Ручная дуговая сварка покрытыми электродами (MMA)

03.04.2009

Введение

Дуговая сварка покрытыми электродами - процесс, в котором источник тепла - электрическая дуга. Поджигание дуги между электродом с покрытием (с помощью держателя электрода) и свариваемой деталью (основным материалом) образует тепло, которое приводит к быстрому плавлению основного материала и электрода (сварочный материал).

схема ручной дуговой сварки покрытыми электродами

Сварочная цепь

Сварочная цепь обязательно состоит из следующих элементов:

элементы сварочная цепи 

1. Источник питания

источник питания

Источник питания подает ток достаточной силы для питания и поддержания горения электрической дуги, которая образуется между основным материалом и электродом.     

Сварка электродами основана на принципе постоянного тока, то есть ток, подаваемый источником питания, не должен изменяться, когда электрод подносят к свариваемой детали. Таким образом, основное свойство источника - поддерживать постоянный ток в процессе изменения длины дуги, по мере приближения электрода к свариваемому участку: чем более постоянен ток, тем стабильнее дуга, тем проще работа сварщика. Внутри источника питания, обычно находится прибор, подстраивающий сварочный ток, механический (магнитный шунт или дроссель насыщения) или электронный (тиристорные или инверторные системы). Это различие может быть использовано для классификации сварочных аппаратов на три группы, в зависимости от технологии их производства: электромеханические сварочные аппараты, электронные сварочные аппараты (тиристорные), инверторные сварочные аппараты. Полярность выходного тока источника позволяет выделить 2 следующие категории: источник питания переменного тока и источник питания постоянного тока.

а). источник питания переменного тока

Выходной ток источника питания принимает форму гармонической волны, которая изменяет полярность через равные интервалы времени, с частотой 50 или 60 циклов в секунду (герц). Этот эффект достигается с помощью использования трансформатора, который преобразует ток сети в ток, подходящий для сварки. Подходит для электромеханических сварочных аппаратов.

источники питания переменного и постоянного тока 

б). источник питания постоянного тока

Выходной ток источника питания имеет форму непрерывной волны, которая достигается с помощью приспособления, выпрямителя, который расположен на базе трансформатора и может преобразовывать ток из переменного в постоянный.

Это типично для электронных (тиристорных) и инверторных источников питания.

Если в сварочной цепи используется постоянный источник питания, она может быть далее классифицирована в соответствии с методом подключения полюсов источника питания к свариваемому материалу:

  • соединение с прямой полярностью

Связь с прямой полярностью возникает, когда кабель зажима (с держателем электрода) подсоединен к отрицательному полюсу (-) источника питания и заземляющий кабель (с зажимом заземления) - к положительному полюсу (+) источника питания. Электрическая дуга концентрирует тепло и приводит к плавлению металла. В этом случае стержень электрода плавится и проникает в сварочное соединение.

соединения с прямой и обратной полярностью 

  • соединение с обратной полярностью

Связь с обратной полярностью возникает, когда кабель зажима (с зажимом электрода) подсоединен к положительному полюсу (+) источника питания и заземляющий кабель (с зажимом заземления) - к отрицательному полюсу (-) источника питания. Тепло  электрической дуги в основном сконцентрировано на конце электрода.

Для разного рода тока используются электроды разного типа (постоянный или переменный) и, в случае с постоянным током, особой полярности. Таким образом, выбор электрода должен основываться на типе используемого источника питания. Неправильный выбор приведет к проблемам в стабильности дуги и  к проблемам в качестве сварки.

2. Держатель электрода

держатель электрода

Основная функция зажима электрода - поддерживать электрод, обеспечивая хороший электрический контакт для прохождения тока; а также обеспечивать достаточную электрическую изоляцию для сварщика.

3. Электрод с покрытием

Покрытый электрод состоит из сердцевины и покрытия, которые несут различные, но дополняющие друг друга функции: сердцевина электрода в основном функционирует как проводник для подачи электричества на дугу и как поставщик материала, который заполняет соединение; у покрытия, с другой стороны, основная функция - защищать сварочную ванну и стабилизировать дугу.

4-5. Зажим заземления и кабели (кабель зажима и заземляющий кабель)

Зажим заземления - это инструмент, который через заземляющий кабель обеспечивает       замыкание электрической схемы между сварочным источником питания и свариваемым металлом. Зажим и заземляющие кабели, подсоединенные к зажиму электрода и зажиму заземления соответственно. Они позволяют создавать электрическое соединение между источником питания и основным материалом для сварки. Выбор сечения и длины кабеля должен быть основан на максимальном значении сварочного тока.

