ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ

Макаров Сергей Викторович

учебный мастер, ЮТИ ТПУ, г. Юрга

E-mail:

THERMAL TREATMENT OF THE WELDING ELECTRODES

Sergey Makarov

Training master, Yurga Technological Institute of Tomsk Polytechnic University, Jurga

Аннотация

В данной статье рассматриваются режимы термообработки электродов, причины образования трещин в покрытии электродов и меры борьбы с этими дефектами.

Abstract

This article discusses the regimes of thermal treatment of the electrodes, causes the formation of cracks in the coating of the electrodes, and measures to combat these defects.

Ключевые слова: термическая обработка; сварочные электроды; дефекты; жидкое стекло.

Keywords: thermal treatment; welding electrodes; defects; liquid glass.

Составной частью электродов для сварки является их покрытие. Как известно, оно достаточно гигроскопично — легко поглощает из окружающего воздуха влагу в ходе хранения. Это значительно снижает все сварочно-технологические свойства электродов для сварки — дуга зажигается с большим затруднением, горит дуга очень прерывисто, шов формируется неровно и некачественно, в процессе сварки происходит разбрызгивание металла, сам шов как единая сплошная однородная субстанция нарушается. В том числе электроды для сварки с покрытием основного типа — УОНИ-13/55, ОК 48.00, LB-52U (ЛБ-52У) — значительно повышают содержание водорода в металле наплавленном, что в конечном итоге приводит к образованию трещин в сварном шве.

Термообработку электродов проводят с целью придания покрытию достаточной механической прочности при содержании в нем влаги в пределах, способствующих нормальному протеканию сварочного процесса, позволяющих обеспечить заданный химический состав и свойства наплавленного металла и сварных соединений.

Полный цикл термообработки включает предварительную сушку, сушку, прокалку и охлаждение. Непосредственно после опрессовки электродов влажность покрытия обычно составляет 9—13 %. Допустимое содержание влаги после прокалки зависит от вида покрытия. Принято, что электроды с основным покрытием должны иметь влажность не более 0,2 % массы покрытия. Влажность определяют при температуре 400±10°С с доведением навески покрытия до постоянной массы. Для обеспечения указанной влажности электроды следует прокаливать при высоких температурах (360—400°С) достаточно длительно.

Электроды с рутиловым и кислым покрытиями содержат в рецептуре органику (целлюлоза, крахмал и др.), создающую газовую защиту сварочной ванны. В связи с этим температура прокалки таких электродов не должна превышать 185—190°С. Влажность покрытия указанных электродов, определяемая при 180±10°С, должна составлять не более 0,3—0,4 %.

Покрытие целлюлозных электродов в основном состоит из целлюлозы, поэтому прокалку электродов проводят при температуре 155—160°С в течение 14—15 минут. Влажность покрытия определяют при 110±5°С; она должна находиться в пределах 0.5—2 %.

В зависимости от конкретного назначения электродов и свойств металла шва нормы по влажности покрытий электродов могут быть и иными.

Процесс удаления влаги из покрытия сложен. Он зависит от ряда факторов и, в первую очередь, от способности растворимых силикатов натрия и калия удерживать влагу, количество которой в процентах от массы сухого остатка жидкого стекла определяется температурой. Установлено, что длительная сушка электродов при температуре 100°С позволяет снизить содержание влаги до 15 % от исходной, а прокалка до постоянной массы при 200°С – до 6—7 % и т. д. Очевидно, что с увеличением сухого остатка жидкого стекла остаточная влажность покрытия электродов возрастает.

При неправильно выбранных форсированных режимах сушки и прокалки электродов на покрытии образуются дефекты: трещины, вспухание, местные глубокие вмятины от транспортных устройств. Иногда появляется сетка мелких трещин, невидимых невооруженным глазом, резко снижающих прочность покрытия. В свою очередь, это приводит к повреждению покрытия во время транспортировки электродов к потребителю. Кроме того, в процессе сварки наблюдается отслоение нерасплавившихся кусочков покрытия, в связи, с чем нарушается однородность химического состава металла шва и повышается чувствительность к пористости.

