Сварка являет собой технологический процесс получения надежных соединений путем нагревания кромок деталей до температуры плавления. Ручная дуговая – наиболее распространенный ее вид. Этот способ высокопродуктивен, универсален, технологически прост и доступен в домашних условиях.

Суть РДС

Кромки соединяемых деталей плавятся за счет выделяемой теплоты ионизированным потоком частиц между катодом и анодом – электрической дугой. Ионизация происходит вследствие наличия тока и короткого замыкания между двумя полюсами при постоянных или переменных характеристиках.

Инструментом, используемым для создания и горения дуги, является электрод – стержень металлического или неметаллического происхождения. Работа может выполняться как одним, так и несколькими стержнями с возможностью создания дополнительной дуги между ними (сварка трехфазной дугой). Ионизированный поток электронов окружен испарениями с инструмента и его покрытия, плавящегося металла соединяемых деталей, результатов их взаимодействия с воздухом. Виды электродов для сварки определяются с учетом всех характеристик, присущих конкретному материалу.

Классификация стержней по материалу изготовления

По своей сути все сварочные инструменты для РДС делятся на плавящиеся и неплавящиеся.

• Плавящиеся: металлические инструменты, изготовленные из чугуна, стали, алюминия, меди (в зависимости от типа свариваемого металла). Стержень выступает катодом или анодом, а также выполняет функции присадочного материала для заполнения сварочной ванны и образования шва.
• Неплавящиеся: стержни угольные, из графита, из вольфрама; выполняют только первичную функцию; дополнительно используется присадочная металлическая проволока; вольфрамовые нужны при аргонодуговой сварке.

Среди первой группы выделяют основные виды электродов:

• Без покрытия. Этот тип инструментов не используется для РДС.
• Покрытые. Соответствующее покрытие применяется для поддержания стабильности дуги, защиты металла от выгорания, от влияния газов, повышения механических характеристик шва путем естественного легирования (попадания легирующих элементов с плавящего стержня в сварочную ванну).

Применение по виду работ

Виды электродов для ручной дуговой сварки, перечисленные выше, имеют индивидуальное применение в зависимости от способа работ. Угольные непокрытые электроды – первичное сварочное изобретение, которое принадлежит Н. Н. Бенардосу и относится к 1882 году – используются и в современности. Особенности: постоянный ток, прямая полярность, дополнительная подача присадочной проволоки, дуга стабильная, стержень сгорает медленно, науглероживания не происходит. Применение обратной полярности снижает характеристики дуги и шва (он науглероживается).

Металлические электроды – следующее изобретение в сфере технологии сварки, которое принадлежит Н. Г. Славянову (1888 г.). Вместе с ними зародились прообразы современных сварочных аппаратов. Сваривание с помощью плавящихся стержней нашло более широкое применение в промышленности и получило активное развитие. На сегодняшний день используется в ручной дуговой, автоматической и полуавтоматической (под флюсом) сварке.

Вольфрамовый электрод, вследствие высокой температуры плавления 3422˚С применяется в качестве неплавящегося при аргонодуговой сварке. Таким образом, различным сварочным технологиям соответствуют конкретные виды электродов.

Распределение по назначению

Назначение – это та характеристика, в соответствии с которой распределяются абсолютно все известные электроды. Виды и применение стержней обозначается одной буквой (ГОСТ 9466-75):

• конструкционные стали, в том числе низколегированные с прочностью 60 кгс/мм2 (600 Мпа) в маркировке обозначаются буквой «У» – углеродистые;
• легированные конструкционные стали, имеющие прочность 600 Мпа – «Л»;
• высоколегированные конструкционные стали – «В»;
• теплостойкие легированные стали – «Т»;
• сплавы с особыми свойствами, для которых характерна наплавка – «Н».

Назначение указывается в развернутой марке.

Покрытия стержней

Разнообразные по составу и происхождению покрытия используются в индивидуальных случаях для различных материалов. Применяются следующие виды покрытия электродов:

• Кислые «А». Содержат ферромарганец и ферросилиций. Применяются для прямого или постоянного тока. Характеризуются высокими скоростями плавления. Лучше использовать для нижних швов.
• Рутиловые «Р». Содержат рутил (двуокись титана), карбонаты, алюмосиликаты, ферромарганец, жидкое стекло. Сварка швов любого положения и типа прямым или постоянным током. В результате последовательных химических реакций образуется защитный шлак, который предупреждает выгорание элементов. Хорошее качество сварных соединений, низкая токсичность.
• Целлюлозные «Ц». В состав входят целлюлоза, марганцевая руда, тальк, рутил, ферромарганец. Образуются защитные газы вокруг дуги и сварочной ванны. Для всех швов; высокая скорость выполнения работ; хорошее качество; нельзя допускать перегрева; большие потери при разбрызгивании. Используются для неразъёмных соединений трубопроводов.
• Основные «Б». В составе карбонаты и фториды кальция. Происходит образование защитного углекислого газа вследствие реакции углерода из карбонатов с кислородом горения дуги. Желательно выполнять работы под постоянным током с полярностью в обратном направлении. Во время сварки под переменным получается низкокачественный шов, требуются дополнительные технологии для повышения его механических характеристик.
• Прочие «П». Содержат легирующие элементы. Качество шва повышается за счет введения в него определенного количества легирующих элементов с плавящего электрода.
• Специальные. Содержат жидкое стекло со смолосодержащими веществами. Защищают от проникновения влаги. Применяются для сварки под водой.

