Состав покрытия электрода

Начинающему сварщику необходимо узнать, из чего состоит электрод и как правильно его выбрать. В случае ошибки даже опытный мастер не сможет выполнить шов качественно. Выпускается более 200 видов расходников под разные задачи.

Сведения об электродах

Изделие представляет собой стержень длиной 25-45 см из электропроводящего материала.

Назначение материалов

Сварочный электрод нужен для создания стабильного электродугового разряда.

Дуга возникает при следующих условиях:

• расходник и детали подключены к источнику тока;
• промежуток между ними составляет 2-4 мм.

Классификация элементов

Расходники делятся на типы:

1. Плавящиеся. Снабжены покрытием, выполняющим защитную и другие функции.
2. Неплавящиеся.

Первый тип по составу покрытия делится на виды:

1. Кислые.
2. Основные.
3. Целлюлозные.
4. Рутиловые.

Толщина покрытия характеризуется отношением диаметров D электрода и d стержня.

Различают 4 вида:

1. Особо толстое — D/d больше 1,8.
2. Толстое — менее 1,8.
3. Среднее — менее 1,45.
4. Тонкое — менее 1,2.

Особенности эксплуатации

По типу электрода подбирают ток:

• постоянный;
• переменный.

Первый вариант обеспечивает более высокое качество шва. Различают 2 подвида:

1. Постоянный с прямой полярностью. Положительный полюс источника подключают к заготовке.
2. С обратной полярностью. «Плюс» подключен к электроду.

От полярности зависит температура нагрева расходника и заготовки.

Различают 4 вида швов:

1. Потолочные.
2. Вертикальные снизу вверх.
3. Те же в противоположном направлении.
4. Нижние.

Некоторые электроды не позволяют выполнять потолочные и вертикальные швы из-за высокой текучести металла в сварочной ванне.

Надежность соединения зависит от следующих параметров:

1. Силы тока.
2. Длины дуги.
3. Диаметра расходника.
4. Скорости и характера его перемещения.
5. Угла наклона к поверхности заготовок.

Длину дуги стремятся делать наименьшей. В противном случае происходит следующее:

1. Металл расходника успевает окислиться за время пути к сварочной ванне.
2. Дуга «гуляет» по стыку, что приводит к распределению тепла по большой площади. В результате уменьшается глубина провара, усиливается разбрызгивание основного материала (он отскакивает от нерасплавленной поверхности).

При большой величине промежутка между расходником и заготовкой шов получается грязным и неаккуратным.

Коротко о марках электродов

ГОСТ 9467-75 устанавливает единую буквенно-цифровую систему обозначения расходников.

Марку записывают в виде дроби, например:

1. Числитель — Э46-МР-3 АРС-3-УД.
2. Знаменатель — Е432(3)-Р21.

Первый символ числителя обозначает способ сварки. В данном случае — ручная дуговая (литера Э).

Далее указывают временное сопротивление наплавки разрыву в кгс/кв. мм. В указанном примере — 46. Если изделие придает шву повышенные прочность и пластичность, после числа ставят литеру «А» (например, Э50А).

Следующая позиция — марка электрода (МР-3).

АРС — сокращенное обозначение производителя (завод «Арсенал»).

3 — диаметр.

Следующий символ обозначает тип стали:

• У — углеродистую и низколегированную;
• Л — легированную;
• Т — теплостойкую;
• В — высоколегированную с особыми свойствами.

Литера «Н» на этом месте означает «наплавочный электрод». Такие изделия используются для восстановления стертых участков (например, седла вентиля).

Следующая буква обозначает толщину покрытия:

• М — тонкое;
• С — среднее;
• Д — толстое;
• Г — особо толстое.

Первый символ знаменателя — тип электрода по международной системе обозначений. В данном примере — плавящийся (литера E).

Далее указывают прочность на разрыв в десятках МПа. Для данного расходника это 430 (МПа).

Следующая цифра означает относительное удлинение расходника. 2 — это 24% и более.

Далее цифрой обозначают допустимую температуру. Например, 3 — до -20°С, 6 — до -50°С и т.д.

Следующим символом зашифрован тип покрытия:

• Р — рутиловое;
• А — кислое;
• Б — основное;
• Ц — целлюлозное.

Обмазку смешанного типа обозначают сочетанием букв. Например, РЦ расшифровывается как рутилово-целлюлозный.

