Технология ручной сварки

Общие сведения

Ручная сварка стержневыми электродами (номер процесса 111) относится к технологиям сварки плавлением, а точнее к технологиям электродуговой сварки плавящимся электродом. Стандарт ISO 857-1 (издание 1998) следующим образом определяет сварочные процессы этой группы (в переводе с английского): Электродуговая сварка плавящимся электродом: процесс электродуговой сварки с использованием электрода, расплавляемого в процессе сваривания.

Электродуговая сварка плавящимся электродом без защитного газа: электродуговая сварка плавящимся электродом без подаваемого извне защитного газа и ручная электродуговая сварка плавящимся электродом: Электродуговая сварка, выполняемая вручную с использованием покрытого электрода.

В Германии последняя технология называется ручной сваркой стержневыми электродами или коротко ручной сваркой. Она характеризуется тем, что электрическая дуга горит между плавящимся электродом и сварочной ванной. Внешняя защита не используется, любая защита от воздействия атмосферы исходит от самого электрода. Таким образом, электрод является еще и сварочной присадкой. В покрытие входят шлак и (или) защитный газ, которые помимо всего прочего защищают каплю и сварочную ванну от содержащихся в атмосфере кислорода, азота и водорода.

Род сварочного тока

Для ручной сварки стержневыми электродами в принципе может использоваться как постоянный, так и переменный ток, но не все типы оболочек стержневых электродов свариваются при синусоидальном переменном токе, например, им не свариваются электроды с чисто основным покрытием. При сваривании постоянным током большинства типов электродов электрод подключается к отрицательному, а изделие - к положительному полюсу. Исключением являются опять же основные электроды. Они лучше свариваются при подключении к положительному полюсу. То же относится и к определенным видам целлюлозных электродов. Подробнее об этом можно прочитать в разделе 2.3 Типы электродов.

Электрод - это инструмент сварщика. Он вводит горящую на нем дугу в сварное соединение и при этом расплавляет кромки шва.

В зависимости от типа соединения и толщины основного материала для этого необходимы различные силы тока. Так как допустимая нагрузка по току электродов, в зависимости от их диаметра и длины, ограничена, выпускаются стержневые электроды различной длины и диаметра. При увеличении диаметра основного стержня можно использовать более высокие сварочные токи. 

Типы электродов

Составы электродов различных типов могут очень сильно отличаться друг от друга. Состав покрытия определяет характер расплавления лектрода, его сварочные свойства и показатели качества металла шва.

При этом следует различать основные и смешанные типы. Используемые как условные обозначения буквы происходят от английских терминов. Здесь буква C=cellulose (целлюлоза), A=acid (кислый), R=rutile (рутил) und B=basic (основной). В Германии основную роль играет рутил. Покрытие стержневых электродов может быть тонким, средним и толстым. Поскольку покрытие рутиловых электродов может быть любой толщины, для электродов с толстым покрытием было введено отдельное обозначение RR. У легированных и высоколегированных электродов такого разнообразия покрытий нет. У стержневых электродов для сваривания нержавеющих сталей, которые регламентированы в DIN EN 1600, различают, к примеру, электроды с рутиловым и основным покрытием, как и у электродов для сваривания жаропрочных сталей (DIN EN 1599), однако и в этом случае среди рутиловых электродов есть смешанные рутилово-основные типы, что впрочем никак не проявляется в обозначениях. Это относится, например, к электродам, имеющим лучшие свойства при проведении сварочных работ в стесненных условиях. Стержневые электроды для сваривания высокопрочных сталей (DIN EN 757) выпускаются только с основным покрытием. 

Свойства отдельных типов покрытий

Состав и толщина покрытия имеют определяющее воздействие на сварочные характеристики. Это относится как к стабильности электрической дуги, так и переходу материала при сваривании и вязкости шлака и сварочной ванны.

Особенное значение при этом имеет размер переходящих в дуге капель. Целлюлозный тип характеризуется переходом материала в виде средних или крупных капель. Покрытие состоит большей частью из органических компонентов, сгорающих в дуге и образующих при этом защитный газ для защиты места сварки. Так как покрытие содержит кроме целлюлозы и других органических веществ лишь небольшие доли стабилизирующих дугу элементов, при сваривании почти не образуется шлака. 

