Урок 11. Класифікація електродних покриттів: руднокислі, фтористо-кальцієві, рутилові, органічні. Вплив різних елементів покриття електродів на властивості металів зварного шва. Електроди для зварювання на наплавлення деталей, вузлів і конструкційних вуглецевих сталей (типи, марки), бракувальні ознаки електродів

Класифікація електродних покриттів

Покриті електроди класифікують: 

• за призначенням,

• за типом покриття, 

• за механічними властивостями металу шва,

•  за товщиною покриття,

•  за допустимими просторовими положеннями зварювання, 

• за родом струму й полярністю,

•  за діаметром стрижня та іншими ознаками.

Розглянемо класифікацію за схемою умовного позначення електродів.

Умовне позначення електродів для зварювання і наплавлення є дріб, у чисельнику та знаменнику якого вказуються характеристики електрода

Рис.1 Схема умовного позначення електродів:

1 -  тип електрода; 2 -  марка електрода; 3 – діаметр електрода; 4 – призначення електрода; 5 – товщина покриття; 6 – група за якістю; 7 – група індексів, які характеризують метал шва; 8 – вид покриття; 9 – просторове положення зварювання; 10 – рід струму й полярність; 11 – стандарт, який визначає вимоги щодо електродів; 12 – стандарти, які регламентують вимоги щодо даного типу електрода

1. Тип електрода 

Характеризує мінімально гарантований тимчасовий опір наплавленого металу електродами даного типу. Умовне позначення: Э — електрод, число після букви означає мінімальний опір, а буква А після них — високу пластичність наплавленого металу Наприклад, Э46А означає тип електрода із мінімальним тимчасовим опором 460 МПа (46 кгс/мм2) і високими пластичними властивостями наплавленого металу порівняно з електродами відповідного типу без цієї букви. За типом електроди класифікують:

–      для зварювання низьковуглецевих і низьколегованих конструкційних сталей передбачаються типи електродів — Э38, Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55 Э60;

–      для зварювання легованих конструкційних сталей з тимчасовим опором розриву більше 600 МПа - Э70, Э85, Э100, Э125, Э150;

–      для зварювання легованих теплостійких сталей — Э-09М, Э-09МХ, Э-09Х1М, Э-05Х2М, Э-09Х2М1, Э-09Х1МФ, Э-10Х5МФ, Э-10Х1М1НБФ, Э-10ХЗМ1БФ;

–     для зварювання високолегованих сталей з особливими властивостями - 49 типів (ГОСТ10052-75) Э-12X13, Э-06Х13Н, Э-08Х20Н9Г2Б та ін.;

–      для наплавлення поверхневих шарів з особливими властивостями - 44 типи (ГОСТ10051-75) Э-10Г2,3-30Г2ХМ, Э-65X1ШЗ та ін.

В умовних позначеннях типів електродів теплостійких, легованих і для наплавлення цифри після дефісу вказують вміст вуглецю у сотих частках відсотка, а наступні букви й цифри — умовні позначення легуючих елементів та їх вміст у відсотках. Наприклад, умовне позначення типу електрода Э-08Х20Н9Г2Б означає хімічний склад наплавленого металу: 0,08% С, 20% Сг, 9% Ni, 2% Мn, 1% Nb.

2. Марка електрода 

Характеризується складом покриття, маркою електродного дроту, властивостями металу шва. Кожному типу може відповідати одна або декілька марок електродів. Наприклад, марки АНО-21, УОНИ-13/45, ОЗС-3 та ін. відповідають типу електрода Э46.

3. Діаметр електрода 

Згідно ГОСТу 9466-75 може бути від 1,6 до 12 мм (довжиною від 225 до 450 мм). Наприклад, 4,0 — діаметр електрода 4 мм. На упаковках електродів в умовному позначенні часто проставляють тільки знак Ø— діаметр, а числове значення вказують окремо в іншому місці. Діаметри електродів, мм: 1,6; 1,8; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0.

4. Призначення електрода. 

За призначенням електроди класифікують таким чином (букви є умовним позначенням):

•  У — для зварювання вуглецевих і низьколегованих сталей з тимчасовим опором розриву менше 600 МПа;

•  Л — для зварювання легованих конструкційних сталей з тимчасовим опором розриву більше 600 МПа;

•   В — для зварювання високолегованих сталей з особливими властивостями;

•   Т — для зварювання легованих теплостійких сталей;

•   Н — для наплавлення поверхневих шарів з особливими властивостями.

5.  Товщина покриття.

Залежно від відношення діаметра покритого електрода D щодо діаметра електродного стрижня d електроди класифікують так (букви є умовним позначенням):

•  М— з тонким покриттям (D/d < 1,20);

•  С — з середнім покриттям (1,20 < D/d < 1,45);

•  Д — з товстим покриттям (1,45 < D/d < 1,80);

•  Г — з особливо товстим покриттям (D/d > 1,80).

