Некоторые материалы покрытия выполняют несколько функций. Например, мрамор является газообразующим, шлакообразующим и стабилизирующим минералом

Покрытия сварочных электродов

Электродные покрытия могут создаваться по-разному. В одних возможно преобладание газообразующих компонентов, в других – шлакообразующих. В качестве газообразующих компонентов могут применяться минералы или органические соединения. Выведение из металла шва водорода может осуществляться с помощью фтора или кислорода. В различной степени может выполняться очистка металла шва от нежелательных включений, в том числе от фосфора и серы.

В зависимости от используемого подхода выделяют четыре базовых типа покрытия.

Кислое покрытие (обозначается по ГОСТ 9466-75 буквой «А») создается на основе материалов рудного происхождения. В качестве шлакообразующих компонентов используются оксиды, газообразующих – органические составляющие. При плавлении покрытия в расплавленном металле и в зоне горения дуги выделяется большое количество кислорода. Поэтому в покрытие добавляют много раскислителей – марганца и кремния.

Преимущества кислого покрытия электродов:

• низкая склонность к образованию пор при удлинении дуги и при сварке металла с окалиной и ржавыми кромками;
• высокая производительность сварки за счет выделения теплоты при окислительных реакциях;
• стабильное горение дуги при сварке на постоянном и переменном токе.

К недостаткам этого покрытия относятся пониженные пластичность и ударная вязкость металла шва, что связано с невозможностью легирования шва из-за окисления легирующих добавок. Ввиду отсутствия в покрытии кальция в металле шва присутствуют сера и фосфор, повышающие вероятность образования кристаллизационных трещин. Одним из главных недостатков данного покрытия является выделение большого количества вредных примесей вследствие повышенного содержания в аэрозолях соединений марганца и кремния. Поэтому сварочные электроды с кислым покрытием используются в последнее время редко.

Область применения электродов с кислым покрытием – сварка неответственных конструкций из низкоуглеродистых сталей.

Основное покрытие (обозначается по ГОСТ 9466-75 буквой «Б») создается на основе фтористых соединений (плавиковый шпат CaF2), а также карбонатов кальция и магния (мрамор CaCO3, магнезит MgCO3 и доломит CaMg(CO3)2). Газовая защита осуществляется за счет углекислого газа, который выделяется при разложении карбонатов:

CaCO3 → CaO + CO2

С помощью кальция металл шва хорошо очищается от серы и фосфора. Фтор вводится в ограниченных количествах (чтобы сохранить стабильность горения дуги) и связывает водород и пары воды в термические стойкие соединения:

CaF2 + H2O → CaO + 2HF
2CaF2 + 3SiO2 → 2CaSiO3 + SiF4
SiF4 + 3H → SiF + 3HF

Из-за низкого содержания водорода в металле шва сварочные электроды с основным покрытием также называют «низководородными».

Преимущества основного покрытия электродов:

• низкая вероятность образования кристаллизационных трещин, высокая пластичность и ударная вязкость металла шва, обусловленные малым содержанием в наплавленном металле кислорода и водорода, а также его хорошим рафинированием;
• высокая стойкость против хладноломкости – появлению или возрастанию хрупкости с понижением температуры;
• широкие возможности легирования ввиду низкой окислительной способности покрытий;
• меньшая токсичность по сравнению с кислыми покрытиями;
• повышенный коэффициент наплавки при введении железного порошка.

Недостатки основного покрытия:

• склонность к образованию пор при увеличении длины дуги, повышении влажности покрытия, наличии ржавчины и окалины на свариваемых кромках, что требует более высокой квалификации сварщика, а также необходимости в предварительной очистке кромок и прокалке электродов перед сваркой;
• более низкая устойчивость горения дуги из-за фтора, имеющего высокий потенциал ионизации, в связи с чем сварку электродами с основным покрытием обычно выполняют короткой дугой на постоянном токе обратной полярности.

Область применения электродов с основным покрытием:

• сварка ответственных конструкций из углеродистых сталей, работающих при знакопеременных нагрузках или отрицательных температурах до -70°C;
• сварка конструкционных, жаропрочных, коррозионно-стойких, окалиностойких, а также других специальных сталей и сплавов;
• сварка легированных сталей.

В связи с присутствием в аэрозолях фтористых соединений при сварке в закрытом помещении необходимо обеспечение качественной вентиляции воздуха, а сварщикам рекомендуется работать со средствами индивидуальной защиты дыхательных органов или с подачей чистого воздуха в зону дыхания.

Фото. Известные марки сварочных электродов с основным покрытием: ESAB OK 48.00 (слева) и УОНИ 13/55 российских производителей (справа)

Рутиловое покрытие (обозначается по ГОСТ 9466-75 буквой «Р») создается на базе рутилового концентрата TiO2, обеспечивающего шлаковую защиту, а также алюмосиликатов (полевой шпат, слюда, каолин) и карбонатов (мрамор, магнезит). Газовую защиту обеспечивают карбонаты и органические соединения (целлюлоза). В качестве легирующего компонента и раскислителя используется ферромарганец, в некоторые покрытия вводится железный порошок (обозначаются по ГОСТ 9466-75 буквами «РЖ»). С помощью кальция, присутствующего в карбонате CaCO3, из металла шва удаляются сера и фосфор.