Присутствие в покрытии железного порошка показывают литерой Ж: РЖ, АЖ и т.д.

Предпоследней цифрой в марке зашифрованы допустимые пространственные положения шва:

• 1 — все;
• 2 — все, кроме вертикальных в направлении сверху вниз;
• 3 — нижние, горизонтальные на вертикальной плоскости и вертикальные снизу вверх;
• 4 — нижние и нижние в лодочку.

Последняя цифра обозначает род тока. Например, 0 — постоянный обратной полярности («плюс» подключается к электроду), 1 — постоянный и переменный и т.д.

Особенности покрытия электродов

Обмазка — это твердое пористое вещество. Ей покрывают весь стержень за исключением крайнего участка длиной в 20-30 мм, предназначенного для фиксации в электрододержателе.

Какую роль выполняет покрытие

В результате сгорания смеси происходит следующее:

1. Формируется облако из угарного и прочих газов. Они нужны для защиты расплава от окисления атмосферным воздухом.
2. Образуются свободные ионы, поддерживающие горение дуги. Частицы выступают переносчиками заряда.
3. Из стали удаляется кислород (происходит раскисление).
4. Расплав насыщается легирующими элементами. Они улучшают свойства материала.
5. Свежий шов покрывается шлаком. Он защищает металл от окисления атмосферным воздухом и замедляет его остывание. В результате газы и примеси успевают покинуть шов до кристаллизации, предотвращается появление трещин.

Перечисленные эффекты проявляются в разной степени в зависимости от вида обмазки.

Свойства компонентов покрытия

Для стабилизации дуги используются вещества с низким ионизационным потенциалом:

1. Поташ, аммиачная селитра, хромат калия.
2. Силикатный клей с натрием или калием (жидкое стекло). Одновременно играет роль связующего вещества.
3. Бария карбонат.
4. Титановый концентрат.
5. Карбонат кальция (мел).

Облако защитных газов образуют компоненты:

1. Целлюлоза.
2. Декстрин.
3. Пищевая и древесная мука.
4. Крахмал.
5. Мрамор.

Шлак образуется благодаря следующим элементам:

1. Мрамору.
2. Калию, полевому и плавиковому шпату.
3. Мелу.
4. Титановому концентрату.
5. Кварцевому песку.
6. Марганцевой руде.
7. Рутилу, ильмениту.

Легирующие присадки:

1. Титан.
2. Кремний.
3. Марганец.
4. Хром.
5. Ванадий.
6. Графит.
7. Молибден.

Для раскисления вводятся в виде ферритов следующие вещества:

1. Алюминий.
2. Титан.
3. Молибден.
4. Хром.
5. Марганец.
6. Графит.

Эти элементы активнее железа реагируют с кислородом, связывая его.

Помимо перечисленных компонентов, применяются и другие.

Для придания пластичности вводятся т.н. формующие добавки — бентонит и каолин.

Некоторые марки содержат железный порошок, увеличивающий коэффициент наплавки.

Цвет электродов

Обмазки имеют следующий окрас:

1. Основные — бежевый или белый.
2. Кислые — серый.
3. Целлюлозные — светло-серый с коричневым оттенком.
4. Рутиловые — серый, синий, зеленый или коричневый.

Приведенный перечень соответствует большинству изделий, но встречаются и зеленые основные расходники, белые кислые и т.д.

Как производится электродное покрытие

Оболочка изготавливается в следующем порядке:

1. Компоненты перетирают в муку.
2. Их просеивают через систему сит и смешивают с точным соблюдением пропорций.
3. В сухую смесь вводят жидкое стекло (связующее).
4. Покрытие тщательно перемешивают.

Применяют 2 способа нанесения обмазки на проволоку:

• опрессовку;
• окунание.

Необходимо точно соблюдать количество компонентов и равномерно распределять их. Поэтому для производства покрытия требуется специальное оборудование.

Как влага влияет на материалы

Все виды покрытия электродов из-за высокой пористости хорошо впитывают воду. В результате они теряют защитные и другие свойства, что приводит к ухудшению качества шва.

Необходимо делать следующее:

1. Хранить изделия из открытой пачки в специальном герметичном пенале с теплоизолированными стенками, которые предотвращают конденсацию влаги.
2. Перед работой подсушивать расходники в особых печах, соблюдая длительность и температуру, указанные на упаковке.