зажим заземления

Форсаж дуги, горячий поджиг и устройства против прилипания

Сварочные источники питания могут включать в себя специальные устройства, функция которых - упрощать их использование. Эти устройства следующие: форсаж дуги (Arc Force), горячий поджиг (Hot Start) и устройства, предотвращающие прилипание (Anti-stick).

«Форсаж дуги» облегчает передачу капелек расплавленного материала от электрода в основной материал, предохраняя дугу от угасания, когда капли входят в контакт (например, создают короткое замыкание) между электродом и сварочной ванной.     

«Горячий поджиг» помогает поджигать электрическую дугу с помощью подачи чрезмерного тока/сверхтока каждый раз при возобновлении сварки.

Устройство антиприлипания электрода автоматически выключает источник питания, если электрод прилипает к основному материалу, таким образом, позволяя убрать его вручную, без дополнительных усилий.

Электроды с покрытием

электроды с покрытием

1. Характеристики

Электрод с покрытием состоит из сердцевины и покрытия:

  • сердцевина состоит из металлической проволоки со свойствами проводника, чье единственное назначение - подавать сварочный материал на деталь. Используемый материал зависит от основного материала: для углеродистых сталей, для которых сварка с электродами наиболее распространена, сердцевина выполнена из мягкой стали. Во время сварки сердцевина немного плавится, до плавления покрытия.

  • покрытие (обмазка) - наиболее важная часть электрода и имеет много функций. Прежде всего, оно служит для защиты сварного шва от контакта с воздухом. Это достигается различными способами: испаряясь, и изменяя атмосферу вокруг сварочной ванны; замедленным плавлением и, следовательно, защищая сердцевину естественно формирующейся сварочной ванной; и разжижаясь и плавая на верхней части ванны.

Он также содержит материал, который может очищать основной материал и компоненты, способствующие созданию сплавов при плавке. Выбор покрытия, таким образом, очень важен и зависит от характеристик, которыми должен обладать сварной шов. Покрытие также может содержать сварочный материал как порошок, чтобы увеличить количество наплавленного металла и тем самым производительность сварки. В этом случае используются электроды с улучшенными рабочими характеристиками.

2. Категории электродов

На рынке представлены различные типы покрытых электродов, и их химический состав оказывает влияние на стабильность электрической дуги, глубину проникновения, распределение материала, чистоту ванны, то есть на сферу их применения. В соответствии с типом покрытия, электроды подразделяются на:

  • электроды с кислотным покрытием

Покрытие этих электродов состоит изоксидов железа, железных сплавов магния и кремния. Они обеспечивают хорошую стабильность дуги, что делает их подходящими как для сварки постоянным, так и переменным током. Они образуют очень жидкую сварочную ванну, что делает невозможным сварку на месте. Кроме того, у них снижена способность очищать основной материал, и это может привести к появлению трещин.

Они не выдерживают высоких температур сушки, поскольку это может привести к       остаточной влажности и таким образом, появлению водородных включений в сварном шве.

  • электроды с рутиловым покрытием

Покрытие этих электродов обязательно состоит из минерала, который называется рутил. Он на 95 процентов состоит из диоксида титана, очень стойкого соединения, которое обеспечивает оптимальную стабильность дуги и высокую текучесть сварочной ванны, что заметно улучшает внешний вид сварного шва. Функция рутилового покрытия, однако, заключается в том, чтобы обеспечить мягкую плавку, она легко осуществляется, и помогает образованию избыточного вязкого шлака, который обеспечивает хорошую текучесть в сварном шве, особенно в горизонтальной позиции. В этом случае шов выглядит аккуратным и ровным. К сожалению, эти покрытия также не очень эффективно очищают, поэтому они рекомендованы к использованию, когда основной материал не содержит большого количества примесей; более того, их невозможно хорошо осушить, поэтому в сварном шве образуется большое количество водорода.

В некоторых областях применения рутил сочетается с другим веществом, что типично для других покрытий, например, целлюлозных (рутилово-целлюлозных электродов) или флюоритовых (рутил-основных электродов). Обычно они предназначены для получения электрода со стабильной дугой, которая делает сварку более производительной.

Стабильность дуги - это свойство, позволяющее использовать электрод как для сварки постоянным, так и переменным током с прямой полярностью. Чаще всего они используются для сварки тонких изделий.

  • электроды с целлюлозным покрытием

Покрытие этих электродов в основном состоит из целлюлозы, смешанной с железными сплавами (магний и кремний). Покрытие практически полностью превращается  в газ, тем самым, позволяя сваривать в нисходящей вертикальной позиции, чего нельзя достичь при использовании других типов электродов; высокий уровень газификации целлюлозы снижает количество шлака в сварном шве. Образование большого количества водорода (образованного из определенного химического соединения покрытия) обеспечивает «горячую» сварную ванну, с плавлением значительного количества основного материала; таким образом, возможно достичь получения швов с высоким уровнем проникновения и небольшим количеством шлака в ванне.

