Сварка электродами

При изготовлении и монтаже оборудования тепловых электростанций с применением сварки используют электроды ЦУ-5, обеспечивающие относительно высокую надежность физической защиты плавящегося металла и, в основном, отвечающие требованиям, которые предъявляют к электродам, предназначенным для сварки неповоротных стыков труб. Однако при сварке в труднодоступных местах и различных пространственных положениях в швах, выполненных данными электродами, часто встречаются дефекты, преимущественно в виде пор, особенно так называемых стартовых.

Локальное пересыщение металла шва в зоне неустановившегося режима (начало, конец) по сравнению с участками шва, выполненными в установившемся режиме, связано с повышенным содержанием азота и водорода в начале шва и кислорода и водорода — при обрыве дуги (без заметного участия азота). При этом наиболее эффективным средством снижения уровня газо-насыщения металла при дуговой сварке электродами с фтористо-кальциевым покрытием является стабильность газовой защиты, определяемая составом покрытия (количеством карбонатов) и коэффициентом массы покрытия.

Для снижения количества так называемых стартовых пор следует сокращать длительность неустановившегося разряда за счет улучшения эмиссионных свойств фтористо-кальциевого покрытия.

Механизм воздействия веществ-ионизаторов на дугу сводится к снижению работы выхода электронов из катода и усилению обменной ионизации дугового разряда (газа). Наименьшим потенциалом ионизации, как известно, обладают щелочные и щелочно-земельные металлы. Так, энергия сродства атомов (кДж/моль) к электрону следующая: -186 (Са); 38 (Сз); 29 (К); 33 (На); 56 (Ре); 72,76 (Н); 134 (51); 141,5 (0); 348,7 (С1); 332,7 (Ре) и 48 (А1).

Поэтому применение калиевого стекла вместо натриевого приводит к улучшению эмиссионных свойств электродов, однако оно уступает натриевому по технологичности при изготовлении электродов. Кроме этого, увеличивается гигроскопичность покрытия готовых электродов, что ограничивает применение калиевого стекла при изготовлении фтористо-кальциевых электродов.

Известно о введении в покрытие электродов поташа (К2С03) или соды (Ма2С03) в качестве пластификаторов электродной массы, однако эти компоненты также весьма гигроскопичны. Повышение стабильности горения дуги при введении данных ионизаторов сопровождается нежелательным насыщением наплавляемого металла кислородом и водородом.

Введение в состав покрытия компонентов, содержащих в своем составе оксиды натрия и калия, также не дало положительных результатов по улучшению эмиссионной способности электродов. Поэтому было решено ввести в состав покрытия алюминий, имеющий невысокие потенциал ионизации (48 кДж/моль) и температуру плавления (923 К), с одной стороны, и большое сродство к кислороду — с другой. Было выдвинуто предположение о том, что при взаимодействии алюминия с жидким стеклом, в результате теплового эффекта реакции окисления алюминия, в зону дугового разряда будут дополнительно поступать пары Ма20 (ТВ03Г = 1548 К) и К20 (разлагается при температуре свыше 573 К), что должно способствовать улучшению эмиссионных свойств электродов.

Для проверки этого предположения изготовили электроды ЦУ-5 с различным количеством алюминия в покрытии, вводимого за счет соответствующего исключения из состава СаР2 (табл. 1). За критерий технологической стабильности дуги приняли величину тока, при которой возможно существование дугового разряда. Минимальные значения тока, при которых возможно существование дугового разряда для электродов ЦУ-5, — 45 В, для экспериментальных электродов ЦУ-А1—ЦУ-АЗ и ЦУ-А4 — 40 и 45 В соответственно.

Сварку выполняли постоянным током обратной полярности от источника питания с напряжением холостого хода 90 В. Введение алюминия даже в незначительном количестве в покрытие электродов ЦУ-5 приводит к снижению величины минимального тока, при котором возможно стабильное существование дугового разряда. Однако при увеличении содержания алюминия в покрытии свыше 1 % происходит зашлаковка торца электрода, что отрицательно сказывается на повторном зажигании дуги.

Электродами ЦУ-А1—ЦУ-А4 выполняли шестислойные наплавки. Образцы на газовый анализ вырезали из участков, наплавленных в установившемся режиме. На рис. 1 приведены результаты газового анализа наплавленного металла с применением метода вакуум плавки. Видно, что введение алюминия в покрытие электродов ЦУ-5 способствует увеличению содержания кислорода и уменьшению азота в наплавленном металле. Кроме того, при увеличении количества алюминия в покрытии свыше 1 % незначительно повышается содержание диффузионного водорода, определяемого по глицериновой пробе.