стали	Угле­ род	Мар­ ганец	Крем­ ний	Хром	Никель	Мо­ либ­ ден	се|м фор не более	Примерное назначение
Св X	Высоколеги­ рованная Св-ОХ18Н9	не более 0,06	1,0- 2,0	не более 0,60	18,0 — 20,0	8,0- 11.0	_	0,03	0,03	Для сварки нержавеющей стали
Св XI	Высоколеги­ рованная Св-Х25Н15	не более 0,12	1,0— 2,0	не более 0,70	24,0— 27,0	14,0— 16,0	_	0,03	0,03	Для сварки жароупорной стали, а также конструк­ционной и специальной стали высокой твёрдости
Св XII	Высоколеги­ рованная Св-Х25Н20	не более 0,12	1,0- 2,0	не более 0,70	24,0- 27,0	19,0— 21,0	_	0,03	0,03	Для сварки элементов пе­чей нефтезаводов из стали того же типа
Св XIII	Высоколеги­ рованная Св-Х18Н12М	не более 0,06	1,0- 2,0	не более 0,70	18,0— 20,0	11,0 14,0	2,0- 3,0	0,03	0,03	Для сварки хромоникель - молибденовой стали
Св XIV	Высоколеги­ рованная Св-Х'20Н10Г6	не более 0,12	5,0- 7,0	не более 0,70	18,0— 22,0	9,0- 11,0	—	0,03	0,04	Для сварки стали высокой прочности
CbXIVA	Высоколеги­ рованная Св-Х20Н10Г6А	не более 0,10	5,0- 7,0	не более 0,60	18,0— 22,0	9,0- 11,0	_	0,025	0,03	То же

Обмазка или покрытие электрода состоит из порошкообразных материалов различного состава, сцементированных для прочности жидким стеклом или другим подходящим склеивающим материа­лом. Электродные обмазки могут быть разделены на две большие группы: 1) тонкие или ионизирующие или стабилизирующие обмаз­ки; 2) толстые или качественные обмазки. Принадлежность элек­трода к той или другой категории может быть определена уже при внешнем осмотре по толщине покрытия, нанесённого на поверх­ность электрода. Тонкие обмазки наносятся слоем толщиной в не­сколько десятых долей миллиметра, вес обмазки 1—5% от веса электродного стержня. Толстые или качественные обмазки нано­сятся слоем толщиной I—3 мм. Вес их составляет 15—30, а часто и более процентов от веса электродного стержня.

Основное назначение тонких обмазок — стабилизировать, т. е. сделать более устойчивым горение дуги. Стабилизация дуги дости­гается усилением ионизации дугового промежутка, производимым обмазками. При горении дуги вместе с электродным стержнем пла­вится и испаряется также и обмазка, нанесённая на поверхность электрода. Пары материала обмазки, попадая в столб дуги и под­вергаясь действию высокой температуры, прежде всего подверга­ются диссоциации, т. е. распадению сложных химических соедине­ний на более простые, вплоть до свободных атомов. Если в обмазке имеются вещества с низким потенциалом ионизации, например ще­лочные и щёлочно-земельные металлы, то пары обмазки легко иони­зируются и повышают электропроводность дугового промежутка, об­легчая горение дуги. Теория и опыт показывают, что достаточно примешать к газу с высоким потенциалом ионизации небольшое количество паров с низким потенциалом ионизации, чтобы понизить средний эффективный потенциал ионизации газовой смеси и резко увеличить степень её ионизации и электропроводность. Например, достаточно примешать к воздуху (потенциал ионизации около 15 в) около 1%паров калия (потенциал ионизации 4,3 в), чтобы степень ионизации и электропроводность смеси увеличились в несколько раз. При сварке стальными электродами в дуговом промежутке имеются в большом количестве пары железа с потенциалом иони­зации 7,8 в. Поэтому усиливать ионизацию дугового промежутка могут лишь элементы, имеющие потенциал ионизации менее 7,8 в.

