2.1.WPROWADZENIE

Spawanie elektrodami otulonymi należy do metod elektrycznych łukowych, w których łuk spawalniczy jarzy się
między topliwą elektrodą pokrytą otuliną, a materiałem spawanym (rys. 2.1). Spoinę tworzą nadtopione krawędzie
elementów łączonych, stapiający się rdzeń elektrody oraz składniki metaliczne otuliny. Udział Krople metalu
stapiającej się elektrody, ciekłe jeziorko spawalnicze oraz krystalizującą spoinę chroni przed dostępem tlenu i azotu
z powietrza osłona gazowa, powstająca w wyniku stapiania się otuliny, złożonej głównie CO

2

, CO i H

2

O wraz

z produktami ich rozpadu. Podczas krystalizacji spoiny gazy ochronne wspomaga tworząca się powłoka żużlowa.
Spawanie elektrodami otulonymi zwykle jest procesem ręcznym, wymagającym od spawacza dużych umiejętności.
Doświadczony spawacz musi kontrolować kilka ruchów: ruch elektrody wzdłuż linii spawania (1), ruch elektrody w
kierunku spoiny (2) oraz niekiedy nieliniowe ruchy końca elektrody (3), szczególnie uzasadnione

2.2.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 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 dobre 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 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
- rutylowe R - zawierają dużą ilość rutylu TiO

2

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].wytrzymałościowe spoiny.
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.

Spawanie elektrodą otuloną, mimo ogromnej popularności, jest metodą wymagającą od spawacza znacznych
umiejętności. Wprawdzie producenci źródeł prądu i materiałów dodatkowych, przez ciągłe udoskonalanie swoich
produktów, stale dążą do poprawy ergonomii spawania, jednak prawidłowe przeprowadzenie procesu spawania
wymaga połączenia doświadczenia spawacza i odpowiednio dobranych parametrów spawania. Do podstawowych
parametrów spawania ręcznego elektrodą otuloną należą [1-3, 5-7]:
1. Rodzaj i natężenie prądu spawania.
Natężenie prądu spawania jest parametrem, który w największym stopniu decyduje o ilości ciepła wprowadzonego do
spoiny i prędkości stapiania elektrody. Proces spawania elektrodą otuloną może być przeprowadzony:
- Prądem stałym (DC):
· biegunowością dodatnią (biegun dodatni podłączony do zacisku elektrody, DC+),
· biegunowością ujemną (biegun ujemny podłączony do zacisku elektrody, DC-),
- Prądem przemiennym (AC).
Rodzaj prądu spawania wypływa na stabilność jarzenia się łuku, przenoszenie w nim kropli ciekłego metalu, kształt
ściegu spoiny oraz głębokość wtopienia. Prąd stały zapewnia bardziej stabilny łuk i równomierne przenoszenie
ciekłego metalu w łuku, ograniczając liczbę rozprysków nawet przy niskich natężeniach prądu. Ponadto, większe jest
przetopienie brzegów łączonych materiałów i mniejsze tendencje do zwarcia łuku. Niektóre gatunki elektrod (głównie
elektrody zasadowe, przeznaczone do spawania stali o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości oraz stali stopowych)
wymagają bardzo dobrej stabilności jarzenia się łuku, które może zapewnić spawanie z biegunowością dodatnią. W
takiej konfiguracji większa jest głębokość wtopienia w porównaniu z procesem spawania z biegunowością ujemną.
Spawanie prądem zmiennym stosuje się rzadko, raczej w warunkach „domowych” z uwagi na mały koszt urządzenia
(spawarka transformatorowa).
Wartość natężenia prądu jest dobierana w zależności od rodzaju spawanego materiału, jego grubości, średnicy
zastosowanej elektrody oraz pozycji spawania. Podczas spawania natężenie prądu powinno utrzymywać stałą,
stabilną wartość, która nie zależy od długości łuku elektrycznego. Z tego względu zalecana jest stromo opadająca
charakterystyka statyczna źródła prądu, która zapewnia utrzymanie stałej wartości prądu w funkcji napięcia (rys. 2.5).
Im bardziej stroma charakterystyka prądowo-napięciowa źródła tym mniejsze są zmiany natężenia prądu (

_

I) przy

zmieniającej się długości łuku elektrycznego (powodującej zmiany napięcia

_

U). Do spawania w pozycjach

wymuszonych dopuszcza się użycie źródeł o łagodnie opadającej charakterystyce w celu regulacji natężenia prądu
długością łuku.
2. Napięcie łuku.
Podczas spawania ręcznego elektrodą otuloną napięcie łuku jest wielkością proporcjonalną do długości łuku.
Napięcie pomiędzy elektrodą, a materiałem spawanym, przed zamknięciem obwodu spawania określane jest jako tzw.
napięcie biegu jałowego (U

0

), a jego wartość dla większości urządzeń do spawania elektrodą otuloną wynosi od 45-

120 V. Wartość napięcia biegu jałowego określa łatwość zajarzenia łuku – im większa jego wartość tym łatwiej
zajarzyć łuk. Podczas procesu spawania napięcie zmniejsza się do ok. 20-40 V, a w sytuacji zwarcia łuku spada do
zera.

3. Długość łuku.
Długość łuku wpływa na charakter przechodzenia ciekłego metalu w łuku (zwarciowy, natryskowy) oraz na prędkość
i efektywność procesu spawani [5]. Jego długość powinna wynosić około 0,5-1 średnicy elektrody d. Zbyt długi łuk
daje duży rozprysk i ułatwia dostęp powietrza do strefy łuku, co powoduje porowatość spoin. Krótki łuk gwarantuje
uzyskanie złącza o lepszych właściwościach, jednak jego nadmierne skrócenie może spowodować zażużlenie spoiny,
a w skrajnych przypadkach przyklejenie elektrody.

2.6.ZALETY I WADY SPAWANIA ELEKTRODAMI
OTULONYMI

Spawanie elektrodami otulonymi, jako bardzo uniwersalna metoda, charakteryzuje się wieloma zaletami, a
mianowicie [1-5]:



możliwe jest spawanie różnych rodzajów i gatunków metali i stopów: stali niestopowych i stopowych, żeliwa, niklu,

miedzi i jej stopów,



możliwe jest spawanie w każdej pozycji, w warunkach polowych (przy słabym wietrze), na wysokościach, a nawet

pod wodą,



zapewnia ono wysoka jakość i dobre własności mechaniczne spoin,



możliwe jest spawanie cienkich (praktycznie od 1,5 mm) i grubych elementów (spoiny o grubościach powyżej 4 mm

zaleca się wykonywać wielowarstwowo),



umożliwia wykorzystywanie prostych w obsłudze, przenośnych i stosunkowo tanich urządzeń do spawania.

Jak każda metoda spawania, także spawanie elektrodami otulonymi wykazuje wady, do których można zaliczyć [1-5]:



małą wydajność spawania (ok. 1-5 kg stopiwa/h), szczególnie uciążliwą przy spawaniu grubych elementów,



małą prędkość spawania (ok. 0,1-0,4 m/min.),



konieczność usuwania żużla i wymiany elektrod, co dodatkowo zmniejsza wydajność procesu,



większy współczynnik strat na rozprysk,



duże uzależnienie jakości spoin od umiejętności spawacza,



jest metodą spawania z największą skłonnością do powstawania niezgodności,



duża wrażliwość na wilgoć – szczególnie elektrod zasadowych,



duża ilość wydzielanych gazów i dymów spawalniczych,



stosunkowo duży koszt materiałów dodatkowych (elektrod) w porównaniu z innymi metodami.