6.  Якість електрода 

Залежить від вмісту шкідливих домішок (сірки, фосфору), точності виготовлення, стану поверхні покриття, суцільності виконаного даними електродами металу шва і класифікується на групи: 1, 2 і 3. Чим вища група, тим краща якість електрода.

7.  Група індексів 

вказує характеристики наплавленого металу і металу шва. В умовному позначенні перші дві цифри після букви Е означають тимчасовий опір розриву σв = 370, 410, 430, і 510 МПа (відповідно 38, 42, 44 і 52 кгс/мм2), третя — відносне видовження δП% і критичну температуру крихкості Тх. Третя цифра характеризує одночасно δ і Тх, а якщо ці показники відповідають різним індексам, то третій індекс установлюють за δ і в дужках наводять додатковий четвертий індекс, який характеризує Тх (табл. 1). Тх — мінімальна температура, при якій ударна в'язкість на зразках з V-подібним скосом кромок не менше 0,35 МДж/м2 (3,5 кгсм/см2).

Індекси металу шва, виконаного електродами для зварювання конструкційних сталей з σв≤ 600 МПа

В умовному позначенні електродів з σв < 600 МПа після букви Е тире не ставиться.

Наприклад, індекси Е 412 (5) означають:

41 - σв = 410 МПа; 2 - δ > 22%; (5) - Тх - - 40°С.

В умовному позначенні електродів для зварювання легованих конструкційних сталей з а„ > 600 МГІа (60 кгс/мм2) група індексів металу шва подвійна. Спочатку вказується хімічний склад шва (принцип маркування для легованих сталей), а потім через дефіс — цифра, яка характеризує Тх.

Наприклад, індекси 09Г2Н10МХ-3 означають:

09 - 0,09% С; Г2 - 2% Мn; Н10 - 10% Ni; М - 1% Мо; X - 1% Сr;   3 - Тх = - 20°С.

Індекс металу шва для зварювання легованих теплостійких сталей згідно ГОСТ у 9467-75 є двозначним. Перша цифра характеризує Тх, а друга — максимальну робочу температуру, при якій регламентовані показники тривалої міцності наплавленого металу й металу шва.

Наприклад, індекси 27 означають:

2 — Тх = 0°С; 7 — тривала міцність, регламентована до температури 580°С.

Робочі температури швів, виконаних електродами для зварювання легованих теплостійких сталей 

Група індексів металу шва для зварювання високолегованих сталей з особливими властивостями складається з чотирьох цифр для електродів, які забезпечують аустенітно-феритну структуру наплавленого металу, і з трьох цифр — для решти електродів. Індекси характеризують стійкість проти міжкристалітної корозії, жароміцність, жаростійкість і кількість фериту в металі шва.

Індекси металу шва в умовному позначенні електродів для зварювання високолегованих сталей з особливими властивостями

Перша цифра характеризує наплавлений метал і метал шва, не схильний до міжкристалітної корозії при випробуваннях.

Друга цифра характеризує максимальну робочу температуру, при якій регламентований показник тривалої міцності, °С.

Третя цифра характеризує максимальну робочу температуру зварних з'єднань, при якій допускається застосування електродів при зварюванні жаростійких сталей, °С.

Четверта цифра характеризує вміст фериту в аустенітно-феритному наплавленому металі, %.

8. Вид покриття. 

За видом покриття (обмазки) електроди класифікують: А (А) — кисле; Б (В) — основне; Р (R) — рутилове; Ц (С) — целюлозне; П (S) — інше; Ж — в покритті більше 20% залізного порошку (в дужках — іноземні умовні позначення виду покриття електродів).

Кисле покриття складається з кислих компонентів (кремнезем, марганцева руда, феромарганець, гематит). При нормальній товщині покриття електроди використовуються у всіх просторових положеннях, а при великій товщині — тільки для зварювання у нижньому положенні. Зварювання виконують постійним і змінним струмом, довгою дугою, на кромках з іржею, без утворення пop. Наявність феромарганцю й оксидів заліза сприяє виділенню токсичних газів, тому виробництво електродів з кислим покриттям скоротилося.

Основне покриття складається з плавикового шпату, карбонатів кальцію й магнію (крейда, магнезит, мармур). Метал шва характеризується високою ударною в'язкістю, стійкістю проти утворення кристалізаційних тріщин. Електроди з основним покриттям використовують для зварювання товстих металів із підвищеним вмістом сірки та фосфору, жорстких конструкцій виробів. Зварюють на постійному струмі зворотної полярності. При добавці калію електроди з основним покриттям використовують на змінному струмі.