Механические свойства сварного шва оптимальны; однако выглядит он не очень аккуратным, поскольку практически отсутствует жидкая защита покрытия, и это не позволяет сформироваться ванне во время затвердения.

Учитывая низкую стабильность дуги, обычно используется постоянный сварочный ток с обратной полярностью.

  • электроды с основным покрытием (базовые)

Покрытие этих электродов состоит из оксидов железа, железных сплавов и в первую очередь карбонатов кальция и магния, из которых с добавлением фтористого кальция, получается флюорит - минерал, используемый для облегчения плавки. У них высокая способность очищать основной материал, поэтому достигается высокое качество сварных швов со значительной механической прочностью. Эти электроды также выдерживают высокие температуры сушки, и не загрязняют ванну водородом. Флюорит делает дугу очень нестабильной: ванна менее жидкая, часто повторяются короткие замыкания, из-за переноса больших капель сварного материала; дуга должна постоянно быть очень короткой из-за низкой летучести покрытия; все эти свойства позволяют применять подобные электроды только опытным сварщикам. На сварных швах образуется твердый шлак, который трудно очистить. Для продолжения сварки он должен быть полностью удален. Эти электроды подходят для горизонтальной, вертикальной и верхней сварки.

Что касается сварочного тока, то рекомендуется использование источников питания постоянного тока  с прямой полярностью. Электроды с основным покрытием отличаются большим количеством выделяемого материала и хорошо адаптируются для сварки соединений большой толщины. Они очень гигроскопичны, и хранить их нужно в сухом месте в герметично закрытом контейнере. Если это невозможно, мы рекомендуем вновь просушить электрод перед использованием.

3. Свойства различных типов электродов

 ТИП 

 ПРЕИМУЩЕСТВА 

 НЕДОСТАТКИ 

 ПРИМЕНЕНИЕ 

 Кислотные 

 низкая стоимость,
 стабильная дуга,
 сварка
 переменным
 и постоянным
 током,
 шлак легко
 удаляется, 
 высокая степень
 раскисления,
 легкость
 в хранении 

 жидкая ванна,
 низкий очищающий 
 эффект,
 высокая степень
 образования
 водорода,
 шлак невозможно
 расплавить снова 

 горизонтальная сварка,
 низкоуглеродистая сталь
 с незначительными
 примесями,
 низкая стоимость сварки,
 удовлетворительные
 механические свойства
 (хорошая прочность, но
 есть риск появления
 трещин) 

 Рутиловые

 низкая стоимость,
 стабильная дуга,
 легкий поджиг,
 сварка переменным
 и постоянным 
 током,
 аккуратный шов,
 легко хранится

 жидкая ванна,
 низкий очищающий
 эффект,
 высокое
 производство
 водорода

 горизонтальная сварка,
 вертикальная и угловая
 сварка
 тонких материалов,
 низкоуглеродистая сталь
 с незначительными
 примесями,
 сварные швы аккуратны,
 но их механические
 свойства удовлетворительны
 (прочные, но есть риск
 появления трещин)

 Целлюлозные 

 хорошее
 проникновение,
 легко
 обрабатывается,
 низкое количество
 шлака

 необходимы
 источники
 питания
 постоянного
 тока с высоким
 напряжением
 нулевой нагрузки,
 неровный шов,
 высокое
 производство
 водорода

 сварка во всех
 положениях,
 включая
 нисходяще
 вертикальное,
 сварка труб или
 односторонняя
 сварка
 низкоуглеродистая
 сталь с
 незначительными
 примесями

 Основные

 прекрасно
 очищает
 материал,
 малое
 производство
 водорода,
 холодная ванна

 низкая
 стабильность дуги,
 шлак
 нельзя переплавить
 и трудно удалить,
 короткая дуга
 и низкая
 обрабатываемость,
 трудности при
 поджиге,
 источник питания
 постоянного тока
 трудно хранить
 сварка во
 всех положениях,
 даже в случае
 толстых
 материалов
 высокая степень
 выделения,
 высокое качество
 сварных швов, даже
 при использовании
 материалов,
 содержащих
 примеси
4. Выбор тока для разных типов электродов
  Средние значения сварочного тока (А)
 Диаметр  электрода