Преимущества сварочных электродов с рутиловым покрытием:

• более высокий коэффициент наплавки при введении железного порошка;
• низкая токсичность;
• по сравнению с электродами с основным покрытием – стабильность горения дуги при сварке на постоянном и переменном токе, более высокая стойкость против образования пор, лучшее формирование шва с плавным переходом к основному металлу, меньшая чувствительность к увеличению длины дуги, меньше коэффициент разбрызгивания металла, более удобная сварка в вертикальном и потолочном положениях (при отсутствии в них железного порошка или его содержании менее 20%).

Недостатки электродов с рутиловым покрытием:

• пониженные пластичноcть и ударная вязкость металла шва из-за включений SiO2;
• не используются для сварки конструкций, работающих при высоких температурах;
• по сравнению с электродами с основным покрытием – меньшее сопротивление наплавленного металла сероводородному растрескиванию, приводящего к разрушению сварных трубопроводов в месторождениях с сероводородными соединениями; ниже стойкость против кристаллизационных трещин; сильнее окисляют легирующие элементы и железо и поэтому не используются для сварки средне- и высоколегированных сталей; повышенное содержание фосфора в наплавленном металле и склонность к хладноломкости.

Область применения сварочных электродов с рутиловым покрытием:

• сварка и наплавка ответственных конструкций из низкоуглеродистых и некоторых типов низколегированных сталей, за исключением конструкций, работающих при высоких температурах;
• в ряде случаев для сварки среднеуглеродистых сталей, если в покрытии содержится большое количество железного порошка.

Целлюлозное покрытие (обозначается по ГОСТ 9466-75 буквой «Ц») создается на основе органических соединений (до 50%) – целлюлозы, муки, крахмала, обеспечивающих газовую защиту. Для шлаковой защиты в небольшом количестве применяются рутиловый концентрат, мрамор, карбонаты, алюмосиликаты и другие вещества. На сварном шве образуется тонкий слой шлака. Легирование наплавленного металла выполняется легирующими добавками стержня, а также за счет добавления в покрытие ферросплавов и металлических порошков. В качестве раскислителей используют ферросплавы марганца. Металл шва по химическому составу соответствует полуспокойной или спокойной стали.

Преимущества сварочных электродов с целлюлозным покрытием:

• качественный провар корня шва;
• возможность сварки в труднодоступных местах в связи с малой толщиной покрытия;
• сварка во всех пространственных положениях.

Недостатки целлюлозного покрытия:

• повышенное разбрызгивание (до 15%) из-за небольшого количества шлакообразующих компонентов и высокого поверхностного натяжения расплавленного металла;
• повышенное количество водорода в металле шва.

Область применения электродов с целлюлозным покрытием – сварка первого (труднодоступного) слоя неповоротных стыков трубопроводов.

Также используются и смешанные покрытия: кислорутиловое (обозначается по ГОСТ 9466-75 буквами «АР»), рутилово-основное (обозначается по ГОСТ 9466-75 буквами «РБ»), рутилово-целлюлозное (обозначается по ГОСТ 9466-75 буквами «РЦ»), а также прочие (обозначаются по ГОСТ 9466-75 буквой «П»).

Таблица. Обозначение покрытий сварочных электродов

Тип покрытия	Обозначение по ГОСТ 9466-75	Международное обозначение ISO	Старое обозначение по ГОСТ 9467-60
кислое	А	A	Р – руднокислое
основное	Б	B	Ф – фтористокальциевое
рутиловое	Р	R	Т – рутиловое (титановое)
целлюлозное	Ц	C	О – органическое
смешанные покрытия
кислорутиловое	АР	AR
рутилово-основное	РБ	RB
рутилово-целлюлозное	РЦ	RC
прочие (смешанные)	П	S
рутиловые с железным порошком	РЖ	RR

Тип сварочного электрода характеризует свойства металла шва. Для конструкционных сталей – это механические свойства (временное сопротивление разрыву, ударная вязкость, относительное удлинение, угол загиба), для легированных сталей со специальными свойствами (теплоустойчивые, жаропрочные, коррозионно-стойкие и др.) – химический состав (содержание углерода, кремния, хрома, марганца, никеля и других элементов). Обозначение типа электрода (регламентируется ГОСТ 9467-75 и ГОСТ 10052-75) содержит букву «Э», после которой ставится временное сопротивление на разрыв δВ(кг/мм2). Например, «Э46А» означает, что металл, наплавленный этими электродами, имеет прочность 46 кг/мм2 (460 МПа) и улучшенные пластические свойства. Для сварки легированных конструкционных сталей повышенной и высокой прочности тип электрода может быть Э70, Э85, Э100, Э125, Э150.

Примеры обозначений типа электрода для сварки сталей со специальными свойствами:

• «Э09Х2М» – в металле шва содержится примерно 0,09% углерода, 2% хрома, 1% молибдена;
• «Э10Х25Н13Г2Б» – в металле шва содержится примерно 0,1% углерода, 25% хрома, 13% никеля, 2% марганца, 1% ниобия.