Сварные электроды: типы, назначение и принцип работы

Что такое сварные электроды?

Сварные электроды — это проволока, подключаемая к сварочному аппарату для создания электрической дуги. Ток проходит через эту проволоку, образуя дугу, которая генерирует большое количество тепла для плавления и сплавления металла при сварке.

Электрод представляет собой покрытую металлическую проволоку. Она изготовлена из материалов, схожих с металлом, который сваривают. Во-первых, существуют расходные и нерасходные электроды. При ручной дуговой сварке (РДС), также известной как сварка электродом, электроды расходные, что означает, что электрод расходуется в процессе использования и плавляется вместе с швом.

При аргонондуговой сварке (TIG) электроды нерасходные, поэтому они не плавятся и не становятся частью шва. При полуавтоматической сварке в защитном газе (MIG/MAG) электроды представляют собой непрерывно подаваемую проволоку. При сварке флюс-кордной проволокой требуется непрерывно подаваемый расходной тубчатый электрод, содержащий флюс.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Что такое сварка?

Как выбрать сварные электроды?

Покрытые электроды доступны в широком ассортименте типов, каждый из которых обеспечивает различные механические свойства и работает с определенным типом источника сварочного тока. При выборе сварного стержня необходимо учитывать несколько факторов:

1. Свойства основного металла;
2. Предел прочности на разрыв;
3. Сварочный ток;
4. Толщина, форма основного металла и стыковка;
5. Положение сварки;
6. Спецификация и условия эксплуатации;
7. Условия внешней среды на рабочем месте.

Прежде чем включить аппарат и взять в руки держатель электрода, подробнее изучите каждый из этих факторов.

Свойства основного металла

Первый шаг при выборе электрода — определить состав основного металла. Ваша цель — подобрать (или максимально приблизить) состав электрода к типу основного металла, что обеспечит прочный шов. Если вы сомневаетесь в составе основного металла, задайте себе следующие вопросы:

• Как выглядит металл? Если вы работаете с сломанной деталью или компонентом, проверьте внутреннюю поверхность на грубозернистость, что обычно указывает на литой металл.
• Магнитен ли металл? Если основной металл магнитен, скорее всего, это углеродистая или легированная сталь. Если не магнитен, материал может быть марганецистой сталью, аустенитной нержавеющей сталью 300-й серии или цветным сплавом (алюминий, ладь, медь, титан).
• Какие искры дает металл при прикосновении с точило? По эмпирическому правилу, чем больше вспышек в искрах, тем выше углеродное содержание, как в стали марки А-36.

Загрызает ли долото основной металл или отскакивает? Долото входит в более мягкий металл, например, низкоуглеродистую сталь или алюминий, и отскакивает от более твердых металлов, таких как высокоуглеродистая сталь, хромомолибден или чугун.

Предел прочности на разрыв

Для предотвращения трещин и других дефектов шва, подберите минимальный предел прочности электрода к пределу прочности основного металла. Прочность на разрыв палочного электрода можно определить по первым двум цифрам классификации AWS, напечатанных на боку электрода.

Например, цифра «60» на электроде E6011 указывает на то, что наплавной металл дает шов с минимальной прочностью на разрыв 60 000 psi (около 414 МПа) и, следовательно, хорошо подойдет для стали аналогичной прочности.

Сварочный ток

Некоторые электроды можно использовать только с переменным или постоянным током, в то время как другие совместимы с обоими типами. Для определения правильного типа тока для конкретного электрода обратитесь к четвертой цифре классификации AWS, которая обозначает тип покрытия и тип совместимого сварочного тока (см. таблицу ниже).

Тип используемого тока также влияет на профиль прогрева получаемого шва. Например, электрод, совместимый с ПП (прямой полярностью, DCEP), такой как E6010, обеспечивает глубокий прогрев и образует очень короткую дугу. Он также способен «прожигать» ржавчину, масло, краску и грязь. Электрод, совместимый с ОП (обратной полярностью, DCEN), такой как E6012, обеспечивает мягкий прогрев и хорошо подходит для стыковки двух швов или высокоскоростной сварки угловых швов в горизонтальном положении.

