РУЧНЕ ДУГОВЕ ЗВАРЮВАННЯ

 

Ручне дугове зварювання (РДЗ) покритим електродом, відоме в усьому світі як MMAW (Manual Metal Arc Welding) і відповідно до STN EN ISO 4063, позначене як метод 111, є методом зварювання плавленням. Джерелом тепла є електрична дуга, яка під час зварювання горить між кінцем оплавленого покритого електрода та основним матеріалом (рис. 12). Додатковий матеріал (електрод з покриттям) складається з металевого сердечника та покриття. Під час горіння електричної дуги вона поступово плавиться і у вигляді крапель переходить у зварювальну ванну, утворюючи значну частину наплавленого металу. Переміщення електрода ручне і виконується зварювальником.

 

Металургійні процеси під час РДЗ

Найбільший вплив на перенесення металу від плавленого електрода до зварювальної ванни мають силові дії струму, хімічні реакції, поверхневий натяг і динамічні газові сили. Ці фактори мають вирішальний вплив на розбризкування наплавленого металу, глибину зварного шва та загальну якість зварного з’єднання. Виходячи з процесу утворення, відриву і прискорення крапель металу в дузі, перенесення металу може бути без короткого замикання і короткозамикаючим.

 

 

 

   У разі передачі без короткого замикання краплі металу виділяються на кінці електрода, що плавиться, і переміщуються через електричну дугу в зварювальну ванну.

   При короткому замиканні (характерному для ручного дугового зварювання) зростаюча крапля розплавленого металу з електрода вступає в контакт з основним матеріалом до того, як вона відокремиться від електрода, виникає коротке замикання.

Розмір крапель розплавленого металу під час зварювання залежить від величини зварювального струму, матеріалу сердечника електрода та покриття електрода. Коли краплі проходять через електричну дугу, вуглець, кремній і марганець частково згоряють. Небажані кисень, азот і водень потрапляють у наплавлений метал.

   Кількість теплоти в процесі зварювання використовується для розплавлення основного (зварюваного) матеріалу, додаткового матеріалу (електрода), перегріву і випаровування металу і його втрати в навколишнє середовище.

Параметри ручного дугового зварювання

На форму, розмір і якість зварного з'єднання впливають:

-        величина зварювального струму (Iz),

-        напруга дуги (Uzv),

-        вид зварювального струму і полярність підключення,

-        швидкість зварювання (vzv),

-        покриття електрода та його діаметр.

-        товщина зварюваного матеріалу

 

Зварювальний струм

    Його розмір залежить від діаметра електродів, товщини зварюваного матеріалу, рівня легування електродів, покриття електродів, місця зварювання та геометричної форми фаски в місці зварювання.

     Величина зварювального струму Iz в залежності від діаметра d металевого сердечника електрода розраховується зі співвідношення:

• для електродів з кислотним покриттям                  Iz = 50.d         [A]      (1)
• для електродів з основним і рутиловим покриттям Iz = 40.d         [A]      (2)

 

    Нижчі зварювальні струми приблизно на 10-30% потребують високолегованих електродів (наприклад, аустенітних) через вищий електричний опір сердечника електрода, який перегрівається та погіршує функцію покриття, а також з металографічних причин (вигоряння сплавів, утворення гарячих тріщин тощо)

  Перевищення зварювального струму вище значень, рекомендованих виробником, погіршує експлуатаційні властивості електродів і якість наплавленого металу. Чим більше Iz, тим більше зварний шов, швидкість плавлення присадочного матеріалу.

     Малий зварювальний струм знижує стабільність горіння дуги, зменшує глибину шва і знижує продуктивність зварювання.