Обмазочная масса состоит из различных по свойствам, составу и форме зерен порошковых материалов, перемешанных с раствором жидкого стекла. При тщательном приготовлении массы вокруг каждой твердой частицы образуется тонкая жидкостная пленка. При дальнейшем введении жидкого стекла толщина пленки возрастает. Покрытие электродов, нанесенное под высоким давлением, пронизано разветвленной сетью капилляров, частично или полностью заполненных жидким стеклом. В связи с различием формы и размеров твердых частиц сухой шихты капилляры в покрытии имеют переменное сечение.

Жидкое стекло является коллоидом, так как содержит сложные комплексы (мицеллы), состоящие из большого числа молекул SiO2, Н2O и щелочи ROH. Прочность связи влаги в жидком стекле различна. При сушке жидкого стекла малой плотности и вязкости сперва начинают удаляться молекулы воды, менее прочно связанные с комплексами. С повышением плотности жидкого стекла прочность связи воды непрерывно растет и для отрыва последующих ее молекул требуется затрата все большей энергии. Даже при температуре 400°С и выше из сухого остатка жидкого стекла удаляется не вся влага.

Испарение воды из покрытия осложняется также удержанием воды в капиллярах за счет сил поверхностного натяжения и затрудненной диффузией пара и влаги из глубины покрытия по тонким капиллярам. В первые моменты сушки, когда в поверхностном слое покрытия влага находится в неравновесном состоянии (давление паров воды в воздухе меньше давления паров в поверхностном слое массы), влага будет испаряться из капилляров. Сначала будет испаряться почти свободная влага, слабо связанная с мицеллами, что приведет к повышению концентрации раствора силиката в данном месте. Разность концентраций будет вызывать диффузию. Почти свободная влага будет диффундировать в наружные слои. В начальный момент сушки при наличии значительного градиента температур этому стремлению влаги будут препятствовать капиллярные силы, так как в капилляре происходит движение от более нагретого места к менее нагретому.

При равномерном прогреве покрытия установится определенный градиент влажности, приводящий к диффузии влаги из участков с большей влажностью. Скорость диффузии влаги будет тем больше, чем интенсивнее удаляется насыщенный пар с поверхности покрытия и из капилляров. Поэтому при обдуве электродов нагретым воздухом поверхность испарения будет перемешаться вглубь покрытия. Это будет продолжаться до тех пор, пока не удалится вся капиллярная влага.

На удаление капиллярной, почти свободной влаги накладывается процесс удаления влаги, более прочно связанной с коллоидными частицами силикатов. Такая влага начинает удаляться при более высоких температурах. Чем выше прочность связи молекул воды с коллоидными частицами, тем при больших температурах это произойдет. Прочность связи влаги определяется модулем и видом применявшегося жидкого стекла, а количество связанной влаги в основном зависит от количества сухого остатка жидкого стекла.

Скорость сушки электродов одной марки находится в обратной зависимости от толщины покрытия и определяется двумя факторами.

1.Энергия, необходимая для удаления влаги при сушке нагретым воздухом, поступает через поверхность покрытия. При увеличении толщины площадь поверхности покрытия электрода растет медленнее, чем масса покрытия. Поэтому на единицу массы покрытия в единицу времени поступает меньшее количество энергии.

2.Испарение влаги происходит с различных слоев, постепенно углубляющихся в толщу покрытия. В результате пар, образующийся внутри покрытия, должен пройти по капиллярам путь большей длины.

Причины образования трещин в покрытии электродов.

Экспериментально установлено, что в процессе воздушной сушки образцов из обмазочной массы происходит уменьшение их линейных размеров на 2—4 %. Это связано с сокращением объема жидкого стекла при удалении из него влаги. При сушке покрытия электродов толщина пленки жидкого стекла уменьшается, и поперечное сечение капилляров сокращается. В результате в покрытии электродов возникают усадочные напряжения, величина которых может достичь высоких значений, что приведет к заметному искривлению неконцентричного электрода.