Если изделие не было использовано в течение 2-3 часов, его снова придется прокаливать.

Число процедур ограничено 3-4 (указано на упаковке). Многократный прогрев приводит к осыпанию покрытия.

Рабочие свойства рутиловой оболочки в полной мере проявляются при наличии небольшого количества влаги. Поэтому такие изделия сушат при температуре не выше +200°С, а к работе приступают только через сутки.

Основные типы электродов

Состав покрытия электродов оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики расходника.

Кислые

В покрытиях этого типа шлакообразующими компонентами выступают оксиды железа и марганца, реже титана. Есть марки с добавлением кремнезема. С целью формирования газовой защиты в состав смеси вводят органические вещества: оксицеллюлозу, декстрин, крахмал.

Достоинства:

1. Заготовки можно не зачищать от ржавчины и окалины. Поры в шве не образуются, поскольку шлаки кислых покрытий связывают окислы железа.
2. Есть возможность варить длинной дугой (при повышенном напряжении). Некоторые другие расходники в таких условиях дают пористый шов.
3. Стабильность дуги высокая, что позволяет выполнять сварку переменным током. Разряд легко зажигается повторно. Подходит трансформатор с относительно небольшим напряжением холостого хода — 60-70 В.
4. Высокий коэффициент наплавки обеспечивает хорошую производительность. Для некоторых марок он достигает 11-12 г/А*ч.
5. Швы можно выполнять во всех пространственных положениях.

Недостатки:

1. Покрытие продуцирует большой объем свободного кислорода, связывающего легирующие элементы. Это не позволяет применять кислые электроды для сварки конструкций из высоколегированных марок стали.
2. Органические компоненты насыщают наплавку водородом. Из-за этого расходники не подходят для закаливающихся сталей (высокоуглеродистых и легированных). Водород проникает в пришовную зону и лишает материал пластичности, вследствие чего появляются холодные трещины. Кроме того, в процессе кристаллизации он формирует поры: если доля кремния составляет более 0,1-0,2%, марганца — более 0,8-0,9% (раскисленная сталь).
3. Выделяются газообразные соединения марганца, вредные для здоровья.
4. Материал шва проявляет склонность к горячим трещинам при доле углерода в стали свыше 0,15%. По этой причине кислыми расходниками варят только низкоуглеродистые стали.
5. Образуется большое количество брызг.
6. Шов обладает низкой ударной вязкостью и проявляет склонность к механическому старению из-за насыщения его кислородом.

По химическому составу металл, наплавленный кислыми электродами из низкоуглеродистой сварочной проволоки, соответствует кипящей стали (доля кремния — ниже 0,1%). По его механическим свойствам расходники соответствуют значению Э38-Э42.

Изделия с кислым покрытием выпускают под марками ЦМ-7, СМ-5, ОММ-5, МЭЗ-4. Из-за высокой токсичности их применяют ограниченно. Рекомендуется замена на рутилово-кислые.

Основные (б)

В покрытии преобладают минералы с содержанием карбоната кальция и магния: мрамор, доломит, плавиковый шпат или магнезит. При сгорании содержащийся в них углерод превращается в углекислый и угарный газы. Одновременно образуются оксиды магния и кальция.

Достоинства:

1. Отсутствие органического компонента. Благодаря этому металл не насыщается водородом, как в случае с другими типами обмазок. Уже имеющийся в расплаве данный элемент связывается фторидом кальция, содержащимся в покрытии. Это предотвращает охрупчивание стали, позволяя применять основные электроды для сварки закаливающихся марок (высокоуглеродистых и легированных). Такие расходники называют низководородистыми.
2. Высокая ударная вязкость шва. Расходники подходят для изготовления конструкций, работающих при низких температурах и испытывающих динамические нагрузки.
3. Более низкая, чем у других покрытий, склонность наплавленного металла к старению.
4. Высокий коэффициент основности шлаков. Это обеспечивает хорошее усвоение легирующих элементов. Основные электроды — единственные из плавящихся, которые подходят для сварки высоколегированных сталей.
5. «Короткие» шлаки. Они быстро твердеют при остывании, что позволяет выполнять вертикальные и потолочные швы.
6. Высокая стойкость наплавки к образованию горячих трещин.

