Budowa i rodzaje elektrod

Elektrody otulone są metalowymi prętami otoczonymi sprasowaną otuliną (rys. 2.3), służącymi do spawania, napawania oraz rzadziej cięcia. Dobierane są głównie w zależności od składu chemicznego, właściwości i gabarytów materiałów

łączonych, ale także spodziewanej wytrzymałości złącza, rodzaju źródła prądu czy pozycji spawania [5].

Rdzeń elektrody, którego średnica d jest podawaną średnicą elektrody, najczęściej wykonany jest z pręta litego. Gdy zachodzi konieczność uzyskania określonego składu chemicznego stopiwa, np. w przypadku spawania stali wysokostopowych lub napawania określonych warstw, stosuje się rdzenie proszkowe [3-5]. Rzadziej stosuje się rdzenie z prętów odlewanych, spiekanych czy bimetalowych [7]. Rdzeń elektrody w większości przypadków zbliżony jest pod względem składu chemicznego oraz struktury do gatunku materiałów łączonych. Wyjątkiem są elektrody do napawania oraz elektrody do spawania materiałów trudno spawalnych (stale ferrytyczno-martenzytyczne, żeliwa, połączenia różnoimienne) [6,7].

36 Otulina jest sprasowaną mieszaniną składników głównie mineralnych, a także

organicznych, i dodatków stopowych. W celu zwiększenia uzysku stopiwa, a przez to wydajności spawania, niekiedy do otuliny dodaje się proszku żelaza. Głównym

zadaniem otuliny jest osłona łuku przed dostępem atmosfery. Do pozostałych jej funkcji należą: wprowadzenie do obszaru spawania pierwiastków odtleniających, wiążących azot i rafinujących ciekły metal spoiny, wytworzenie powłoki żużlowej nad ciekłym jeziorkiem i krzepnącym materiałem spoiny, stabilizacja łuku spawalniczego, regulacja składu chemicznego spoiny [1-5]. Funkcje te spełniają następujące składniki [5-7]:

• gazotwórcze – wytwarzające odpowiednią osłonę gazową chroniącą przed dostępem tlenu i azotu z powietrza,

• żużlotwórcze – stanowiące również barierę ochronną dla spoiny, a także zmniejszające prędkość chłodzenia i formujące lico spoiny,

• stabilizujące jarzenie się łuku – pierwiastki o niskim potencjale jonizacyjnym (Ca, K, Na),

• odtleniające ciekły metal, wiążące azot i rafinujące ciekły metal spoiny, • stopowe – sproszkowane metale i żelazostopy,

• wiążące – np. szkło wodne i dekstryna.

Otulina powinna być jednorodna i spoista, współosiowa względem rdzenia, odporna na uderzenia i wstrząsy, bez porów, pęknięć, zgrubień i porowatości. Czoło elektrody powinno mieć kształt stożkowy, kulisty lub pośredni. Wskazane jest, aby zawierało ono specjalną powłokę, ułatwiającą zajarzenie łuku. Otulina powinna się topić równomiernie, bez nadmiernego rozprysku.

Wyróżnia się różne rodzaje elektrod, podzielone ze względu na następujące kryteria:

• Skład chemiczny otuliny [3,4,6,7]:

- kwaśne A - w otulinie zawartych jest dużo składników odtleniających

(głównie żelazomangan), ale również tlenków żelaza, manganu, krzemu. Przeznaczone są zwykle do spawania stali niestopowych o dobrej spawalności, z uwagi na dużą zawartość wodoru powodującego pęknięcia na zimno. Wykonane za pomocą tych elektrod spoiny wykazują przeciętne własności wytrzymałościowe i są wrażliwe na powstanie pęknięć krystalizacyjnych. Kwaśny żużel sprzyja drobnokroplowemu (natryskowemu) przechodzeniu metalu w łuku, co powoduje powstanie

płaskiego i gładkiego lica. Tym rodzajem elektrod można spawać w pozycji podolnej i nabocznej, natomiast w ograniczonym stopniu nadają

się one do spawania w pozycjach przymusowych. Stosuje się prąd przemienny lub stały z minusem na elektrodzie. Przed procesem spawania zaleca się suszenie elektrod przez ok. 1 h w temperaturze 100-150 °C. - zasadowe B - zawierają dużo węglanów wapnia i magnezu oraz fluorytu.

Przeznaczone są do spawania stali o podwyższonej zawartości węgla, stali

nisko- i wysokostopowych. Ze względu na zwiększoną udarność i odporność na pękanie stosuje się je do spawania odpowiedzialnych

37 konstrukcji. Duża czystość metalurgiczna zapewnia małą skłonność elektrod zasadowych do pęknięć na gorąco, natomiast mała zawartość wodoru (<15 ml/100 g stopiwa) do pęknięć na zimno złącza. W celu utrzymania niewielskiej zawartości wodoru w spoinie konieczne jest suszenie elektrod przez okres 1-3 h w temperaturze od 300-350 °C [4].

Elektrodami zasadowymi można spawać we wszystkich pozycjach, z wyjątkiem pionowej z góry na dół. Z uwagi na trudności w topieniu

proces spawania odbywa się z biegunowością dodatnią (plus na elektrodzie) i musi być utrzymywany stosunkowo krótki łuk.