Электроды с покрытием целлюлозного типа особенно хороши для сварки вертикальных швов сверху вниз, так как при их использовании не нужно опасаться опережающего выделения шлака.

Кислый тип, при котором покрытие большей частью состоит из железной и марганцевой руды, выделяет в атмосферу дуги большие количества кислорода. Кислород проникает в металл шва и снижает его поверхностное натяжение. В результате получается переход материала в форме мелких капель и жидкий металл шва. Поэтому электроды такого типа не подходят для сварки в стесненных условиях. Кроме того, температура дуги очень сильно повышается, в результате чего становится возможным высокая скорость сварки, но появляется опасность подрезов. Описанные недостатки при вели к тому, что электроды с покрытием чисто кислотного вида в Германии практически не используются. Их место занял рутилово-кислый тип покрытия (RA), то есть тип, являющейся смесью кислого и рутилового покрытия. Такой электрод обладает соответствующими сварочными характеристиками.

Покрытие рутилового типа (R/RR) большей частью состоит из диоксида титана в форме минерального рутила (TiO2) или ильменита (TiO2 . FeO) либо из искусственного диоксида титана. Электроды этого типа также характеризуются переходом материала в форме мелких или средних капель, спокойным расплавлением с малым количеством брызг, очень тонким рисунком шва, хорошей удаляемостью шлака и легким повторным зажиганием. Последнне качество есть только у тех электродов с рутиловым покрытием, которые содержат большие доли TiO2. Это означает, что повторное зажигание уже оплавленного электрода возможно без удаления кратера покрытия.

Образованная в кратере пленка шлака обладает - при достаточно высоком содержании TiO2 - практически проводимостью полупроводника, так что при установке кромки кратера на изделие возникает достаточно тока, чтобы зажигание дуги произошло и без соприкосновения стержня и изделия. Подобное спонтанное повторное зажигание всегда важно в тех случаях, когда процесс сваривания часто прерывается, например, при сваривании коротких швов.

Помимо чисто рутилового типа в эту группу покрытий входят и некоторые смешанные типы. Среди них следует упомянуть рутилово- целлюлозный тип (RC), в котором часть рутила заменяется целлюлозой. Так как при сварке целлюлоза сгорает, образуется меньше шлака. Поэтому этот тип может использоваться и при сваривании вертикальных швов, свариваемых сверху вниз (поз. PG). Но он обладает хорошими сварочными характеристиками и в других положениях. Другой смешанный тип - это рутилово-основной Typ (RB). Это покрытие несколько тоньше, чем покрытие типа RR. Это, а также особая шлаковая характеристика делают его особенно подходящим для сварки в вертикальном положении снизу вверх (PF).

Существует еще основной тип (В). В этом случае покрытие большей частью состоит из основных оксидов кальция (CaO) и магния (MgO), к которым в качестве разбавителя шлака примешивается плавиковый шпат (CaF2). Плавиковый шпат в больших долях ухудшает свариваемость при переменном токе. Поэтому чисто основные электроды нельзя сваривать при синусоидальном переменном токе, однако существуют и смешанные типы с меньшим содержанием плавикового шпата в покрытии, которые можно использовать при таком роде тока. Переход материала основных электродов характеризуется средними и крупными каплями, а сварочная ванна получается вязкотекучей. Электрод используется для сварки в любых положениях. Но вследствие повышенной вязкости металла шва наплавленные валики получаются несколько более выпуклыми и грубыми. Металл шва обладает очень хорошими свойствами вязкости. Основные покрытия гигроскопичны. Поэтому следует тщательно обеспечивать сухость атмосферы при хранении таких электродов. Влажные электроды следует просушить. Однако, при сваривании сухих электродов металл шва обладает очень низким содержанием водорода.

Кроме электродов с нормальным выводом (≤105%) существуют и такие, которые благодаря железному порошку, добавляемому поверх покрытия, обладают большим выводом, большей частью >160 %. Такие электроды называются электродами с железным порошком в покрытии или высокопроизводительными электродами. Благодаря высокой производительности при расплавлении их применение в большинстве случаев более экономически оправданно, чем применение нормальных электродов, тем не менее область их использования, как правило, ограничена вертикальным (РА) и горизонтальным (РВ) позициями.