Последнее обстоятельство делает расходники с основным покрытием самыми подходящими для следующих задач:

• изготовления жестких конструкций;
• выполнения многослойных швов большой толщины;
• сварки стали с высоким содержанием углерода и серы.

Недостаток — низкая стабильность дуги. Содержащийся в обмазке фтор служит деионизатором. Поэтому электродами с основным покрытием варят преимущественно на постоянном токе обратной полярности. Исключением являются изделия с добавкой поташа или жидкого стекла, способные работать с переменным напряжением. Эти вещества служат источником калия и натрия — элементов с низким потенциалом ионизации. Поташ хорошо впитывает воду, для просушки требуется температура в 350-400°С.

Факторы повышенной пористости:

1. Наличие на поверхности заготовок окалины и ржавчины. Шлаки основного покрытия не связывают окислы железа, и те вызывают нарушения в структуре металла.
2. Влажность покрытия от 2-2,5%. Вода выступает источником водорода, который активно впитывается раскисленной сталью.
3. Длинная дуга и большие зазоры. Ухудшается газовая защита материала, и он насыщается азотом. Помимо пористости, наблюдаются охрупчивание стали и склонность к старению.

По химическому составу металл, наплавленный электродом из низкоуглеродистой сварочной проволоки, соответствует спокойной стали (доля Si составляет 2-5%). По его механическим характеристикам расходники соответствуют обозначению Э42А-Э50А.

Марки электродов с основным покрытием: ЛКЗ-70, СМ-11, УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, НИАТ-3М и др.

Изделиями УП-1/55 и УП-2/55 можно варить на переменном токе.

Целлюлозные (ц)

Данный вид покрытия сделан в основном из горючих органических веществ. В этом качестве используют целлюлозу, древесную и травяную муку. Добавляют тальк, органические смолы, ферросплавы.

Достоинства:

1. Большой объем защитных газов и малое количество шлаков. Это позволяет выполнять качественные швы с низкой пористостью во всех пространственных положениях.
2. Большая глубина провара. Она объясняется оттеснением металла из сварочной ванны потоком газов.
3. Стабильное горение дуги.

Недостаток — повышенная разбрызгиваемость.

Большая глубина провара играет важную роль в следующих соединениях:

• в односторонних, выполняемых на весу;
• стыках трубопроводов (это формирует корень шва);
• в прочих, производимых в монтажных условиях.

Данный тип расходников не подходит для следующих конструкций:

1. Выполненных из высокоуглеродистых и легированных сталей (склонных к закаливанию). Органическая составляющая насыщает металл в сварочной ванне водородом. Тот проникает в пришовную зону и лишает сталь пластичности, вследствие чего появляются холодные трещины.
2. Сделанных из высокоуглеродистой стали с большой долей серы. Шов проявляет склонность к горячим трещинам.
3. С жесткими требованиями к качеству сборки по зазорам.

Целлюлозным покрытием обладают электроды марок ОМА-2, ЦЦ-1, ВСЦ-2, ВСЦ-3, ВСЦ-4А, ВСЦ-60, ОМА-2. В основном они используются для сварки низкоуглеродистых сталей. При соединении заготовок из низколегированной стали с помощью таких расходников проваривают только корень шва.

Рутиловые (р)

Минерал рутил в основном состоит из диоксида титана. Кроме него, в обмазке присутствуют ферромарганец, кремнезем, мел или карбонат магния.

Достоинства изделия:

1. Минимальное разбрызгивание.
2. Легкое отделение окалины. Шов имеет аккуратный вид.
3. Стабильность дуги, быстрое повторное зажигание. Это обеспечивает высокую производительность.
4. Безопасность для здоровья сварщика.
5. Универсальность. Выпускаются разновидности для любых задач, в т.ч. смешанные (рутилово-целлюлозные и др.).
6. «Короткие» шлаки.
7. Способность надежно соединять заготовки, покрытые ржавчиной, окалиной или грунтовкой (при толщине до 20-25 мкм).
8. Стойкость к горячим трещинам.
9. Плавный переход от шва к основному металлу. Благодаря этому соединения, испытывающие знакопеременные нагрузки, обладают высоким сопротивлением усталости.