- celulozowe C - zawierają dużo substancji palnych (celuloza), które

powodują intensywne jarzenie łuku. Elektrodami celulozowymi można spawać we wszystkich pozycjach (w tym pozycji pionowej z góry na dół). Najkorzystniejsze właściwości jarzenia się łuku uzyskuje się przy wilgotności otuliny ok. 3% [4], z tego względu elektrody te nie wymagają suszenia przed procesem spawania i są mało wrażliwe na oddziaływania

warunków atmosferycznych. To z kolei zwiększa zawartość wodoru w spoinie, zmniejsza udarność i własności wytrzymałościowe spoiny.

- rutylowe R - zawierają dużą ilość rutylu TiO2 oraz odtleniacze, głównie żelazokrzem i żelazomangan. Z uwagi na drobnokroplowy charakter przenoszenia ciekłego metalu w łuku znajdują szerokie zastosowanie przy spawaniu cienkich blach. Elektrodami rutylowymi spawa się prądem przemiennym lub prądem stałym z biegunowością ujemną. Proces spawania może odbywać się we wszystkich pozycjach, za wyjątkiem pionowej z góry na dół. Elektrody rutylowe charakteryzują się małą ilością rozprysków podczas spawania, stabilnym łukiem elektrycznym, dobrze jarzącym się przy różnych długościach łuku a także przy spawaniu prądem przemiennym. Przeznaczone są głównie do spawania stali niskowęglowych dobrze spawalnych, w tym w warunkach montażowych, w przypadku których trudno zachować jednakową długość łuku.

- utleniające O - (wyróżnianie przez niektóre źródła literaturowe) zawierają

dużo tlenków żelaza, a małą ilość składników odtleniających, przez co spoiny mają gorsze własności mechaniczne [4,5].

Kryterium składu chemicznego otuliny różnicuje dodatkowo elektrody mieszane: rutylowo – kwaśne RA, rutylowo – zasadowe RB, rutylowo – celulozowe RC.

• Zastosowanie elektrod otulonych [4,5] do:

- spawania stali niestopowych i drobnoziarnistych, - spawania stali o wysokiej wytrzymałości, - spawania stali nierdzewnych i żaroodpornych, - spawania stali odpornych na pełzanie,

- spawania żeliwa,

- spawania metali nieżelaznych i ich stopów, - napawania.

38 • Grubość otuliny elektrody [3-6]:

- cienko otulone D/d ≤1,2, - średnio otulone D/d =1,2÷1,4, - grubo otulone D/d ≥1,4.

W tej grupie wyróżnia się niekiedy dodatkowo elektrody bardzo grubo otulone (wysokowydajne) oraz elektrody wielowarstwowe.

Elektrody otulone, szczególnie zasadowe, powinny być odpowiednio przechowywane, a w razie konieczności suszone przed rozpoczęciem procesu

spawania w celu obniżenia zawartości wodoru. Wilgoć, nawet ta znajdująca się w powietrzu może mieć istotny wpływ na obniżenie własności spoin i zwiększenie

ich podatności na pęknięcia na zimno. Suszenie elektrod powinno się odbywać

zgodnie z zaleceniami producenta, najczęściej umieszczanymi na pudełkach z elektrodami (np. suszyć w temp. 250-350 °C przez 2 godziny). Jeżeli występuje

taka konieczność, elektrody kwaśne i rutylowe suszy się w temperaturze około 100-150 °C, natomiast elektrod celulozowych zwykle się nie suszy. Od momentu

zakończenia procesu suszenia do rozpoczęcia spawania elektrody powinny być odpowiednio przechowywane, ewentualnie transportowane. Do tego celu służą suszarki (przenośne lub stacjonarne), cieplarki (przenośne lub stacjonarne) lub odpowiednie termosy. Znane są również rozwiązania pakowania próżniowego elektrod lub przechowywania w specjalnych szczelnych opakowaniach.

Każdy producent elektrod otulonych jest zobowiązany do jednolitego oznaczenia opakowania elektrod otulonych, na którym jednoznacznie określone zostanie ich przeznaczenie, rodzaj i własności. W zależności od przeznaczenia elektrod otulonych do spawania łukowego, stosowane są różne rodzaje oznaczeń, niemniej jednak zawsze

wg ściśle określonych zasad. Na początku oznaczenia podawany jest numer normy z indeksem A lub B klasyfikującym elektrody na podstawie granicy plastyczności i pracy łamania 47 J (A) lub na podstawie wytrzymałości na rozciąganie i pracy

łamania 27 J (B). Następnie umieszczane jest oznaczenie E symbolizujące elektrodę otuloną oraz symbole liczbowe i literowe odnoszące się do własności elektrody.

Dokładny opis symboli elektrod (do spawania stali niestopowych i drobnoziarnistych) na poszczególnych pozycjach zamieszczony jest w normie PN-EN ISO 2560:2010.

Oznaczenie elektrod do spawania stali o wysokiej wytrzymałości, stali nierdzewnych i żaroodpornych, do spawania żeliwa i metali nieżelaznych objęte jest odrębnymi normami.

Poza wymienionymi oznaczeniami, dotyczącymi przeznaczenia, rodzaju oraz właściwości elektrod, na opakowaniach z elektrodami znajdują się również inne wskazówki dotyczące ich właściwego użytkowania, m.in. symboliczne oznaczenia

właściwych pozycji spawania (rys. 2.4a) oraz rodzaju prądu i biegunowości (rys. 2.4b).

39

Rys. 2.4. Oznaczenia pozycji spawania (a) oraz rodzaju prądu i jego biegunowości (b) umieszczane na opakowaniach z elektrodami