Текст книги "Сварочные работы: Практическое пособие для электрогазосварщика"

Глава 4
СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

При электрической сварке плавлением применяются следующие сварочные материалы: сварочная проволока, неплавящиеся и плавящиеся электродные стержни, покрытые электроды.

Стальная сварочная проволока, предназначенная для сварки и наплавки, регламентируется стандартами. Она классифицируется по группам и маркам стали: низкоуглеродистая – 6 марок, легированная – 30, высоколегированная – 39 марок.

Обозначение марок проволоки составляется из сочетания букв и цифр. Первые две буквы «Св» означают – сварочная проволока. Следующие за ними первые две цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента. Далее следуют буквенные обозначения элементов, входящих в состав проволоки. При содержании легирующих элементов в проволоке до 1 % ставится только буква этого элемента, если содержание легирующих элементов превышает 1 %, то после буквы указывается процентное содержание этого элемента в целых единицах. Условные обозначения легирующих элементов в проволоке приведены в табл. 1.

Например, Св-08ГС расшифровывается следующим образом: Св – сварочная; 0,8 % углерода; до 1 % марганца; до 1 % кремния. Более точные составы сварочных проволок указаны в табл. 18.

Таблица 18

Некоторые марки сварочной проволоки

Для плавящихся электродов наиболее распространенным материалом является холоднотянутая калиброванная проволока диаметром 0,3—12,0 мм, а также горячекатаная или порошковая проволока, электродные ленты и электродные пластины. Если в конце марки проволоки стоит буква А, то эта проволока изготовлена из более высококачественной стали (с меньшим содержанием вредных примесей – серы и фосфора). Проволоку поставляют в мотках, намотанную на катушки, или в кассетах. Поверхность проволоки должна быть чистой, без окалины, ржавчины, грязи и масла. Низкоуглеродистая и легированная проволоки подразделяются на неомедненную и омедненную. Омедненная проволока находит все большее применение. По особым требованиям проволоку изготавливают из стали, выплавленной электрошлаковым, вакуум-дуговым или вакуум-индукционным методом. Различные виды проволоки имели свое условное обозначение: Э – для изготовления электродов; О – омедненная; Ш – полученная из стали, выплавленной электрошлаковым переплавом; ВД – полученная из стали, выплавленной вакуум-дуговым переплавом; ВИ – полученная из стали, выплавленной в вакуум-индукционной печи. К каждому мотку проволоки должна быть прикреплена бирка, в которой указывается завод-изготовитель, марка стали, диаметр проволоки, стандарт. К каждой партии проволоки прилагается документ (сертификат), удостоверяющий соответствие проволоки требованиям стандартов. Стальная сварочная проволока применяется для изготовления покрытых штучных электродов, для сварки под флюсом и в среде защитных газов.

Если сварочная проволока не обеспечивает требуемого химического состава наплавленного металла, то применяют порошковую проволоку. Эта проволока представляет собой низкоуглеродистую стальную оболочку, внутри которой запрессован порошок. Этот порошок состоит из ферросплавов, за счет которых осуществляется легирование металла шва или железный порошок для увеличения наполнения шва. Порошковую проволоку изготавливают сворачиванием ленты в трубку при протяжке ее через калиброванное отверстие (фильеру). В практике находят применение трубчатые и другие конструкции порошковой проволоки, некоторые из них приведены на рис. 34.

Более сложные конструкции порошковой проволоки приводят к увеличению глубины противления, уменьшению выгорания полезных

примесей (марганца и кремния), снижению содержания кислорода и азота в наплавленном металле, более равномерному плавлению сердечника. По составу сердечника порошковая проволока делится на пять типов: ПП-АН1; ПП-АН7; ПП-2ДСК; ПП-АН10 и ПП-АН9. Из них первые три типа используют для сварки без дополнительной защиты, а два последних – для сварки в углекислом газе. В табл. 19 приведены характеристики некоторых типов самозащитных порошковых проволок.

Рис. 34. Некоторые виды конструкций порошковой проволоки: 1 – трубчатая; 2 – с нахлестом; 3, 4 – с загибом в оболочке; 5 – двухслойная

Таблица 19

Характеристика некоторых типов самозащитных порошковых проволок

В качестве плавящихся электродов для автоматической наплавки под слоем флюса поверхностей больших размеров и для получения небольшого провара основного металла применяют электродную ленту. Электродная лента изготавливается различного химического состава в зависимости от назначения. Толщина готовой ленты 0,2—1,0 мм и ширина 15—100 мм. Для легирования наплавляемого металла изготовляют порошковую ленту (рис. 35).