Недоліком основного покриття є висока чутливість щодо утворення пop при збільшенні довжини дуги, наявності іржі, масла, окалини й вологи на кромках металу.

Рутилове покриття складається з титанових сполук (рутил, титановий концентрат, ільменіт), які призначені для шлакового захисту, а також целюлози, крейди, мармуру, декстрину - для газового захисту. Розкиснення й легування проводиться феромарганцем. Рутилове покриття забезпечує стабільне горіння дуги на змінному та постійному струмі, легке відділення шлаку, якісне формування шва, низькі витрати металу на розбризкування. Метал шва мало схильний до утворення пop при зварюванні іржавого, вологого та окисненого металу при змінах довжини дуги.

Целюлозне покриття складається з органічних складових (целюлоза, крохмаль, харчове борошно, декстрин), які призначені для газового захисту шлакоутворюючих складових (рутил, карбонати, марганцева руда, алюмосилікати, титановий концентрат). Електроди цього вид}' мають мале покриття й тому їх використовують для зварювання у всіх просторових положеннях на змінному та постійному струмі. Недоліком електродів із целюлозним покриттям є вигоряння органічних компонентів і великі витрати на розбризкування.

Електроди змішаного покриття мають подвійне умовне позначення, яке складається з двох букв. Наприклад, РА — змішане рутилове і кисле покриття. Якщо в покритті міститься більше 20% залізного порошку, то до позначення виду покриття додається буква Ж.

9. Допустиме просторове положення зварювання або наплавлення умовно позначається цифрами і класифікується таким чином:

1    — для всіх просторових положень ;

2    — для всіх положень, крім вертикального зверху вниз;

3    — для нижнього, горизонтального й вертикального знизу вверх;

4    — для нижнього та нижнього «у човник».

Електроди закордонного виробництва мають спеціальне умовне позначення у вигляді стрілок

10. Рід струму й полярність, 

Номінальна напруга холостого ходу джерела живлення зварювальної дуги змінного струму з частотою 50 Гц позначаються цифрами.

Позначення електродів залежно від струму, полярності та номінальної напруги холостого ходу джерела живлення

Цифрою 0 позначають електроди для зварювання й наплавлення тільки на постійному струмі зворотної полярності.

Закордонне умовне позначення роду струму таке: АС — змінний струм, DC - постійний струм.

Основні види електродних покриттів:

Руднокислі електродні покриття містять оксиди заліза і марганцю, кремнезем, велика кількість феромарганцю; для створення газового захисту зони зварювання в покриття вводять органічні речовини (целюлозу, деревне борошно, крохмаль і ін.).

Рутилові електродні покриття отримують значного застосування у зв'язку з розвитком видобутку мінералу рутилу, що складається в основному з двоокису титану TiO2. У покриття, крім рутилу, введені кремнезем, феромарганець, карбонати кальцію або магнію.

Фтористо-кальцієві електродні покриття складаються з карбонатів кальцію і магнію, плавикового шпату та феросплавів.

Органічні електродні покриття складаються з органічних матеріалів, зазвичай з оксіцеллюлози, до якої додані шлакоформуючі матеріали, двоокис титану, силікати та ін. І феромарганець як розкислювача і легуючої присадки.

Електроди для зварювання та наплавлення деталей, вузлів і конструкцій з вуглецевих сталей (типи, марки), бракувальні ознаки електродів

Для зварювання й наплавлення вуглецевих і низьколегованих конструкційних сталей використовуються електроди марок- АНО-1 АНО-4, АНО-21, ОЗС-23, СМ-11, УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, МР-Зс (супер, самовідокремлення шлаку), E6013-LF HYUNDAI (з пониженим димовиділениям, аналог AHO-21), E-7018 G HYUNDAI (з пониженим вмістом водню, аналог УОНИ-13/55) та ін.

Низьколеговані теплостійкі сталі зварюють електродами марок ОЗС-11, ТМЛ-1У, ЦЛ-17 та ін.

Для зварювання високолегованих жароміцних і жаростійких сплавів використовують електроди марок ОЗЛ-6, ГС-1, ЦТ-28 та ін.

Корозієстійкі сталі зварюють електродами марок ОЗЛ-22, ЦЛ-11, АНВ-20, НЖ-13, Е 308L-16N HYUNDAI (аналог ОЗЛ-8), Е 316L-16N HYUNDAI (аналог ЗА-400/10У) та ін.

Для зварювання різнорідних сталей використовують електроди марок: ВИ-ИМ-1, АНЖУ-1, НИАТ-5, ОЗЛ-19 та ін.

Для зварювання і різання під водою застосовують електроди марок АНДР-1, ЗПС-АН1, а для різання на повітрі - АНР-2, АНР-3, АНР-4.

