Электроды для сварки углеродистых и низколегированных сталей

Группа электродов для сварки углеродистых и низколегированных сталей весьма многочисленна. Многообразие марок электродов этой группы объясняется главным образом следующими причинами: стремлением разработчиков улучшить сварочно-технологические свойства электродов, которые невозможно оценивать количественно путем измерений, что приводит иногда из-за субъективности оценки к возникновению марок электродов, близких по свойствам; разнообразием минералов, химических соединений и других материалов, которые возможно использовать в качестве компонентов электродных покрытий; необходимостью постоянно улучшать технологические свойства электродов при их опрессовке; необходимостью постоянно улучшать гигиенические свойства электродов; конъюнктурными соображениями разработчиков; необходимостью в узкоспециализированных электродах, отличающихся от других улучшенными одним или несколькими свойствами.

Важнейшие характеристики группы электродов для сварки углеродистых и низколегированных сталей: прочностные и пластические свойства металла шва, а иногда также результаты дополнительных испытаний; вид электродного покрытия, обусловливающего гигиенические характеристики, количество водорода и неметаллических включений в металле, стабильность горения дуги, склонность к образованию пор, производительность процесса сварки.

Перечисленные характеристики необходимо учитывать при выборе марки электродов для сварки определенного объекта из углеродистой или низколегированной стали.

Одна из главных характеристик электрода для сварки углеродистых и низколегированных сталей - временное сопротивление. Этот показатель позволяет судить о соответствии прочности металла сварного шва и свариваемой стали. Следует помнить, что использование электродов с большим временным сопротивлением, чем у свариваемой стали, может привести к концентрации сварочных напряжений в сварных швах, что отрицательно отразится на работоспособности сварной конструкции.

Относительное удлинение и ударная вязкость - не менее важные характеристики, без учета которых невозможен правильный выбор марки электрода для сварки конкретного объекта. При выборе марки электрода необходимо стремиться к тому, чтобы минимальное значение ударной вязкости металла шва было бы не ниже минимального значения такой характеристики свариваемой стали; допустимое минимальное значение относительного удлинения металла шва может быть несколько ниже этой характеристики основного металла, которая зависит от условий работы и технологии изготовления изделия и должна регламентироваться техническими условиями на изделие.

ГОСТ 9467-75 стандартизовано девять типов электродов для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей: Э38, Э42, Э46 и Э50 - для сталей с временным сопротивлением до 490 МПа; Э42А, Э46А и Э50А - для тех же сталей, когда к металлу сварных швов предъявляются повышенные требования по относительному удлинению и ударной вязкости; Э55 и Э60 - для сталей с временным сопротивлением от 490 до 590 МПа. При выборе электродов для сварки конкретной марки углеродистой или низколегированной стали одинаковость химического состава металла шва и основного металла не является обязательным условием. Поэтому химический состав металла швов, выполненных электродами типов Э38, Э42, Э46, Э50, Э42А, Э46А, Э50А, Э55 и Э60, ГОСТ 9467-75 не нормируется и обычно не приводится в технической документации на электроды, за исключением содержания серы и фосфора. Максимально допустимая стандартом концентрация этих элементов составляет: для электродов типов Э38, Э42, Э46, Э50 - 0,040% серы; 0,045% фосфора; для электродов типов Э42А, Э46А, Э50А, Э55 и Э60 - 0,030% серы; 0,035% фосфора.

Электроды типа Э38 в настоящее время в нашей стране не производятся, поскольку прочность сварных соединений, выполненных такими электродами, ниже прочности стали марки ВСт3сп - наиболее распространенного конструкционного материала. В редких случаях, когда для сварных конструкций используют стали марок 10, 15 и другие, временное сопротивление которых после отжига или нормализации составляет 293 МПа и менее, применяют электроды типа Э42.

Для обеспечения высокой эксплуатационной надежности сварных соединений, работающих в экстремальных условиях, к электродам какого-либо типа следует предъявлять дополнительные требования по механическим свойствам и химическому составу металла шва, не предусмотренные ГОСТ 9467-75. Поэтому значительное число марок электродов для сварки углеродистых и низколегированных сталей выпускается по отраслевым стандартам и техническим условиям. Причем электроды одной марки могут быть изготовлены или по ГОСТ, или по ОСТ, или по техническим условиям. В ряде случаев применение электродов регламентируется специальными документами. Так, конструкции морских и речных судов характеризуются высокой степенью жесткости сварных узлов и конструкций, вследствие чего при имеющем место в процессе эксплуатации неравномерном охлаждении сварной конструкции возникает повышенная опасность растрескивания сварных швов. Поэтому для сварки судовых конструкций морских и речных судов разрешается применять только определенные марки электродов, из принадлежащих какому-то одному типу, выдержавшие дополнительные испытания, предусмотренные правилами Морского и Речного Регистров. Электродами, разрешенными Морским Регистром СССР для сварки судовых конструкций, являются марки: АНО-6, АНО-4, АНО-13, ОЗС-17Н, ОЗС-22Р, ОЗС-22Н, АНО-3, 03C-20H, 03C-20P, ЗТМ-2У. К электродам, разрешенным Речным Регистром РСФСР для сварки речных судов, относятся марки: АНО-6, АНО-6М, УОНИ-13/45, ОЗС-4, АНО-13, ОЗС-12, МР-3, ОЗС-17Н, ОЗС-22Р, ОЗС-22Н, УОНИ-13/55, АНО-9, 03C-20P, 03C-20H.