 

Зварювальна напруга

 

   Висота зварювальної напруги при РОЗ залежить від довжини зварювальної дуги, її електрофізичних властивостей і щільності струму. Довжина зварювальної дуги безперервно регулюється зварником шляхом ручної подачі електрода в осьовому напрямку до місця зварювання, компенсуючи таким чином його оплавлення. Якщо довжина дуги падає нижче мінімального значення lmin, електрод прилипає до основного матеріалу, і дуга гасне. Якщо довжина дуги перевищує максимальне значення lmax, порушується газовий захист дуги, з’являються пори в наплавленому металі, знижується стабільність дуги (наприклад, дуття дуги над поверхнею), а потім зварювальна дуга згасне.

    Оптимальна довжина дуги дорівнює діаметру сердечника електрода для електродів з кислотним покриттям, а для основних електродів довжина дуги дорівнює 0,5 діаметра сердечника електрода.

    При зварюванні електродами з основним покриттям застосовують напругу 20-25 V, електродами з кислотним покриттям - 28-32 V.

 

Вид зварювального струму і полярність електрода

 

При зварюванні можна використовувати:

-        постійний струм (найчастіше використовується в РДЗ),

-        змінний струм

 

Основний і рутиловий електроди для нержавіючих матеріалів підключаються до позитивного полюса (непряма полярність). Звичайні рутилові та кислотні електроди підключаються до негативного полюса (пряма полярність).

При непрямій полярності змішування наплавленого металу з основним матеріалом пригнічується. При прямій полярності виходить більша глибина шва.

 

Швидкість зварювання

 

    Швидкість руху електрода має великий вплив на якість шва. Разом зі зварювальним струмом і напругою він безпосередньо пов'язаний з питомою теплоємністю зварювання, яка має вирішальний вплив на деформації та залишкові напруги в зварних швах. Швидкість зварювання також опосередковано залежить від розміру зварювальної ванни, типу і діаметра електродів.

   При високій швидкості зварювання утворюється тонкий пористий валик з великою кількістю домішок і недостатньою текучістю. При низькій швидкості зварювання відбувається перегрів розплавленого металу і великий термічний вплив зварюваного матеріалу.

    На практиці електрод розгойдується в сторони, що розподіляє надходження зварювального тепла в сторони на більшу площу матеріалу

    Швидкість просування електрода в шов залежить від швидкості плавлення електрода.

 

Діаметр електрода

   Діаметр електрода тісно пов'язаний зі зварювальним струмом. При його виборі необхідно враховувати:

-        -   товщину зварюваних матеріалів - (діаметр електрода повинен бути менше товщини зварюваних матеріалів),

- положення зварювання - (в положеннях PC, PD, PE, PF проблеми з формуванням металу шва, для основних і рутилових електродів зварювання виконується з діаметром макс. 4 мм, а для кислотних електродів макс. 3,2 мм),

-        -   необхідну продуктивність зварювання - (вибираються більші діаметри електродів і зварювання проводиться в положенні PA),

-        -    доступність електрода до місця зварювання,

-        -   ширину кореневої щілини - (менші діаметри електродів переважно використовуються для кореневих шарів)

 

Електрична дуга запалюється шляхом дотику (замикання) електрода до зварюваного матеріалу та його віддалення. Тримання та направлення електрода залежить від умов зварювання.

 

Додаткові матеріали для ручного дугового зварювання

 

 Електроди для ручного дугового зварювання вибирають відповідно до призначення наплавленого металу (несучі шви, шви з особливими властивостями, художнього призначення та ін.). Для зварних швів вибирають електроди, які створять метал шва, схожий на або має такі ж властивості, як і зварні матеріали.

  Для електродугового зварювання використовують покриті електроди (товсті, середні і тонкі).

 

Електрод для РДЗ складається з сердечника і покриття.

 

Сердечник складається з дроту, виготовленого напр. з нелегованої, низьковуглецевої сталі для групи нелегованих або низьколеговані електроди, або аустенітну сталь типу 18/8 (Cr/Ni) для групи аустенітних електродів. Умова використання електродів з таким самим або подібним хімічним складом, як у зварювального матеріалу, стає можливою завдяки хімічному складу покриття електрода.