Для наплавлення використовують електроди марок ОЗН-250У, НР-70, ЗОШ-1 та ін.

В Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона створені електроди різного призначення:

- АНО       — для зварювання конструкційних сталей;

- АНВ       — для зварювання високолегованих сталей;

- АНП       — для зварювання високоміцних сталей;

- АНЖР   — для зварювання різнорідних сталей;

- АНЧ       — для зварювання чавунів;

- АНЦ       — для зварювання мідних сплавів;

- УАНА     — для зварювання алюмінію;

- АНГ       — для зварювання методом похилого електрода;

- АНР       — для різання металів.

Вітчизняні підприємства випускають електроди з рутиловим (марка АНО-4, АНО-21, МР-3) та ільменітовим (марка АНО-6) покриттям. Ці електроди придатні для зварювання змінним і постійним струмом і користуються найбільшим попитом завдяки високим зварювальним властивостям, щільності швів при високій вологості покриття, можливості зварювання металу зі слідами іржі та забруднень. З електродами рутилового та ільменітового покриття легко працювати зварникам невисокої кваліфікації.

У менших об'ємах випускають електроди з покриттям основного виду (марки ДСК-50, УОНИ-13/45, УОНИ-13/55 та ін.) для зварювання особливо відповідальних конструкцій постійним струмом зворотної полярності, короткою дугою, з обов'язковим просушуванням.

В ІЕЗ ім. Є. О. Патона розроблено і налагоджено виробництво нового покоління ощадливолегованих електродів, призначених для ручного електродугового зварювання конструкцій з високоміцних сталей. Електроди АНП-9, АНП-10, АНГІ-11, АНП-12 підвищують межу витривалості стикових з'єднань у 1,5-1,7 рази, таврових — у 2 рази порівняно з електродами УОНИ-13/55, АНГІ-2.

Створені нові універсальні електроди з рутил-целюлозним покриттям АНО-36 і з рутиловим покриттям АНО-37, які відповідають типу Э46 і забезпечують «м'яке» горіння дуги, низьке розбризкування металу, добре формування шва. Освоєний випуск нових марок електродів із покриттям основного виду для зварювання труб АНО-ТМ, АНО-ТМ60, АНО-ТМ70, які успішно конкурують з аналогічними японськими електродами LB-52U.

Для зварювання монель-металу та біметалу (вуглецева сталь-бронза) використовують електрод марки В-56У. Електрод марки ОЗЛ-32 призначений для зварювання нікелю, біметалу сталь-нікель та сталі з нікелем.

 Бракувальні ознаки електродів

Найвагомішими факторами, які можуть погіршувати якість електродів, є:

–  механічні пошкодження покриття;

–  насичення покриття атмосферною вологою;

–  старіння покриття.

Унаслідок недбалого користування електродами їх покриття може зруйнуватися. Особливо небезпечні відколи покриття на торці електрода, які в момент запалювання дуги викликають утворення «стартової» пористості шва. У процесі зварювання пошкоджене покриття може відокремлюватися від стрижня, чим погіршує горіння дуги, викликає утворення пop і шлакових включень. Міцність покриття електродів зменшується при збільшенні їх діаметра і товщини покриття. Електроди з механічним пошкодженням покриття основного виду на практиці вибраковують, а інших видів використовують тільки для зварювання невідповідальних виробів.

На якість шва значно впливає підвищений вміст вологи в покритті електродів. При цьому зварювальні властивості електродів погіршуються, викликаючи появу тріщин і пop. Основним джерелом вологи є поглинання її з навколишнього середовища, залишки вологи після термообробки і волога зв'язуючої речовини (рідкого скла). Вміст вологи в покритті залежить від призначення електрода, виду покриття, термообробки і становить від 0,1 до 2% (допустимий вміст вологи в покритті вказують на етикетці даної марки електрода). Найчутливішими до поглинання вологи є електроди з основним видом покриття, а з рутиловим, кислим і змішаним — менше чутливі (вміст вологи 0,5-0,9%). В електродах із целюлозним покриттям вологість повинна становити 1,0-2,0%, а нижча може призвести до появи пop і розбризкування металу.

Старіння електродів залежить від впливу вологи на покриття та стрижень і проявляється в утворенні білого нальоту на поверхні покриття та корозії стрижня. Білий наліт є результатом взаємодії лугів рідкого скла з вуглекислим газом повітря й утворенням карбонатів натрію та калію. Наліт не впливає на зварювальні властивості електродів більшості марок, але посилює поглинання вологи, зменшує механічну міцність покриття. Корозія стрижня (іржавіння) знижує міцність покриття (викликає відшарування), сприяє утворенню пop. Тому низьководневі електроди, покриті іржею, не використовують для зварювання.