Электрод, совместимый с переменным током, такой как E6013, дает мягкую дугу со средним прогревом и должен использоваться для сварки чистого нового листового металла.

Толщина, форма основного металла и стыковка

Толстые материалы требуют электрода с максимальной пластичностью и низким водородом для предотвращения трещин в шве. Электроды с классификацией AWS, заканчивающейся на 15, 16 или 18, обеспечивают отличные низководородные свойства и хорошую вязкость (высокие значения ударной вязкости) для компенсации остаточных напряжений.

Для тонких материалов вам понадобится электрод, дающий мягкую дугу, например 6013. Также электроды меньшего диаметра обеспечат поверхностный прогрев, что поможет предотвратить прожог на тонких материалах.

Также оцените конструкцию шва и стыковку. Если вы работаете со швом с плотной стыковкой или не фасонованным, используйте электрод, дающий «прожигающую» дугу для обеспечения достаточного прогрева, например E6010 или E6011. Для материалов с широким корневым зазором выберите электрод, например E6012, который создает вогнутый лицевой шов, подходящий для перемостки зазоров и наплавки швы.

Положение сварки

Чтобы определить, для каких положений пригоден конкретный электрод, обратитесь к третьей цифре в классификации AWS. Вот как расшифровывается квалификация положения сварки:

• 1 = плоское, горизонтальное, вертикальное и потолковое;
• 2 = только плоское и горизонтальное.

Например, электрод 7018 можно использовать в плоском, горизонтальном, вертикальном и потолковом положениях.

Спецификация и условия эксплуатации

Обязательно оцените условия, которым будет подвергена сварная деталь в процессе эксплуатации. Если она будет использоваться в условиях высокого тепла или низких температур, под воздействием повторных ударных нагрузок, низководородный электрод с более высокой пластичностью снизит вероятность трещин в шве.

Также проверьте сварочные спецификации, если вы работаете над критически важными приложениями, такими как изготовление сосудов под давлением или котлов. В большинстве случаев эти спецификации потребуют использования определенных типов электродов.

Условия внешней среды на рабочем месте

Для достижения наилучших результатов всегда удаляйте избыточный накат, ржавчину, влагу, краску и смазку. Чистый основной металл помогает предотвратить пористость и повышает скорость сварки.

Если очистка основного металла невозможна, электроды E6010 или E6011 дают глубокопрогреваемую дугу, способную прорезать загрязнения.

Как читать код на покрытых электродах?

Американское сварное общество (AWS) имеет систему нумерации, дающую информацию о конкретном электроде, например, для какого применения он лучше всего подходит и как его эксплуатировать для максимальной эффективности.

Цифра	Тип покрытия	Сварочный ток
0	Высокий целлюлозный натрий	DC+
1	Высокий целлюлозный калий	AC, DC+ или DC-
2	Высокий титанистый натрий	AC, DC-
3	Высокий титанистый калий	AC, DC+
4	Железный порошок, титания	AC, DC+ или DC-
5	Низководородный натрий	DC+
6	Низководородный калий	AC, DC+
7	Высокий оксид железа, калиевый порошок	AC, DC+ или DC-
8	Низководородный калий, железный порошок	AC, DC+ или DC-

Буква «E» указывает на электрод для дуговой сварки. Первые две цифры 4-значного числа и первые три цифры 5-значного числа означают предел прочности на разрыв. Например, E6010 означает 60 000 фунтов на квадратный дюйм (psi) прочности на разрыв, а E10018 — 100 000 psi.

Предпоследняя цифра указывает на положение. Так, «1» означает электрод для всех положений, «2» — для плоского и горизонтального, а «4» — для плоского, горизонтального, вертикального вниз и потолкового. Последние две цифры определяют тип покрытия и сварочный ток.

E	60	1	10
Электрод	Прочность на разрыв	Положение	Тип покрытия и тока

Что такое покрытие сварного электрода?

Покрытия электродов должны обеспечивать газозащиту дуги, легкое зажигание и стабильность дуги, защитный шлак, хорошую форму шва и, что наиболее важно, газовый щит, потребляющий окружающий кислород и защищающий расплавленный сварочный металл.