 

Виробництво покритих електродів

 

   Жильний дріт виготовляють шляхом протягування його через фільєри до встановленого розміру. Дріт після волочіння декапують для видалення окалини, бруду та жиру. Його випрямляють, а потім розрізають на стандартні відрізки.

    На дроти методом пресування або занурення наносять обгортковий матеріал, який складається з (іонізуючих, газоутворюючих і шлакоутворюючих) компонентів, подрібнених до заданої зернистості. Вони з'єднуються зв'язуючими (водяним склом, крохмалем і гелем) в щільну масу.

На електродах перевіряють ексцентриситет нанесеного покриття, потім електроди сушать, маркують і пакують.

 

Покриття електрода виконує такі функції:

 

• Електричну – в пакриття додані іонізуючі речовини, які покращують запалювання електричної дуги та стабілізують її горіння. У пакриття додані елементи, що підвищують іонізацію електронів: K, Na, Ca, Al і оксиди титану. На стійкість електричної дуги негативно впливає фтор, який поглинає вільні електрони.
• Фізичну - забезпечує захист розплавленого металу від доступу О2 і Н з навколишньої атмосфери, уповільнює охолодження наплавленого металу, полегшує зварювання на місцях. Він компенсує поверхневі напруги металу шва, покритого шлаком, таким чином сприяючи кращому формуванню металу шва.

Металургійну – захищає розплавлений метал від впливу навколишньої газової атмосфери шляхом створення захисного середовища CO2, частково CO. Цей захист відбувається під час термічної дисоціації карбонатів (CaCO3, MgCO3, BaCO3) відповідно до рівняння CaCO3 = CaO + CO2 або шляхом термічної дисоціації органічних речовин, напр. целюлоза. Забезпечує розкислення металу шва елементами (Mn, Si, Ti, Al, Zr) з більш високою спорідненістю до кисню, ніж Fe. 

 

Дозволяє рафінувати метал шва шляхом зменшення вмісту S і P за допомогою Ca або Mn. Сполуки CaS і MnS мають більш відповідну морфологію в металі шва, ніж FeS. Останнім найважливішим металургійним завданням пакету є легування металу шва елементами (C, Mn, Si, Cr, Mo, Ni, V, Al та ін.) За допомогою цих легуючих елементів можна регулювати хімічний склад металу шва, який буде відповідати хімічному складу зварюваних матеріалів.

 

Від шлаку вимагається можливість легкого видалення шлаку з поверхні зварних швів (особливо в корені зварних з’єднань), менша питома вага порівняно з металом шва, нижча температура плавлення та в’язкість під час покриття зварного шва.

 

Типи покритих електродів для РДЗ визначені STN EN ISO 2560

      A = кислотна оболонка

      C = целюлозна оболонка

     ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

      R = рутилова оболонка

      RR = груба рутилова оболонка

      RC = оболонка з рутилової целюлози

      RA = оболонка рутилової кислоти

      RB = покриття на основі рутилу

      –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

      B = базова оболонка

 

Електроди з кислотним покриттям (А) – покриття містить SiO2, оксиди заліза та феромарганець. При зварюванні електрод дає можливіть тонко розтікатися металу, непридатний для зварювання в положеннях. Завдяки високому вмісту О2 і оксидів наплавлений метал має найгірші пластичні властивості і міцність порівняно з основним і рутиловим металом шва. Він зварює з більшою щільністю струму, ніж електроди з оболонками B і R, що забезпечує глибоке проплавлення та вищу швидкість зварювання. Підходить для зварювання постійним струмом (електрод на полюсі) і змінним струмом.

 

Електроди з органічним покриттям (целюлоза) (С) – оболонка містить целюлозу, декстрин, крохмаль, торф та інші органічні речовини. Під час зварювання утворюється велика кількість захисного газу з невеликою кількістю шлаку. Електроди призначені для зварювання газопроводів, забезпечують високу швидкість зварювання в положенні PG. Електроди містять відносно велику кількість Н2 в оболонці та схильні до намокання. Наплавлений метал має гірші пластичні властивості, ніж основні електроди. Перевагою електродів є висока швидкість зварювання.