Конкретные назначения имеют все покрытые электроды. Основным видом покрытия является рутиловое вследствие своей универсальности. Покрытия выполняют защитные функции путем раскисления сплава в сварочной ванне, добавления в него легирующих элементов, образования ореола защитных газов или шлака. Это позволяет избежать низшего качества шва, чем у материалов кромок деталей, обеспечить формирование добротных сварных соединений.

Требования к инструментам, установленные ГОСТ 9466-75

• Электроды должны быть изготовлены из качественного материала.
• Покрытие должно быть цельным, не иметь значительных дефектов (допускается существование мелких вмятин и трещин без вздутий и пористости).
• Высокая механическая стойкость к случайным ударным нагрузкам.
• Разные виды покрытия электродов должны равномерно оплавляться, не осыпаться, не образовывать неровных островков, не разбрызгиваться свыше допустимых характеристик.
• Стержень должен обеспечивать образование качественного шва: без трещин, пор, местного избытка наплавленного металла.
• Рациональный выбор в соответствии с учетом всех необходимых параметров и соблюдения технологии – залог формирования надежного прочного соединения.

Выбор стержня в зависимости от размера

Начинающему сварщику более известны виды электродов, определяющиеся по размеру. Диаметр инструмента, с помощью которого будут проводиться работы, выбирается строго в соответствии с толщиной свариваемой детали. Он не шифруется, а четко указывается в маркировке инструмента. Длина электрода также фиксирована в соответствии с его диаметром. Важно иметь понятие о длине зачищенного непокрытого конца инструмента.

Для домашних сварочных работ наиболее часто используются виды электродов для дуговой сварки с диаметром 2-4 мм. Толстые стержни применимы в ремонтных мастерских и на производстве.

Толщина покрытия

Она имеет свое обозначение в маркировке инструмента. Определяется коэффициентом ее отношения D (мм) к толщине самого стержня d (мм). Распределяется на 4 группы:

• тонкое «М» (коэффициент до 1,2);
• среднее «С» (коэффициент имеет значения в пределах от 1,2 до 1,45);
• толстое «Д» (коэффициент – в пределах 1,45-1,8);
• особо толстое «Г» (значение коэффициента свыше 1,8).

На результаты работ влияют не только виды покрытий электродов ручной дуговой сварки, но и толщина самого покрывающего слоя, а также размеры стержня. Правильный подбор размера электрода обеспечивает хорошую скорость работ, качественные параметры дуги и формируемого соединения.

Выбор стержней в зависимости от типа шва и его пространственного положения

Швы имеют несколько классификаций:

• В зависимости от действия основных сил: фланговые, лобовые, косые, торцевые.
• В соответствии с положением свариваемых деталей: стыковые, угловые, тавровые, соединения внакладку.
• В зависимости от наличия скоса кромок: со скосом, без скоса.
• В соответствии с положением в пространстве: нижние, верхние, горизонтальные, вертикальные.

На выбор влияет пространственное положение шва. Его тип обозначается в маркировке стержня.

• 1 – для сварки во всех положениях;
• 2 – исключения относятся лишь к вертикальным швам сверху вниз;
• 3 – для нижних швов, горизонтальных у вертикальной плоскости, вертикальных снизу вверх;
• 4 – для нижних швов.

Тип шва относительно пространственного положения учитывается при определении значений тока.

Влияние электрических параметров дуги на выбор сварочных инструментов

Сварка может осуществляться под прямым или постоянным током, прямой («минус» на электроде, «плюс» на изделии) или обратной полярности. Выбор зависит от свариваемого материала и его свойств. Вид тока определяется источником питания. В качестве основного оборудования, генерирующего и (или) преобразующего ток, могут использоваться: трансформаторы и осцилляторы (снижают напряжение сети до необходимых значений), преобразователи и выпрямители (преобразуют переменный ток сети в постоянный ток сварочного процесса). Параметры, необходимые для воспламенения дуги, значительно отличаются от тех, которые прослеживаются во время ее поддержания. Напряжение, необходимое для быстрого образования дуги, называется напряжением холостого хода. Рассмотрим значения напряжений, необходимые для воспламенения дуги и для поддержания ее горения.

Виды сварочных электродов различаются в зависимости от сетевых характеристик и обозначаются цифрами от 0 до 9:

• 0 – только для постоянного тока обратной полярности;
• 1-9 – для любых токов;
• 1, 4, 7 – любая полярность;
• 2, 5, 8 – прямая;
• 3, 6, 9 – обратная;
• 1-3 – напряжение холостого хода 50 В;
• 4-6 – 70 В;
• 7-9 – 90 В.