В первую очередь для этой цели пригодны щелочные и щёлочно­земельные металлы, калий, натрий, кальций, барий, стронций. Осо­бенно эффективным является применение соединений калия, кото­рый из обычных, легко доступных элементов имеет наименьший потенциал ионизации 4,3 в. Не безразлично, в какой форме, т. е. в виде какого соединения, вводится тот или другой легко ионизирую­щийся элемент. Например, из соединений калия, по опытам автора книги, наиболее сильное ионизирующее действие оказывают сле­дующие соединения: ферроцианид калия K.3Fe(CN)6 (красная кро­вяная соль) и монохромат калия КгСг04 (мелкий светложёлтый порошок, применяемый в красочной промышленности). Из других химических соединений хорошими ионизирующими свойствами обла-

дают карбонат калия К2С03 (поташ), карбонат кальция СаС03 и т. д., а также мел, мрамор, известняк, полевой шпат (ортоклаз), некоторые глины, древесная зола и т. п. вещества, содержащие щелочные и щелочно-земельные металлы.

Автором настоящей книги предложен объективный метод оцен­ки устойчивости дуги и сравнения различных обмазок и электродов в этом отношении. Опыт производится следую­щим образом (фиг. 45).

Электрод закрепляется вертикально в штативе над стальной пластиной с металлически чистой поверхностью. Пласти­на и электрод присоеди­няются к нормальному сварочному трансфор­матору. Зажигается дуга посредством замыкания дугового проме­жутка прикосновением конца угольного стрежня. Дуге дают догореть

Условные обозначения

...

1 Действие igjj Действие 1 солей калия [Ш] солей натрия

...

-----------

'Ш

і

—

і

—

щ

—

т

Ш.

ш

*

щ.

т

»

W’ W-

—

щ

м

щ.

я

щ

Щ

т

щ

ж

р

__

т

<%

Максимальная длина дуги переменного пака б мм

го

Название солеи калин и натрии

І *9ч ч

Є

I"

Є в

«а.

- СО I

Органические кислоты

Фиг. 46. Влияние соединений калия и натрия на устойчивость дуги.

до естественного обрыва, после чего замеряют промежуток между концом электрода и поверхностью пластины, как показано на фиг. 45. Чем - больше длина обрыва дуги, тем выше её устойчивость.

На фиг. 46 дана диаграмма, показывающая результаты опытов, проведённых автором с различными соединениями калия и натрия.

Как видно, во всех случаях соединение калия (потенциал иониза - ции 4,3 в) даёт устойчивость дуги более высокую, чем аналогичное соединение натрия (потенциал ионизации 5,1 в). Таким же обра­зом автором были выявлены элементы и соединения, резко пони­жающие устойчивость горения дуги, поэтому следует избегать вве­дения их в электродные обмазки.

К гасителям дуги относится вода (поэтому отсыревшие элек­троды не пригодны для сварки); не рекомендуются также для обма­зок вещества, содержащие кристаллизационную воду или сильно ги­гроскопические. Гасят дугу галоиды, в особенности хлор и фтор и их соединения, борная и фосфорная кислоты и их соединения.

Простейшей тонкой обмазкой является широко известная мело­вая обмазка, состоящая из тонкого порошка мела, сцементирован­ного в прочный слой жидким стеклом. Тонкин порошок мела взбал­тывается в водном растворе жидкого стекла до получения пасты необходимой густоты. Электродные стержни погружаются в пасту и при медленном вытаскивании из неё покрываются равномерным тонким слоем пасты, а затем устанавливаются или подвешиваются в вертикальном положении для подсушки.

Жидкое стекло представляет собой силикат, т. е. соль кремне­вой кислоты щелочных металлов, и является наиболее распростра­нённым приклеивающим веществом для всех типов электродных обмазок, применяемых в настоящее время. Наиболее распростра­нено натровое жидкое стекло, т. е. силикат натрия Na30. (Si02) т Качество жидкого стекла определяется в первую очередь его моду­лем, который равен молекулярному отношению содержащейся в нём

SiO, _

двуокиси кремния и щелочи т= От модуля жидкого стекла

Na^O

зависит клеящая способность стекла, возрастающая с увеличением модуля. Для электродных обмазок применяется жидкое натровое стекло с модулем от 2,2 — до 3,0.

Ввиду простоты изготовления и дешевизны материалов меловая обмазка до настоящего времени имеет широкое распространение в нашей промышленности, несмотря на низкое качество сварки мело­выми электродами. Помимо меловой обмазки применяются и дру­гие тонкие или ионизирующие обмазки, которые сохранили своё значение до настоящего времени, например для сварки малых тол­щин стали — от 0,5 до 2,0 мм.