Существует различные типы электродов, тип часто определяется природой покрытия.

Покрытие электрода наносится слоем толщиной 1–3 мм. Вес такого покрытия составляет 15–30% от веса электрода. Большинство сварки выполняется покрытыми электродами. Это ограничивает процесс медленной ручной операцией. Если флюсное покрытие помещено внутрь длинной трубки, электрод может быть в виде голой проволоки в виде катушки.

Тогда защищенно-дуговой процесс может быть сделан непрерывным и автоматическим. Первичная цель легкого покрытия — повысить стабильность дуги; покрытие также называют ионизирующим. Поскольку покрытие электрода хрупкое, могут использоваться только прямые палочные электроды.

Функции покрытий электродов:

• Повышение стабильности дуги за счет предоставления определенных химических веществ, обладающих этой способностью путем ионизации пути дуги;
• Создание защитной газовой атмосферы для предотвращения захвата расплавленным металлом кислорода, водорода и азота;
• Защитный шлак над горячим металлом;
• Предоставление флюса, который помогает удалять оксиды и другие примеси из расплавленных металлов;
• Уменьшение брызг расплавленного металла — когда покрытие сгорает медленнее сердечника;
• Действие в качестве деоксидизатора;
• Замедление скорости остывания шва (за счет защитного слоя шлака) для предотвращения закалки;
• Покрытия обычно являются диэлектриками и поэтому препятствуют использованию электродов в узких канавках и т.д.

Типы покрытий:

Хотя в каждом типе покрытия электрода существуют универсальные характеристики, уникальный химический состав каждого отдельного покрытия обеспечивает разные свойства. Обязательно изучите лучшие области применения каждого покрытия, чтобы выбрать подходящее для вашего проекта.

Целлюлозные:

Эти покрытия состоят примерно из одной трети целлюлозы и двух третей других органических материалов. Под воздействием сварочной дуги материалы разлагаются, образуя три отдельных газа — водород, угарный газ и углекислый газ, которые усиливают дугу. Эта дополнительная сила позволяет току глубже прогревать металл, что приводит к более прочным швам.

Целлюлозные покрытия также выделяют слой газа для защиты ванны шва от примесей. Газовый слой создает барьер между металлом и другими элементами, такими как кислород, азот и водород, которые могут создать пористость в шве. Пористость — яд для шва, поэтому использование электродов с целлюлозным покрытием может помочь обеспечить более качественные швы.

Целлюлозные покрытия бывают в различных химических смесях, каждая со своими уникальными свойствами и лучшими областями применения. Хотя целлюлозный компонент рецепта является общим правилом, дополнительные органические материалы сильно варьируются.

Минеральные:

Минеральные покрытия оставляют слой шлака над швом. Хотя шлак может показаться раздражающим побочным эффектом, он на самом деле служит очень полезной цели. Шлак от минерального покрытия остывает гораздо медленнее, чем при целлюлозном покрытии и сварной материал под ним.

Это дает время примесям выйти на поверхность металла, предотвращая их воздействие на структуру шва.

Смешанные:

Покрытия электродов с комбинацией целлюлозы и минералов — популярный выбор среди сварщиков, потому что они дают лучшее из двух миров. Поскольку эти покрытия могут содержать от нескольких компонентов до более чем 10 различных ингредиентов, химическое разнообразие этих покрытий обеспечивает ряд значительных преимуществ.

Наличие и защитного газа, и шлаковой защиты на шве может быть невероятно полезным при работе с особенно капризными основными металлами.

Наиболее распространенные покрытия электродов:

Хотя существуют определенные применения, требующие специфических покрытий и характеристик, вот пять наиболее распространенных покрытий сварочных электродов, с которыми вы, скорее всего, столкнетесь.

Целлюлозные электроды:

Хорошо подходят для вертикального позиционирования, целлюлозные электроды оставляют очень тонкий, очень легко удаляемый слой шлака. Целлюлозные покрытия при нагреве разлагаются на водород и углекислый газ. Это обеспечивает эффективный защитный газовой слой над ванной шва.