Выбор влияет на особенности технологии и качественные характеристики швов. Так, наименьшую глубину проваривания обеспечивает работа с переменными параметрами сети. Используется для неприхотливых материалов и несложных конструкций. При сварке дугой с постоянными характеристиками и обратной полярностью глубина сварочной ванны и механические свойства шва получаются на 50% выше, чем даже при прямой полярности. Используют для неподатливых материалов и ответственных конструкций.

Определение силы тока

При дуговой сварке ручного типа она может быть разной – от 30 до 600 А. Выбор необходимого значения осуществляется в зависимости от диаметра рабочего электрода и типа шва относительно пространственного положения. Вычисляется следующим образом:

• Для нижних швов: I=d*k.
• Для верхних – I=k*d*0,8.
• Для горизонтальных – I=k*d*0,85.
• Для вертикальных швов – I=k*d*0,9.

где I – сила тока, А;
d – диаметр, мм;
k – коэффициент, А/мм.

Коэффициент зависит от диаметра стержня:

• для электродов толщиной 1-2 мм – k=25-30 А/мм;
• 3-4 мм – k=30-45 А/мм;
• 5-6 мм – k=45-60 А/мм.

Повышение силы ускоряет рабочий сварочный процесс. Преувеличение допустимых значений может привести к перегреву кромок, чрезмерному выгоранию компонентов, ухудшению качества сварного шва.

Маркировка

С целью рассмотрения всех нюансов маркировки важно привести стандартный пример в соответствии с ГОСТ 9466-75 и 9467-75: (Э42А-УОНИ-13/45-3,0-УД)/(Е432(5)-Б10).

Марка: УОНИ-13/45. Тип: Э42А – электрод для РДС, обеспечивает прочность шва 420 Мпа повышенной пластичности (А). 3,0 – диаметр 3 мм. У – для сваривания углеродистых сталей и низколегированных конструкций. Д – толстое покрытие. Е432 (5) – индексы, в которых зашифрованы характеристики соединения и наплавленного метала. 43 – прочность на разрыв не меньше 430 Мпа; 2 – относительное удлинение не меньше 24%; 5 – сварка возможна при температуре до -40˚С; при этом обеспечивается минимально допустимое значение ударной вязкости металла 34 Дж/см2. Б – основное покрытие. 1 – пространственное положение шва: любое. 0 – сварка только дугой с постоянными характеристиками и прямой полярностью.

Использование различных типов и марок сварочных инструментов

Все, рассмотренное выше, относятся больше к маркировке электродов для РДС стали. Важно привести примеры используемых стержней для разнообразных черных и цветных металлов. Ниже представлены их наиболее распространенные типы. Виды электродов распределяются в зависимости от свариваемого металла и заданных типовых механических характеристик шва. Углеродистые низколегированные стали свариваются стержнями типов:

Э42: марки АНО-6, АНО-17, ВСЦ-4М. Э42: УОНИ-13/45, УОНИ-13/45А. Э46: АНО-4, АНО-34, ОЗС-6. Э46А: УОНИ-13/55К, АНО-8. Э50: ВСЦ-4А, 550-У. Э50А: АНО-27, АНО-ТМ, ИТС-4С. Э55: УОНИ-13/55У. Э60: АНО-ТМ60, УОНИ-13/65.

Легированные стали повышенной прочности:

Э70: АНП-1, АНП-2. Э85: УОНИ-13/85, УОНИ-13/85У. Э100: АН-ХН7, ОЗШ-1.

Высокопрочные легированные стали:

Э125: НИИ-3М, Э150: НИАТ-3.

Наплавка металла:

ОЗН-400М/15Г4С, ЭН-60М/Э-70Х3СМТ, ОЗН-6/90Х4Г2С3Р, УОНИ-13/Н1-БК/Э-09Х31Н8АМ2, ЦН-6Л/Э-08Х17Н8С6Г, ОЗШ-8/11Х31Н11ГСМ3ЮФ.

Чугун:

ОЗЧ-2/Cu, ОЗЧ-3/Ni, ОЗЧ-4/Ni.

Алюминий и сплавы на его основе:

ОЗА-1/Al, ОЗАНА-1/Al.

Медь и сплавы на ее основе:

АНЦ/ОЗМ-2/Cu, ОЗБ-2М/CuSn.

Никель и его сплавы:

ОЗЛ-32.

Из приведенного списка можно сделать вывод о том, что маркировочная система очень сложна, при этом основана на примерно одинаковых принципах шифровки характеристик стержня, его покрытия, диаметра, наличия легирующих элементов.

Качество сварочного соединения зависит от рациональной технологической схемы. На то, какие виды электродов выбирать, влияют следующие факторы:

• Свариваемый материал и его свойства, наличие легирующих элементов и степень легирования.
• Толщина изделия.
• Тип и положение шва.
• Заданные механические свойства соединения или наплавленного металла.

Начинающему сварщику важно ориентироваться в основных принципах выбора и маркировки инструментов для сварки стали, а также оперировать распределением марок стержней по назначению, знать основные виды электродов и рационально их применять во время сварочных работ.