Примером специальных электродов для сварки малых толщин могут служить электроды МТ, разработанные перед войной в лабо­ратории и под руководством автора инж. Краснощёковым. Состав в весовых процентах обмазки МТ, найденный на основании некото­рых теоретических соображений и многочисленных экспериментов, следующий: титановая руда — концентрат (ильменит)—61; поле­вой шпат — 32, хромовокислый калий (монохромат) КоСЮ4— 7.

Составные части обмазки измельчаются в тонкий порошок и смешиваются в указанном соотношении. Полученная смесь заме­шивается в пасту необходимой густоты на водном растворе декс­трина. Электроды обмакиваются в эту пасту и подсушиваются. Сухую смесь можно замешивать и на водном растворе жидкого •стекла, однако устойчивость дуги при этом будет несколько хуже.

Хромовокислый калий, являющийся одним из наиболее сильных ионизаторов, повышает устойчивость дуги и даёт возможность рабо­тать на очень малых токах, начиная от 20 а, что весьма важно при сварке тонких материалов. Титановая руда и полевой шпат, сплав­ляясь, дают шлак с хорошими физическими свойствами. Электроды с обмазкой МТ в настоящее время применяются заводами, имею­щими дело со сваркой тонкого металла, например взамен газовой сварки, которая обходится дороже и вызывает увеличенное короб­ление изделий.

Тонкие обмазки по своему характеру не исправляют ухудше­ний в химическом составе металла, вызванных процессом сварки, и не защищают расплавленный металл от воздействия окружаю­щего атмосферного воздуха. Поэтому качество наплавленного ме­талла при электродах с тонкой обмазкой получается невысоким и часто не отвечает требованиям, предъявляемым к сварным соеди­нениям ответственных изделий. Например, наиболее распространён­ная тонкая меловая обмазка при электродных стержнях из про­волоки марки Св1 или СвІІ по ГОСТ 2246-51 даёт следующие сред­ние показатели механических свойств наплавленного металла и сварного соединения при основном металле— малоуглеродистой стали Ст. 2 или Ст. 3: предел прочности зь =30—35 кг/мм2 отно­сительное удлинение (на гагаринских образцах) 3=3—8%; ударная вязкость ак = 1 —1,5 кгм/см2', угол загиба (при толщине металла 10—42 мм) а = 40—50°.

Эти показатели резко снижены против показателей для основ­ного металла, в особенности показатели, характеризующие способ­ность металла к пластическим деформациям. Эго совершенно не­допустимо для ответственных сварных изделий, как, например, па­ровых котлов, частей машин, работающих при больших переменных и динамических нагрузках, и т. п. Такое резкое снижение показа­телей механических свойств происходит вследствие значительных неблагоприятных изменений в составе наплавленного металла, вы­зываемых процессом сварки.

Для сравнения приводится химический состав металла электро­да с меловой обмазкой и металла, наплавленного этим электродом (табл. 4). Изменение химического состава сводится к следующему: сильно выгорает углерод, более чем на половину выгорает и испа­ряется марганец, почти начисто выгорает кремний и лишь вредные примеси — сера и фосфор — остаются в том же количестве, что и до сварки. Кроме того, в наплавленном металле в большом коли­честве появляются новые составные части — кислород и азот, по­ступающие из атмосферного воздуха. Количество этих примесей значительно превышает нормы, допускаемые для основного ме­талла. Содержание кислорода возрастает в 5—10 раз, а содержа­ние азота — в 50—100 раз. Особенно характерно высокое содержа­
ние азота в наплавленном металле, делающее металл хрупким. Дол­гое время сварочная техника довольствовалась электродами с тон­кой обмазкой, и для дуговой сварки оставались запрещёнными наи­более важные и ответственные изделия.

Таблица 4

Химический состав электродного стержня и наплавленного металла для электродов с тонкой обмазкой

Содержание в °,а

Мп

Si

Оо

No

Вид металла

0,004 і 0,180 I

Стержень электрода.... 0,15 0,50 0,02 0,03 0,03 0,02

___________________________ і_______ і__ __ . ._________

Наплавленный металл. . . ! 0,04 j 0,15 'Следы 0,03 і 0,03 I 0,23