Сварные швы объектов атомной энергетики должны обладать повышенной надежностью. Для сварки этих объектов могут быть использованы только некоторые марки электродов, выдержавшие специальные аттестационные испытания. В соответствии с документом «Основные положения по сварке и наплавке узлов и конструкций атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок» (ОП 1513-72) для сварки углеродистых и низколегированных сталей разрешается использовать следующие марки электродов: УОНИ-13/45, УОНИ-13/45А, УОНИ-13/55, ТМУ-21, ЦУ-5, ЦУ-6, ЦУ-7.

Вязкопластические свойства металла сварных швов, обладающих одинаковой прочностью, но выполненных электродами с различными видами покрытий, значительно отличаются. Эти различия объясняются следующими причинами: различной степенью насыщения водородом расплавленного и кристаллизующегося металла; различным содержанием в металле шва оксидных и сульфидных включений, различием их состава и морфологии (форма, дисперсность, распределение в структуре металла).

При сварке углеродистых сталей растворение водорода в сварочной ванне и неполное выделение его в процессе кристаллизации и дальнейшего охлаждения металла вызывает уменьшение пластичности за счет образования трещин-надрывов протяженностью до 0,3 мм в том случае, когда велика скорость охлаждения наплавляемого валика, например, при сварке без подогрева металла большой толщины.

При сварке низколегированных сталей водород может не только снизить пластичность металла шва за счет образования трещин-надрывов, но и вызвать образование макротрещин как в швах, так и в околошовной зоне. Это объясняется снижением температуры превращения γ→α, вызванным содержанием в металле шва легирующих элементов и водорода, и более интенсивным вследствие этого выделением водорода при температуре образования надрывов и при дальнейшем охлаждении.

Электроды с целлюлозным, кислым (рудно-кислым) и рутиловым видами покрытий содержат в покрытии органические вещества и значительное количество влаги (температура прокалки не выше 200 °С), вследствие чего содержание водорода, поступающего в зону сварки, выше чем при сварке электродами с покрытием основного вида (температура прокалки 350-450 °С), содержащим к тому же фтористые соединения, способствующие уменьшению абсорбции водорода каплями расплавленного металла.

Наибольшее количество серы и оксидных включений наблюдается в сварных швах, выполненных электродами с рудно-кислым и окислительным покрытиями, к тому же эти включения имеют наиболее неблагоприятную форму; соотношение содержания марганца и кремния в оксидных включениях - наименее благоприятное. Наименее загрязнен серой и кислородом металл швов, сваренных электродами с основным видом покрытия, сульфидные и оксидные включения имеют в этом случае благоприятную сфероидальную форму, неметаллические включения в виде цепочек и плен не наблюдаются, соотношение содержания марганца и кремния в оксидных включениях - наиболее благоприятное.

Электроды с рутиловым, ильменитовым и целлюлозным покрытиями занимают промежуточные положения.

Рассмотренные факторы определяют различия в вязко-пластических свойствах металла сварных швов, выполненных электродами с различными видами покрытий и вместе с прочностными свойствами должны учитываться при выборе марки электрода для сварки конкретного объекта.

Вид покрытия электрода определяет также его важнейшие сварочно-технологические свойства: характер процесса переноса расплавленного металла через дуговой промежуток, формирование сварного шва в различных пространственных положениях, отделимость шлаковой корки, стабильность горения дуги, склонность к образованию пор.

Перенос металла через дуговой промежуток при ручной дуговой сварке покрытыми электродами осуществляется главным образом короткими замыканиями. Поэтому число коротких замыканий можно рассматривать в качестве характеристики процесса переноса металла через дуговой промежуток. Другой характеристикой этого процесса является относительная доля капель разных фракций.

При сварке электродами с целлюлозным покрытием основная часть металла переносится через дуговой промежуток в виде мелких капель, тогда как в случае электродов с основным покрытием большая часть металла переносится в виде капель крупного и среднего размеров. Электроды с рутиловым и рудно-кислым покрытиями намного превосходят по этому показателю электроды с покрытием основного вида и существенно уступают электродам с покрытием целлюлозного вида.