Рис. 35. Порошковая лента:

1 – нижняя лента;

2 – верхняя лента;

3 – шихта

Неплавящиеся электродные стержни изготавливают из электротехнического угля или синтетического графита, а также из вольфрама. Угольные и графитовые электроды имеют форму цилиндрических стержней диаметром 5—25 мм и длиной 200—300 мм. Конец электродов затачивается на конус.

Графитовые электроды более электропроводны и обладают большей стойкостью против окисления на воздухе при высоких температурах. Это позволяет применять повышенную плотность тока и сократить расход электродов.

Наиболее широкое применение имеют вольфрамовые электроды. Они изготавливаются из чистого вольфрама или с различными присадками следующих марок: ЭВЧ, ЭВЛ, ЭВИ-1, ЭВИ-2. Наличие присадок (1—3 %) обеспечивает улучшенное зажигание дуги, повышает стойкость электрода при повышенной плотности тока. Электроды из вольфрама с активизирующими присадками применяют для сварки переменным и постоянным током прямой и обратной полярности.

Электроды для ручной дуговой сварки представляют собой металлический стержень, на поверхность которого методом окунания или опрессовкой под давлением наносится покрытие (обмазка) определенного состава и толщины. Покрытие должно обеспечить устойчивое горение дуги, получение металла шва требуемого химического состава и свойств и др. Эти требования обеспечиваются материалами электродного стержня и покрытия, в состав которых входят стабилизирующие, шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и другие вещества.

Стабилизирующие вещества предназначены для обеспечения устойчивого горения дуги. Этого достигают введением в покрытие материалов, содержащих соединения щелочных и щелочноземельных металлов: калия (К), натрия (Na), кальция (Са), которые обладают низким потенциалом ионизации, что обеспечивает устойчивое зажигание и горение дуги. Такими материалами являются поташ, кальцинированная сода, полевой шпат, мел, мрамор и другие известняки.

Шлакообразующие вещества при расплавлении образуют шлак, который защищает капли электродного металла и сварочную ванну от атмосферных газов. К ним относятся: марганцевая руда, гематит, гранит, мрамор, магнезит, кремнезем, полевой шпат, плавиковый шпат и др.

Раскисляющие вещества восстанавливают часть металла, находящегося в расплавленном состоянии в виде окислов. Достигается это за счет элементов и компонентов, имеющих большее, чем железо, сродство к кислороду и другим элементам, окислы которых необходимо удалить (вывести) из металла шва. С этой целью в покрытие вводятся ферромарганец, ферросилиций, ферротитан.

Легирующие вещества дополняют металл шва такими элементами, которые придают ему повышенную прочность, износоустойчивость, коррозионную стойкость и т. д. В основном в качестве легирующих элементов используют ферросплавы и значительно реже – чистые металлы.

Газообразующие вещества при нагревании разлагаются и образуют газы, которые оттесняют атмосферные газы от плавильной зоны и обеспечивают дополнительную защиту расплавленного металла. В качестве газообразующих веществ используются: крахмал, декстрин, оксицеллюлоза, древесная мука, мрамор, магнезит, доломит.

Связующие и цементирующие добавки связывают порошковые материалы покрытия в однородную, вязкую массу и цементируют покрытие на электродном стержне, чтобы после сушки покрытие не осыпалось. Хорошими связующими материалами являются натриевое жидкое стекло (Na₂0-Si0₂) и калиевое жидкое стекло (K₂0-Si0₂). В качестве добавок применяют и другие элементы-пластификаторы, например: бентонит, каолин, силикатную глыбу.

Материалы, используемые для изготовления электродных покрытий, должны удовлетворять требованиям соответствующих стандартов (табл. 20).

Таблица 20

Требования стандартов к некоторым материалам электродных покрытий

Типы электродов для ручной дуговой сварки углеродистых, низколегированных, конструкционных и других сталей обозначаются буквой Э, затем следуют цифры, указывающие прочностную характеристику наплавленного металла. Например, обозначение Э-42 означает, что электроды этого типа обеспечивают минимальное временное сопротивление 420 МПа.