Однако это также может подвергнуть шов риску водородной хрупкости. В чистом виде целлюлозные покрытия лучше работают с постоянным током. Однако добавление различных элементов в покрытие может позволить использовать их и с переменным током. Целлюлозные электроды дают вам всю простоту рутилового покрытия, но с более глубоким прогревом и менее проблемным шлаком.

Рутиловые электроды:

Почти идентичны целлюлозным, главное отличие — более высокий процент диоксида титана. Это создает газовой щит из кислорода, азота, углерода и водорода, делая рутиловые электроды хорошо подходящими для сварки низкоуглеродистой стали.

Однако шлак от рутиловых электродов может оставлять следы титана в отложенном металле. Добавление целлюлозы в покрытия рутиловых электродов обеспечивает дополнительную защиту ванны шва. Эти электроды дают более низкие уровни брызг и выбросов дыма и отлично подходят для использования во всех положениях.

Электроды с оксидом железа:

Хороши для использования как с переменным, так и с постоянным током, электроды с оксидом железа дают шлак, который очень легко удаляется от шва. Химический состав этого покрытия высок в кислороде и может тенденциозно создавать отложения шва, более слабые по общей прочности.

Риск водородной хрупкости, однако, значительно ниже, чем при целлюлозных электродах. Электроды с оксидом железа обеспечивают отличный контроль дуги и позволяют получать аккуратные, точные швы.

Основные (низководородные) электроды:

Также называемые водородоконтролируемыми электродами, эти электроды требуют немного больше заботы перед сваркой. Электроды должны храниться в сухом месте и выдерживаться перед использованием. Несоблюдение этого может создать нестабильный химический состав покрытия, приводящий к нарушению структуры шва.

Основные электроды откладывают низкий, контролируемый уровень водорода, что минимизирует риск пористости и трещин в шве. При правильном хранении и обслуживании эти электроды — отличный вариант для работы со сталью.

Электроды с железным порошком:

Эти электроды являются вариациями других покрытий, полученными в результате добавления железного порошка в смесь. Металлические порошки становятся все более популярным добавлением в смеси покрытий электродов, так как они могут помочь повысить эффективность и общее качество шва. Электроды с железным порошком — распространенная вариация целлюлозных электродов, позволяющая использовать их с переменным током.

При работе с типом сварки, требующим отдельных покрытых электродов, понимание различных доступных вариантов может определить успех или провал проекта. Не забывайте учитывать дополнительные факторы — такие как положение, предел прочности и сердечные металлы — при выборе электрода.

Типы сварных электродов

Стержни, используемые для MIG и сварки электродом, являются примерами расходных электродов. Они содержат наплавной материал, который плавляется для создания сварных соединений.

Аргонондуговая сварка (TIG), с другой стороны, использует нерасходные электроды. Эти электроды состоят в основном из вольфрама, который не плавляется (в отличие от расходных электродов) из-за своей высокой температуры плавления. Он лишь подает электрическую дугу для сварки. Наплавной материал подается с помощью проволоки, которая подается вручную.

Таким образом, главное различие между ними в том, что расходные электроды плавятся, тогда как нерасходные — нет.

У каждой категории есть несколько типов электродов.

Расходные электроды

Расходные электроды — ключ к сварке электродом, MIG и сварке флюс-кордной проволокой. Расходные электроды, используемые для сварки электродом, называются палочными электродами. К ним относятся тяжело-покрытые электроды, защищенно-дуговые и легкопокрытые электроды.

1. Легкопокрытые электроды

Как следует из названия, легкопокрытые электроды имеют тонкое покрытие на своей поверхности, наносимое методами вроде распыления и кистевания.

Эти электроды и их покрытия изготавливаются из нескольких разных материалов. Наплавной материал во многом похож на основной металл, который сваривается.

Легкое покрытие также служит другой важной цели. Оно уменьшает примеси, такие как сера и оксид, для получения шва лучшего качества. Оно также обеспечивает более равномерное плавление наплавного материала, чтобы вы могли создать гладкий, выглядящий надежно шов.

Поскольку покрытие тонкое, образующийся шлак не слишком толстый. Защищенно-дуговые электроды имеют некоторые сходства с легкопокрытыми. Главное отличие в том, что у них более толстое покрытие. Эти тяжелые электроды подходят для более требовательных сварочных приложений, например, сварки чугуна.

