§ 36. Металлургия ручной дуговой сварки

Электрод состоит из покрытия и стального стержня. В состав покрытия и стержня вводятся компоненты, обеспечивающие в процессе сварки необходимую металлургическую обработку сварочной ванны. Электродные покрытия во время горения сварочной дуги между электродом и изделием защищают зону сварки от кислорода и азота воздуха, раскисляют и легируют расплавленный металл сварочной ванны, создают устойчивость дугового разряда и обеспечивают заданные механические свойства сварному шву, а также необходимую структуру металла и требуемый химический состав сварного шва.

Защита зоны сварки от атмосферного влияния кислорода и азота бывает шлаковая, газовая и шлако-газовая.

В покрытиях современных электродов используется в основном шлако-газовая защита. Электродные покрытия должны иметь определенный интервал затвердевания, что в свою очередь определяет применимость электродов для варки в различных положениях.

В покрытиях кислого типа для-шлаковой защиты используют окислы железа, марганца, титана и кремния.

Газовая защита дугового пространства создается органическими составляющими (например, крахмалом). Поэтому при сварке электродами, имеющими кислое покрытие, происходит интенсивное образование газов СО, Н₂, СO₂, Н₂O, которые образуют хорошую защиту расплавленного металла сварочной ванны от азота. Высокое содержание в этом покрытии гематита (F203) требует значительного количества раскислителей в виде ферромарганца. При расплавлении электродного покрытия гематит, соединяясь с железом, образует закись железа.

Поэтому для погашения образования закиси железа, способной хорошо растворяться в расплавленном металле, и вводится ферромарганец. Хотя и в этом покрытии находится много ферромарганца, содержание кислорода в наплавленном металле остается достаточно высоким. Покрытия кислого типа мало чувствительны к ржавчине, находящейся на свариваемых кромках, вследствие большой окислительной способности.

Покрытия основного типа, построенные на основе мрамора (СаСO₃) и плавикового шпата (CaF₂), газовую защиту сварочной ванны обеспечивают диссоциацией мрамора.

Раскислителями в покрытии основного типа являются ферротитан, ферромарганец и ферросилиций. В процессе плавления мрамор распадается на окись кальция (СаО) и углекислый газ (СO₂).

Элементы-раскис лители углекислый газ (СO₂) переводят в окись углерода (СО), хотя часть СO₂ остается невосстановленной. Поэтому газовая фаза этих электродов по отношению к жидкому металлу является окислительной во всем температурном интервале сварки. Содержание FeO в шлаке этого покрытия является незначительным, поэтому шлаки не оказывают окисляющего действия на расплавленный металл сварочной ванны. Наличие в покрытии сильных раскислителей (титан, кремний, марганец, а в некоторых случаях и алюминий) обеспечивает невысокую концентрацию кислорода в наплавленном металле, а наличие в покрытии фтористого кальция (CaF₂) обеспечивает удаление водорода из расплавленного металла сварочной ванны.

Однако ввиду высокой раскисленности покрытия растворимость водорода в металле ванны остается высокой. Поэтому при сварке по ржавым кромкам, повышенной влажности покрытия и при сварке длинной дугой в сварных швах образуются поры. Наличие в покрытии марганца связывает серу в сульфид марганца, что предотвращает образование трещин при сварке электродами основного типа.

Рутиловые покрытия, построенные на основе рутила (ТiO₂), имеют некоторые шлакообразующие компоненты в виде полевого шпата, магнезита и др. Газовая защита в них создается органическими веществами (целлюлозой, декстрином) и карбонатами. Раскислителем в этом покрытии является ферромарганец. При сварке электродами рутилового типа в начальной стадии нагревания имеет интенсивный распад органических веществ и диссоциация карбонатов, как, например, магнезита MgCO₃ = MgO + СO₂, в результате чего в газовой фазе дуги содержатся СO₂, СО и O₂.

В результате наличия СO₂, СО и O₂ концентрация водорода меньше, чем у электродов кислого типа, что позволяет увеличить степень раскисленности металла шва за счет увеличения содержания кремния. Основная часть марганца в процессе сварки испаряется или окисляется.

Электроды с целлюлозным покрытием содержат до 50 % органических газообразующих составляющих (пищевая мука, целлюлоза и т. д.), образующих в процессе дугового разряда в больших количествах СО и Н₂. Для предупреждения насыщения расплавленного металла сварочной ванны водородом и предупреждения парообразования повышают степень окисленности сварочной ванны путем введения в покрытие титанового концентрата (ТiO₂ × FeO), марганцевой руды (МnО) и плавикового шпата (CaFe₂). Плавиковый шпат связывает водород в нерастворимое в металле соединение (HF) фтористый водород. Для устранения пористости, связанной с выделением окиси углерода (СО) во время кристаллизации сварочной ванны вводят в покрытие ферросилиций, который подавляет образование реакции СО.

При выборе электродов для сварки металлов необходимо учитывать следующие основные особенности:

марку свариваемого металла;

требования, предъявляемые к сварным соединениям по химическому составу, структуре и механическим свойствам, а также технологическую применимость рассматриваемой марки электродов.