Если в обозначении после цифр стоит буква А, это означает, что этот тип электрода обеспечивает более высокие пластические свойства наплавленного металла. Для сварки вышеуказанных сталей предусмотрены 14 типов электродов (табл. 21), в которых определены основные механические свойства и содержание вредных примесей (серы и фосфора).

Таблица 21

Типы электродов для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, химический состав наплавленного металла и механические свойства выполненного ими металла шва, наплавленного металла и сварного соединения

Примечания:

1. Для электродов типов Э38, Э42, Э46, Э50, Э42А, Э46А, Э50А, Э55 и Э60 приведенные значения механических свойств установлены в состоянии после сварки, без ТО (термической обработки). После ТО механические свойства для электродов перечисленных типов должны соответствовать требованиям стандартов.

2. Для электродов типов Э70, Э85, Э100, Э125 и Э150 приведенные значения механических свойств установлены для металла шва и наплавленного металла после ТО по режимам, регламентированным стандартами или ТУ на электроды конкретных марок. Механические свойства металла шва и наплавленного металла в состоянии после сварки для электродов перечисленных типов должны соответствовать требованиям стандартов или ТУ на электроды конкретных марок.

Показатели механических свойств сварных соединений, выполненных электродами типов Э70, Э85, Э100, Э125 и Э150 с d₃ = 3 мм, должны соответствовать требованиям стандартов или ТУ на электроды конкретных марок.

Наряду с типами электроды различают по маркам, которые указаны в паспорте. Одному типу электродов могут соответствовать несколько марок, например: электродам типа Э-46 соответствуют марки АНО-4, МР-3 и др.; для электродов типа Э-42А соответствуют марки УОНИ-13/45 и СМ-11 (табл. 22).

Таблица 22

Характеристики наиболее распространенных электродов для сварки углеродистых и низколегированных сталей

* ОП – обратная полярность, ток постоянный (=) или переменный (—).

Покрытые электроды для ручной дуговой сварки и наплавки подразделяются по назначению на группы: 1) для сварки углеродистых и низкоуглеродистых конструкционных сталей обозначаются буквой У; 2) для сварки легированных сталей – Л; 3) для сварки теплоустойчивых сталей – Т; 4) для сварки высоколегированных сталей – В; 5) для наплавки поверхностных слоев – Н.

Электроды подразделяются по толщине покрытия с обозначением соответствующими буквами: М – с тонким покрытием, С – со средним покрытием, Д – с толстым покрытием, Г – с особо толстым покрытием.

В зависимости от состава покрытия электроды подразделяют по его виду: А (кислое покрытие), Б (основное покрытие), Ц (целлюлозное покрытие), Р (рутиловое) и П (покрытие прочих видов).

Составы покрытий приведены в табл. 23.

Таблица 23

Составы наиболее распространенных видов электродных покрытий

По допустимым пространственным положениям сварочные электроды подразделяют на группы: 1) для всех положений; 2) для всех положений, кроме сварки вертикальной «сверху вниз»; 3) для нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального «снизу вверх»; 4) для нижнего и нижнего «в лодочку».

На чертежах и в технологических картах (производственных документах) по соответствующим нормативным документам устанавливаются специальные обозначения, которые сварщик должен уметь читать, понимать и правильно реализовывать в процессе сварки.

Перед сваркой необходимо ознакомиться с надписью на этикетке пачки.

На этикетке упаковочной пачки для электродов должна быть аналогичная надпись, но с более подробными сведениями. Например:

Эта запись условного обозначения электродов означает следующее: тип электрода Э42А – прочностная характеристика σ_в = 420 МПа; марка электрода УОНИ-13/45; диаметр электрода 3 мм;

назначение электрода У – для сварки углеродистых и низколегированных сталей;

толщина покрытия Д – с толстым покрытием;

Е432(5) – группа индексов, показывающих характеристики наплавленного металла и металла шва;

вид покрытия Б – основное;

допустимые пространственные положения при сварке 1 – для всех положений;

род тока при сварке = – постоянный, ОП – обратная полярность.

Некоторые ориентировочные данные, характеризующие зависимость обозначения электродов от тока, полярности и номинального напряжения холостого хода источника питания, приведены в табл. 24.