 1,60  

 2,00 

 2,50 

 3,25 

 4,00 

 5,00

 6,00 

 Кислотный электрод 

 -

 -

 -

 100-150  

 120-190 

 170-270 

 240-380 

 Рутиловый электрод

 30-55  

 40-70

 50-100  

80-130

120-170

150-250

220-370

 Целлюлозный электрод 

 20-45 

30-60

 40-80

70-120

 100-150

 140-230

200-300

 Основной электрод

 50-75  

 60-100  

 70-120  

 110-150  

140-200

190-260

 250-320

 
Классификация электродов

В соответствии с Европейскими нормами EN 499 покрытые электроды делятся на группы в зависимости от типа покрытия и их основных свойств:

а). В соответствии с современными стандартами, каждый электрод может быть полностью идентифицирован по данным, указанным на упаковке, например:

 E  44  T  3  C  1  9  R09  KV20 

* E = электрод

* 44 = предел прочности на разрыв, который может быть:
00 = без определенного значения
44 = минимальное гарантированное значение 44 Джоуля

* T = тип применения, бывает:
S = для тонких листов (до 4 мм)
L = для средних и толстых листов
T = для труб

* 3 = значение качества, которое может составлять от 1 до 4, повышается по мере прохождения специальных механических тестов

* С = тип покрытия, которое может быть:
R = рутиловым
RC = рутилово-целлюлозным
В = основным
RB = рутилово-основным
С = целлюлозным
V - специальным (будет указано на упаковке)

* 1 = сварочные позиции:
1 = все
2 = все, кроме нисходящего вертикального
3 = только горизонтальное и фронтально-горизонтальное (нормальный угол)
4 = только горизонтальное и установленный угол.

* 9 = используемый ток

* R09 = минимальная гарантированная производительность, выраженная в десятых;

* KV20 = дополнительный символ для низкотемпературных ударопрочных свойств;
в примере электрод обладает значением ударостойкости до -20 градусов Цельсия

б). Учитывая растущее использование классификаций AWS (Американское Общество специалистов по сварке) и ASTM (Американское общество по испытанию материалов) среди итальянских пользователей, каждый электрод описывается логотипом производителя так же, как и символом, как в следующем примере:

 E  60  1  1 

* Е = электрод

* 60 = минимальный предел прочности на разрыв, выраженный в фунтах на квадратный дюйм

* 1 = сварочные позиции, которые могут быть:
1 = все
2 = только горизонтальное с установленным углом.

* 1 = сварочный ток, который может быть:
0 = постоянным с электродом отрицательной полярности, для целлюлозных электродов;
1 = переменный и постоянный (положительный полюс)
2 = переменный и постоянный (отрицательный полюс)
3 = переменный и постоянный для рутиловых электродов
4 = переменный и постоянный для высокопроизводительных рутиловых электродов;
5 = постоянный с электродом отрицательной полярности, для основных электродов;
6 = переменный и постоянный для основных электродов;
7 = переменный и постоянный (любой полярности или только отрицательной) для высокопроизводительных электродов из оксида железа;
8 = переменный и постоянный (положительный полюс) для высокопроизводительных основных электродов.

Материалы, свариваемые ММА

материалы, свариваемые MMA

Когда вид стального сплава легко определить, можно использовать рутиловые электроды, поскольку они легче поджигаются и свариваются, а также дают красивый качественный шов.

На практике сварка средних и высокоуглеродистых сталей (>0,25%) может привести к образованию структурных дефектов. Применение сварки электродами в основном рекомендуется для сварки соединений от средней толщины до толстых с использованием основных электродов; в этом случае достигается шов хорошего качества с хорошим сопротивлением на излом.

Сварка стальных труб осуществляется с использованием целлюлозных электродов, поскольку при этом требуется хорошее проникновение и обрабатываемость электродов. Рекомендуется произвести косую заточку под таким углом, чтобы достичь почти полного проникновения электрода в зазор между свариваемыми кромками. 

Для каждого из таких материалов, как нержавеющая сталь, алюминий и его сплавы, чугун, требуется использование особых электродов.

Нержавеющие стали сваривают постоянным током с обратной полярностью, используя особые электроды, выбор которых зависит от состава соединений свариваемого материала (присутствие хрома или никеля в разных пропорциях).

Алюминий и легкие сплавы свариваются постоянным током с обратной полярностью. Желательно использование профессионального усилителя, чтобы гарантировать стабильный поджиг электрода.

В этом случае также используются специальные электроды, выбор которых зависит от состава свариваемого материала (присутствия хрома, магния и кремния в разных пропорциях).

Чугун сваривают постоянным током с обратной полярностью; большинство чугунных деталей отливают, а сварка используется для устранения возможных дефектов или же ремонта. При сварке используют особые электроды, а основной материал нужно хорошо нагреть перед использованием.