По химическому составу материал, наплавленный изделиями из низкоуглеродистой сварочной проволоки, соответствует полуспокойной стали (доля Si составляет 0,1-0,2%). По его механическим свойствам электроды соответствуют обозначению Э42-Э46.

В большинстве случаев в качестве газообразующих вводятся органические присадки. Это приводит к насыщению расплава водородом и, как следствие, повышенной пористости шва. Данные показатели находятся в допустимых пределах, если покрытие не пересушено.

Для этого соблюдают условия:

• расходники прокаливают при температуре +200°С в течение 60 минут;
• к работам приступают спустя сутки после процедуры.

Прочие факторы повышенной пористости:

• чрезмерная сила тока;
• сварка тонкого металла расходниками большого диаметра;
• выполнение тавровых соединений с зазором.

Рутиловое покрытие имеют электроды марок МР-3, АНО-1, ОЗС-4, ОЗС-6, ЗРС-1, ЗРС-2.

Дополнительные виды электродов

Расходники делятся на группы по способу работы.

Неплавящиеся электроды

Изделия предназначены для автоматической и полуавтоматической сварки.

В рабочую зону подают:

• защитный газ (в большинстве случаев — аргон);
• присадочный материал.

Тугоплавкие расходники покрытия не имеют.

Они изготавливаются из следующих материалов:

1. Вольфрама. Металл используется в чистом виде или с добавкой тория, лантана, церия, иттрия или циркония. Тип присадки определяют по цветовой маркировке.
2. Искусственного прессованного графита.
3. Электротехнического угля.

Неплавящимися расходниками варят:

• сталь;
• чугун;
• алюминий;
• медь;
• латунь;
• бронзу.

При сварке неплавящимся электродом на постоянном токе анодное пятно (со стороны «плюса») имеет более высокую температуру, чем катодное.

Поэтому для соединения тонкостенных заготовок используют обратную полярность: «+» подключают к расходнику. В противном случае металл прогорит.

Плавящиеся электроды

Изделия данного типа используются в ручной дуговой сварке.

В процессе работы материал стержня переносится в сварочную ванну.

Расходники изготавливают из сварочной проволоки Св-08 или Св-08А.

Используются следующие виды стали (всего 77 марок):

• углеродистая;
• легированная;
• высоколегированная.

Изделие подбирают в соответствии с материалом заготовок.

При сварке постоянным током более горячим является катодное пятно (со стороны «минуса»). Поэтому тонкостенные заготовки соединяют прямой полярностью: «-» подключают к расходнику.

Электроды из цветмета

Такие расходники используют для соединения заготовок из алюминия, меди, никеля, прочих цветных металлов и их сплавов. Подбирают стержень из того же материала, что и свариваемые детали.

Используют следующие марки:

1. Алюминий — ОЗА-1 и ОЗА-2.
2. Алюминиевые сплавы — АФ-4аКр и А-2.
3. Медь, бронзу, латунь — МН-5, КМ-100, АМНЦ/ЛКЗ-АБ.
4. Никель и его сплавы — ХН-1 или МЗОК.

Электроды для сварки алюминия делают из проволоки Св-А1 с галогенидным покрытием. Они подходят всем маркам металла.

Параметры процесса:

• постоянный ток;
• обратная полярность;
• нижнее пространственное положение шва.

Расходники КМ-100 и им подобные выполнены из медной проволоки и снабжены основным покрытием (фтористо-кальциевым). Оно характеризуется пониженным выделением кислорода, оказывающего разрушительное действие на металл. Возможно соединение меди с углеродистой сталью.

Параметры процесса:

• постоянный ток;
• обратная полярность;
• нижнее пространственное положение шва.

Электроды для контактной сварки тоже делают из меди или бронзы.

Расходники марки МЗОК и им подобные изготавливают из никелево-медной проволоки с покрытием основного типа.

Параметры процесса:

• постоянный ток;
• прямая и обратная полярность;
• любое пространственное положение шва.

Как выбирать электроды

Тип расходника определяется материалом конструкции и условиями ее эксплуатации.

Рекомендуются следующие марки:

Диаметр электрода подбирают по толщине заготовки:

Заготовки толщиной менее 1,5 мм вручную не сваривают.

С диаметром расходника взаимосвязана сила сварочного тока. Рекомендуемая величина указана на упаковке.

Примерные значения приведены в таблице:

По требуемой силе тока выбирают сварочный аппарат.