Таблица 24

Обозначение электродов в зависимости от тока, полярности и номинального напряжения холостого хода источника питания

* Цифрой 0 обозначают электроды для сварки или наплавки только на постоянном токе обратной полярности.

В настоящее время в практике работы сварщиков появляются импортные электроды для ручной дуговой сварки конструкционных сталей. Информация по некоторым маркам электродов приведена в табл. 25, 26, 27, 28, 29.

Таблица 25

Электроды с покрытием основного вида, выпускаемые в Европе, США, Японии

Таблица 26

Высокопроизводительные электроды с покрытием основного вида, выпускаемые в Европе и Японии

Таблица 27

Электроды с рутиловым видом покрытия, выпускаемые в Европе, США и Японии

Таблица 28

Высокопроизводительные электроды с рутиловым видом покрытия, выпускаемые в Европе, США и Японии

Таблица 29

Типичные марки электродов с целлюлозным покрытием и свойства металла шва, которые они обеспечивают

Контрольные вопросы:

1. Перечислите сварочные материалы, применяемые при сварке.

2. Как маркируется стальная сварочная проволока?

3. Какие существуют виды сварочной проволоки?

4. Охарактеризуйте неплавящиеся электродные стержни.

5. Зачем нужны покрытия для ручных электродов?

6. Что такое тип электрода и марка электрода?

7. Как расшифровываются обозначения электродов марки УОНИ 13/45?

Флюсы, применяемые при электрической сварке плавлением, обеспечивают надежную защиту зоны сварки от атмосферных газов, создают условия устойчивого горения дуги, обеспечивают хорошее формирование шва. Швы получаются плотными и несклонными к кристаллизационным трещинам. После остывания шва шлаковая корка легко удаляется. Флюсы обеспечивают наименьшее выделение пыли и газов, вредных для здоровья сварщика.

Флюсы классифицируют по назначению, химическому составу, структуре, степени легирования шва, способу изготовления, зависимости вязкости шлака от температуры.

По назначению флюсы делят на три группы:

для сварки углеродистых и легированных сталей;

для сварки высоколегированных сталей;

для сварки цветных металлов и сплавов.

По химическому составу различают флюсы оксидные, солевые и солеоксидные (смешанные). Оксидные флюсы состоят из оксидов металлов и могут содержать до 10 % фтористых соединений. Их применяют для сварки углеродистых и низколегированных сталей. Солевые флюсы состоят из фтористых и хлористых солей металлов и других, не содержащих кислород химических соединений. Они используются для сварки активных металлов и электрошлакового переплава. Солеоксидные флюсы состоят из фторидов и оксидов металлов, применяются для сварки легированных сталей.

По химическим свойствам оксидные флюсы подразделяют на кислые и основные, а также нейтральные. К кислым относятся SiO₂ и TiO₂; к основным – CaO, MgO. Фториды и хлориды относятся к химически нейтральным соединениям.

В зависимости от содержания SiО₂ различают высококремнистые, низкокремнистые и бескремнистые флюсы, а в зависимости от содержания МnО различают марганцевые и безмарганцевые флюсы.

По степени легирования металла шва различают флюсы пассивные, т. е. не вступающие во взаимодействие с расплавленным металлом, активные – слабо легирующие металл шва и сильно легирующие, к которым относится большинство керамических флюсов.

По способу изготовления флюсы делят на плавленые и неплавленые (керамические).

По строению крупинок – стекловидные, пемзовидные и цементированные.

По характеру зависимости вязкости шлаков от температуры различают флюсы, образующие шлаки с различными физическими свойствами. Флюсы, у которых вязкость шлаков с понижением температуры возрастает медленно, называют длинными, а флюсы, у которых вязкость шлаков при аналогичных условиях возрастает быстро, – короткими. Зависимость вязкости флюсов от температуры существенно влияет на качество формирования шва. Преимущественно находят применение флюсы с короткими шлаками (основные флюсы) (табл. 30).

Таблица 30

Состав некоторых марок плавленых флюсов для сварки углеродистых и легированных сталей

При сварке под флюсом состав флюса полностью определяет состав шлака и атмосферу дуги. Взаимодействие жидкого шлака с расплавленным металлом оказывает существенное влияние на химический состав, структуру и свойства наплавленного металла.