Если сушка происходит достаточно медленно, а покрытие при этом сохраняет пластичность, то возникающие усадочные напряжения компенсируются пластической деформацией покрытия. Если же покрытие при сушке теряет пластичность, то трещины неизбежны. В основном это будут кольцевые трещины, расположенные примерно на одинаковых расстояниях друг от друга. Склонность к трещинам может быть снижена за счет рационального подбора гранулометрического состава компонентов шихты. Наряду с наличием тонких фракций, обеспечивающих пластичность массы, желательно ввести сравнительно крупные частицы (размером 0,2—0,25 мм) мрамора или рутила в зависимости от типа покрытия. Наличие определенного количества таких фракций образует сравнительно жесткий каркас, не снижая пластичность массы.

Долевые трещины, как правило, появляются при сушке электродов в местах их соприкосновения, что связано с значительным замедлением в этих местах процесса влагоотдачи. Такие участки легко высыхают, а возникающие при этом усадочные напряжения разрывают неокрепшее покрытие по линии их соприкосновения. Иногда наблюдаются случаи появления трещин в участках покрытий электродов, расположенных очень близко один к другому, где сушка замедлена, и прочность покрытия нарастает медленнее, чем в местах непосредственного контакта с нагретым воздухом или газом. По указанным причинам в начальный период сушки электроды должны быть разложены поштучно.

При жестких режимах сушки (свыше температуры 100°С), как правило, наблюдается чрезмерное вспухание покрытия электродов. При быстром нагреве покрытия часть влаги с его поверхности испаряется, а часть по капиллярам перемещается в глубинные холодные слои. Затем, когда покрытие прогреется, парциальное давление пара, образующегося внутри покрытия, может превысить атмосферное давление. Поэтому предварительная сушка должна происходить при умеренной температуре, начиная с 60°С, с медленным ее повышением до 80—90°С. После потери 30—40 % влаги равномерно по толщине покрытия электродов температуру можно поднимать выше 100°С.

Вспухание покрытия может произойти также за счет выделения газов при взаимодействии активных ферросплавов с жидким стеклом. В этом случае покрытие может вспухать и при относительно низкой температуре. При вспухании за счет жестких тепловых режимов или в результате реакций газообразования в покрытии электродов могут возникнуть трещины, обычно в результате грубого нарушения технологии.

Наметившаяся в последние несколько лет на ряде предприятий-изготовителей электродов тенденция к снижению температурных режимов прокалки при производстве электродов имеет целью уменьшение расхода электроэнергии и снижение склонности покрытия к хрупкому разрушению. Однако, это приводит к повышению остаточного содержания влаги в покрытии. Кроме того, возрастает склонность покрытия к обратному поглощению влаги при хранении электродов. Так, электроды типа Э50А, прокаленные при изготовлении при температуре 400˚С и хранящиеся при влажности 85—98 % в течение 15 суток набирают 1,5 % влаги, а прокаленные при температуре 200˚С набирают уже 2,2 % влаги.

В этом случае прокалка электродов перед сваркой фактически должна будет играть роль термообработки электродов в процессе их производства. При этом режимы прокалки для многих марок электродов будут отличаться от режимов повторной прокалки электродов, рекомендованных для качественно изготовленных электродов.

Список литературы:

1. Винокуров В.А. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности. М.: Машиностроение, 1996. — 576 с.
2. Новак В.А. Справочник по электродам для сварочных работ. Эксмо. — 34 с.
3. Потапов Н.Н. Сварочные материалы для дуговой сварки. М.: Машиностроение, 1993. — 225 с.
4. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. М.: Высшая школа, 1988. 559 с.
5. Чернышёв Г.Г. Технология электрической сварки плавлением. М.: Машиностроение, 2006. — 448 с.
6. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения
7. http://www.autowelding.ru