 

Електроди з рутиловим покриттям (R) – покриття містить рутил (TiO2). Електроди придатні для зварювання у всіх положеннях. Для них потрібна коротка зварювальна дуга і правильно встановлені параметри зварювання. Рутил покращує умови іонізації під час запалювання дуги, що в основному використовується при зшиванні. Хороша іонізація дозволяє зварювати змінним струмом. Для зварювання постійним струмом електрод підключається до полюса +.

 

Електроди з основним покриттям (В) - покриття містить основні речовини (карбонат кальцію, фтористий кальцій - буре вугілля, феросплави та ін.). На практиці найбільш широко використовується тип електрода. Наплавлений метал густо рідкий, що дозволяє зварювати у всіх положеннях. Наплавлений метал має високу в'язкість. Підходить для зварювання постійним струмом (електрод на полюсі). Електроди чутливі до вологи в оболонці, що може спричинити пористість шва, якщо оболонка недостатньо висушена.

 

Електроди з перехідними видами покриття (RR, RC, RA, RB) - дозволяють отримати компромісні властивості окремих основних типів покриття. Вони забезпечують можливості підвищення міцнісних властивостей із збільшенням експлуатаційних властивостей тощо.

 

Всі загорнуті електроди чутливі до атмосферної вологи, тому перед зварюванням їх необхідно просушити в сушарці протягом часу, встановленого виробником.

 

Стандартизовані розміри електродів:

 

Діаметри покритих електродів: f 2,0; 2,5; 3.15; 4; 5; 6.3; 8 мм

Довжина електродів: 200; 250; 300; 350; 450 мм

 

Маркування електродів для РДЗ

 

Повне позначення: ISO 2560 - A* E 46 3 1Ni B 54 H5

 

Обов'язкова частина: ISO 2560 - A * E 46 3 1Ni B

 

Де ISO 2560 - A*      =          номер стандарту.

      E                           =          електрод з покриттям / ручне дугове зварювання.

      46                         =          властивості міцності та пластичність

      3                           =          ударні властивості

      1Ni                       =          хімічний склад металу шва

      B                           =          тип покриття електрода.

      5                           =          продуктивність і тип струму

      4                           =          положення зварювання згідно з EN 1597 – 3.

      H5                         =          вміст водню

 

Стандарт ISO 2560 – A -      визначає електроди з покриттям на основі межі текучості та мінімальної ударної роботи 47 J

Стандарт ISO 2560 – B -       визначає електроди з покриттям на основі міцності на розрив і мінімальної ударної роботи 27 J

 

Підготовка зварних поверхонь

 

   Зварні поверхні готують до заданої форми шляхом обробки стружки /точіння, фрезерування, стругання, шліфування та ін./ або різанням киснево-ацетиленовим полум'ям.

   Основний матеріал перед зварюванням, якщо він не очищений від мастила після відколів або бруду, повинен бути ретельно знежирений і очищений в місцях майбутнього 

шва. Зварювальні поверхні оброблені корундом. Жир і домішки в металі шва негативно впливають на якість (міцність) зварного шва.

  Підготовка зварних поверхонь передбачена стандартом STN EN ISO 9692-1 "Зварювання та споріднені процеси". Рекомендації щодо спільної підготовки. Частина 1: Ручне дугове зварювання, зварювання в  атмосфері захисного газу, газове зварювання, зварювання TIG та електронно-променеве зварювання сталей».

    Для товщини листа до 3 мм застосовуються односторонні шви без укосів. При можливості двостороннього зварювання можливе зварювання без укосів до товщини 6 мм. При використанні електродів глибокого зварювання ці параметри можна збільшити вдвічі. При виборі фасок V, X, U вирішальними є товщина матеріалу, наявність і розмір шва.