Применительно к углеродистым сталям качественный шов можно получить при следующем сочетании флюсов и сварочной проволоки:

плавленый марганцевый, высококремнистый флюс и низкоуглеродистая или марганцовистая сварочная проволока;

плавленый безмарганцевый, высококремнистый флюс и низкоуглеродистая марганцовистая сварочная проволока;

керамический флюс и низкоуглеродистая сварочная проволока.

Для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей чаще всего используют углеродистую проволоку марок Св-08 и Св-08А в сочетании с высококремнистым марганцевым флюсом марок ОСЦ-45, АН-348А, ОСЦ-45М, АН-348АМ (мелкий).

Флюсы ОСЦ-45 и АН-348А с зерном 0,35—3,0 мм применяют для автоматической сварки сварочной проволокой диаметром 3 мм и более. Флюсы ОСЦ-45М и АН-348АМ с зерном 0,25—1,6 мм применяют для автоматической и механизированной сварки сварочной проволокой диаметром менее 3,0 мм.

Флюс ОСЦ-45 малочувствителен к ржавчине, дает весьма плотные швы, стойкие против образования горячих трещин. Существенным недостатком флюса является большое выделение вредных фтористых газов. Флюс АН-348А более чувствителен к коррозии, чем ОСЦ-45, но выделяет значительно меньше вредных фтористых газов.

Для сварки низкоуглеродистых сталей проволокой Св-08 и Св-08А применяют и керамические флюсы КВС-19 и К-11. В тех случаях, когда в металле шва необходимо сохранить элементы, имеющие большое сродство с кислородом, следует применять бескислородные флюсы, химически инертные к металлу сварочной ванны.

Контрольные вопросы:

1. Расскажите о назначении флюсов.

2. Как разделяются флюсы по химическим свойствам?

3. Расскажите о классификации флюсов по степени легирования.

4. Почему требуется определенное сочетание флюсов и сварочной проволоки?

Для защиты дуги при электрической сварке плавлением применяют такие газы, как аргон, гелий, углекислый газ, азот, водород, кислород и их смеси.

Аргон и гелий являют одноатомными инертными газами. Они бесцветны, не имеют запаха. Аргон тяжелее воздуха, что обеспечивает хорошую защиту сварочной ванны. Аргон, предназначенный для сварки, регламентируется нормативными документами и поставляется двух сортов в зависимости от процентного содержания аргона и его назначения. Аргон высшего качества предназначен для сварки ответственных изделий из цветных металлов. Аргон первого сорта предназначен для сварки сталей. Смеси аргона с другими газами в определенных отношениях поставляют по особым ТУ (техническим условиям).

Гелий значительно легче воздуха. Предусматривается два сорта газообразного гелия: гелий высокой чистоты и гелий технический.

Углекислый газ в нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с едва ощутимым запахом. Углекислый газ, предназначенный для сварки, должен соответствовать существующим нормативным документам, в зависимости от содержания он выпускается трех марок: сварочный, пищевой и технический. Летом в стандартные баллоны емкостью 40 дм³ (литров) заливается 25 дм³ (литров) углекислоты, при испарении которой образуется 12 600 дм³ газа. Зимой заливается 30 дм³ (литров) углекислоты, при испарении которой образуется 15 120 дм³ газа. Сварочную углекислоту не разрешается заливать в баллоны из-под пищевой и технической углекислоты.

Водород в чистом виде представляет собой газ в 14,5 раза легче воздуха, не имеет запаха и цвета. Предусматривается три марки технического водорода, водород применяют только в смесях.

Кислород применяется как добавка к аргону или углекислому газу. Предусматривается три сорта кислорода: 1-й, 2-й и 3-й.

В последние годы все большее применение находят смеси таких газов, как CO₂ (углекислый газ), Ar (аргон), O₂ (кислород). При сварке в газовых смесях для точной дозировки газов применяют смесители. В настоящее время применяют смесители: УКП-1-71 для смеси (СО₂⁺+ O₂); АКУП-1 для смеси (Ar + CO₂ + O₂); УКР-1-72 для смеси (CO₂+ O₂). Перед смесителем устанавливают осушители для отделения паров или конденсата влаги.

Контрольные вопросы:

1. Какие газы применяют для защиты дуги в процессе сварки?

2. Дайте краткую характеристику защитных газов: аргона, углекислого газа, кислорода.

3. Какие смеси защитных газов применяют при сварочных работах?