2. Голые электроды

Использование голых электродов может быть сложным, потому что дуга немного нестабильна и трудна в управлении. Легкое покрытие повышает стабильность электрической дуги, тем самым облегчая управление. Голые электроды имеют ограниченные применения. Например, они используются для сварки марганецистой стали.

3. Защищенно-дуговые электроды

Защищенно-дуговые электроды имеют три разных типа покрытий, служащих разным целям. Один вид покрытия содержит целлюлозу и использует защитный газовой слой для защиты зоны шва. Второй тип покрытия содержит минералы, образующие шлак. Третий вид покрытия имеет комбинацию минералов и целлюлозы.

Защищенно-дуговые электроды генерируют защитный газовой слой, который формирует эффективный барьер для защиты горячей зоны шва от загрязнения и коррозии окружающим воздухом. Это приводит к более прочным и надежным швам. Нагретая зона шва должна быть защищена от атмосферных газов, таких как азот и кислород, которые реагируют с высокотемпературным металлом, образуя хрупкие, пористые и слабые швы.

Защищенно-дуговые электроды минимизируют серу, оксиды и другие типы примесей в основном металле для получения регулярных, гладких и чистых швов. Эти покрытые электроды также создают более стабильную электрическую дугу по сравнению с голыми электродами, что делает сварку более управляемой и уменьшает брызги.

Защищенно-дуговые электроды также образуют шлак из-за минерального покрытия. Этот шлак кажется хлопотой для удаления, но он служит полезной цели. Он остывает гораздо медленнее по сравнению с защищенно-дуговыми электродами. Этот процесс выводит примеси на поверхность. Следовательно, вы получаете высококачественные швы, которые чистые, долговечные и прочные.

Нерасходные электроды

Нерасходные электроды проще для понимания не только потому, что они не плавятся, но и потому, что их всего два типа.

1. Углеродные электроды

Первый вид — углеродный электрод, используемый как для резки, так и для сварки. Этот электрод изготовлен из углеродистого графита. Он может быть покрыт медным слоем или оставлен голым.

Американское сварное общество не издавало спецификаций для этого вида электрода. Однако существуют военные спецификации для углеродных электродов.

2. Вольрамовые электроды и их разновидности

Второй вид нерасходного электрода — вольрамовый электрод, используемый для TIG-сварки. Эти электроды состоят из чистого вольфрама (с зелеными маркировками), вольфрама с 0,3–0,5% циркония (бурые маркировки), вольфрама с 2% тория (красные маркировки) и вольфрама с 1% тория (желтые маркировки).

Нерасходные электроды из чистого вольфрама имеют ограниченное применение и подходят для легких сварочных работ. Есть две причины. Во-первых, чистый вольфрам не обладает долговечностью и прочностью вольрамовых сплавов. Во-вторых, чистый вольфрам может испытывать проблемы с высокими токами.

Вольрамовые электроды с 0,3–0,5% циркония дают отличные результаты с переменным током. Они улучшают чистый вольфрам, но не так хороши, как вольрамовые электроды с торием.

Вольрамовые электроды с 1–2% тория — одни из самых широко используемых нерасходных электродов, так как они служат дольше и имеют более высокое сопротивление, чем другие виды вольрамовых электродов. Их можно использовать для более высоких токов по сравнению с электродами из чистого вольфрама. Эти электроды также обеспечивают более высокий контроль дуги и легче зажигаются.

При использовании вольрамового электрода лучше использовать максимально допустимый ток, если они имеют обычную цилиндрическую форму, иначе становится трудно контролировать дугу и поддерживать её.

Для лучшего контроля дуги и стабильности следует заточать концы этих электродов в конус, то есть сделать концы коническими. Если вы это сделаете, вам придется выбрать контактное зажигание вместо аппаратов постоянного тока.

Помните, что вольрамовые электроды с торием и цирконием будут иметь улучшенную долговечность по сравнению с чистыми вольрамовыми электродами, если вы выберете конические электроды с контактным запуском.