mały|300px|Spawanie elektrodami otulonymi mały|Amerykański patent z 1887 roku metody spawania elektrodą węglową wynalezioną przez Stanisława Olszewskiego oraz Nikołaja Benardosa w 1885. Spawanie elektrodami otulonymi (również spawanie elektrodą otuloną, – , lub też – , metoda 111) – metoda spawania łukowego przy pomocy topliwej elektrody metalowej pokrytej otuliną topnika. Prąd elektryczny (stały lub przemienny, stosownie do potrzeb) wytwarza łuk elektryczny pomiędzy elektrodą i łączonymi metalami. W czasie spawania otulina rozkłada się pod wpływem wysokiej temperatury, dając substancje gazowe, które służą za gaz osłonowy, oraz żużel. Obydwa z powyższych chronią spoinę przed wpływem powietrza atmosferycznego. Żużel dodatkowo pokrywa spoinę, zmniejszając szybkość jej stygnięcia.
Ze względu na uniwersalność metody i prostotę użytego sprzętu oraz prowadzenia procesu, spawanie elektrodami otulonymi jest jedną z najpopularniejszych metod spawalniczych. Jest dominującą metodą w przemyśle konserwacyjnym i naprawczym. Pomimo wzrostu popularności alternatywnej metody – spawania drutem rdzeniowym – SMAW pozostaje szeroko wykorzystywaną metodą w budowie konstrukcji stalowych i produkcji przemysłowej. Metoda jest stosowana głównie do spawania stali (w tym również nierdzewnych), lecz można nią spawać także stopy glinu, niklu i miedzi.
Początki i rozwój
Przez ponad 80 lat od odkrycia łuku elektrycznego w 1800 spawanie elektryczne prawie się nie rozwijało. W 1885 roku dwóch inżynierów — Rosjanin greckiego pochodzenia Nikołaj Benardos oraz Polak Stanisław Olszewski — wynalazło nową elektryczną metodę spawalniczą nazwaną przez nich Elektrogefest. Jej nazwa pochodziła od połączenia dwóch słów – „elektryczność” oraz od imienia greckiego boga ognia „Hefajstosa”. Inżynierowie ci zaprojektowali również wszystkie obecnie używane w procesie spawania elementy jak oryginalną spawarkę transformatorową zasilaną prądem zmiennym, umieszczoną w uchwycie elektrodę (wówczas nietopliwą, węglową), zacisk masy oraz łączące całość kable. Cały proces oparty był na wykorzystaniu zjawiska łuku elektrycznego i dzięki prostocie użytkowania upowszechnił się on na całym świecie do tego stopnia że data 10 października 1885 będąca przyznaniem obu inżynierom francuskiego patentu uznawana jest obecnie za datę narodzin nowoczesnego spawalnictwa.
Metoda ta doczekała się również później szeregu innowacji. W 1888 roku Nikołaj Sławianow wynalazł topliwą elektrodę metalową, która zastąpiła używane dotychczas w procesie Elektrogefest stałe i nietopliwe elektrody węgloweCary, Helzer, s. 5.. Około roku 1900 A.P. Strohmenger oraz wytworzyli pierwsze elektrody otulone. Strohmenger użył do ich produkcji gliny i wapna, podczas gdy Kjellberg zanurzał drut stalowy w mieszaninach węglanów i krzemianówCary, Helzer, s. 6..
Prowadzenie procesu mały|300px|Schemat okolic łuku podczas spawania Aby zajarzyć łuk elektryczny, należy zetknąć elektrodę z przedmiotem i szybko ją cofnąć, aby uniknąć jej przyklejenia. Inną znaną techniką jest pocieranie elektrody o spawany metal w sposób podobny do zapalania zapałki. Łuk elektryczny powoduje topienie metalu podłoża oraz elektrody, której krople wpadają do jeziorka spawalniczego – małego obszaru stopionego metalu podłoża.
W czasie topnienia elektrody rozkładają się związki chemiczne zawarte w otulinie elektrody, tworząc gazowe produkty, których obłok chroni stopiony metal przed utlenianiem i zanieczyszczeniem spowodowanym składnikami atmosfery. Dodatkowo część składników otuliny stapia się, tworząc płynny żużel pokrywający krople metalu wędrujące z elektrody. Żużel następnie wypływa na powierzchnię stopionego metalu i krzepnie, tworząc na jego powierzchni płaszcz chroniący przed dalszym utlenianiem podczas chłodzenia spoiny. Żużel należy następnie usunąć z ostygłej spoiny przez ostukiwanie go specjalnym młotkiem. W czasie spawania należy sukcesywnie wymieniać elektrody na nowe i usuwać żużel. Sprawia to, że dużą część czasu przeznaczonego na spawanie zabierają dodatkowe zabiegi, zmniejszając efektywność czasową tej metody. Zwykle przyjmuje się, że czas przeznaczony na kładzenie spoiny stanowi około 25% czasu spawaniaCary, Helzer, s. 102, 115..
Właściwa technika spawania zależy od elektrody, składu metalu spawanego oraz pozycji i rodzaju kładzionej spoiny. Wybór elektrody i pozycji spawania determinuje prędkość spawania. Spoiny w pozycji podolnej wymagają najmniej umiejętności i mogą być wykonywane przy pomocy elektrod, które szybko się topią, lecz powoli krzepną. To umożliwia zwiększenie szybkości spawania. Spoiny nachylone, pionowe lub w innych pozycjach przymusowych wymagają większych umiejętności spawacza oraz często wymuszają stosowanie specjalnych elektrod (szybciej krzepnących), aby uniknąć wylewania się metalu z jeziorka spawalniczego. Jednakże elektrody takie zwykle topią się wolniej, co wydłuża czas konieczny do położenia spoiny.
Jakość Najczęstszymi wadami spawalniczymi ujawniającymi się w spoinach wykonanych metodą SMAW są rozpryski, porowatość spoiny, wady przetopu i pęknięcia. Rozpryski, choć nie osłabiają połączenia, wpływają negatywnie na jego wygląd i zwiększają koszt czyszczenia. Mogą być spowodowane przez nadmierny prąd, zbyt długi łuk lub ugięcie łuku (występujących dla dużych prądów spawania). Ugięcie łuku może również powodować porowatość spoiny, podobnie jak uczynić może zanieczyszczenie spoiny, duża prędkość spawania i zbyt długi łuk, zwłaszcza dla elektrod niskowodorowych. Porowatość, często niewidoczna bez stosowania zaawansowanych metod badań nieniszczących, jest poważnym problemem, gdyż może osłabiać spoinę. Kolejnym defektem gotowego złącza jest słabe wtopienie, które jest zwykle dobrze widoczne. Może być powodowane przez niski prąd, zanieczyszczenie spawanych powierzchni lub użycie nieprawidłowej elektrody. Płytkiej penetracji, kolejnemu zagrożeniu dla własności mechanicznych złącza, można zaradzić przez zmniejszenie prędkości spawania, zwiększenie prądu lub zastosowanie cieńszej elektrody. Wszystkie z powyższych defektów mogą przyczyniać się do zwiększenia podatności spoiny na pękanie, lecz liczą się też inne czynniki. Wysoka zawartość węgla, składników stopowych lub siarki może prowadzić do pękania, zwłaszcza jeśli nie są stosowane podgrzewanie przed spawaniem i elektrody o obniżonej zawartości wodoru. Co więcej, spawane przedmioty nie powinny być zbyt mocno umocowane przed odkształceniami w czasie spawania, gdyż wprowadza to naprężenia szczątkowe do złącza i może powodować pękanie w czasie chłodzenia i kurczenia spawuLincoln Electric, 6.2-18–6.2-20, 3.2-1..
Bezpieczeństwo Spawanie elektrodami otulonymi, jak każda metoda spawania, może być niebezpieczna, jeśli nie zostaną podjęte odpowiednie czynności zapobiegawcze. W metodzie tej stosuje się nieosłonięty łuk elektryczny stwarzający ryzyko oparzeń. Aby temu zapobiec, stosuje się środki ochrony osobistej w postaci skórzanych rękawic i koszuli z długim rękawem.
Silne promieniowanie widzialne w okolicy łuku elektrycznego i stygnącej spoiny może powodować ślepotę śnieżną. Jest to oparzenie rogówki oka spowodowane promieniowaniem nadfioletowym występujące również wraz z poparzeniem siatkówki. Aby zapobiec ekspozycji oczu na szkodliwe promieniowanie używa się tarcz ochronnych lub hełmów ze szklanym filtrem osłabiającym intensywność światła i blokującym ultrafiolet. W ostatnich czasach zaczęto produkować hełmy z filtrem samoczynnie ściemniającym się pod wpływem dużych ilości promieniowania UV. Dodatkowo stosuje się ekrany ochronne chroniące osoby postronne przed wpływem promieniowania. Ekrany te wykonuje się z tkaniny lub folii. Na dole ekranu pozostawia się wolną przestrzeń dla zapewnienia cyrkulacji powietrza w miejscu spawaniaSzustakowski, s. 375..
Parujące metale i substancje zawarte w otulinie elektrody narażają spawaczy na niebezpieczne gazy i aerozole lub dymy. Wytwarzane na miejscu spawania dymy zawierają cząsteczki różnych tlenków. Rozmiar cząsteczek ma wpływ na ich toksyczność – mniejsze stwarzają większe zagrożenie. Dodatkowo w okolicy łuku elektrycznego mogą tworzyć się gazy, takie jak dwutlenek węgla lub ozon będące gazami toksycznymi – należy więc stosować wentylację o odpowiedniej wydajności. Niektóre nowoczesne maski i hełmy spawalnicze posiadają elektryczny wentylator pomagający rozwiewać szkodliwe oparyCary, Helzer, 52-62..
Stosowanie i materiały SMAW jest jedną z najpopularniejszych metod spawania na świecie stanowiącą ponad połowę spawania w niektórych krajach. Z powodu swojej uniwersalności i prostoty jest dominującą metodą w przemyśle konserwacyjnym i naprawczym oraz mocno wykorzystywaną w budowie stalowych konstrukcji i w produkcji przemysłowej. Ostatnimi laty jej znaczenie stopniowo maleje ze względu na popularyzację spawania drutem rdzeniowym przy przemyśle budowlanym oraz spawania MIG/MAG w zastosowaniach przemysłowych. Jednakże z powodu niskich cen sprzętu oraz szerokiej stosowalności metoda ta prawdopodobnie pozostanie popularna, szczególnie pośród amatorów i małych przedsiębiorstw, gdzie wyspecjalizowane metody spawalnicze są niepotrzebne i nieekonomiczne.
Spawanie elektrodą otuloną jest często stosowane do łączenia stali węglowych oraz nisko- i wysokostopowych, stali nierdzewnych, żeliwa i żeliwa sferoidalnego. Metale nieżelazne takie jak miedź, nikiel i ich stopy i w rzadkich przypadkach aluminium są spawane tą metodą rzadziej. Minimalna grubość spawanego materiału jest zależna głównie od umiejętności spawacza, lecz rzadko schodzi poniżej 1,5 mm. Górna granica grubości nie istnieje. Dzięki odpowiedniemu przygotowaniu złącza i wielu przebiegom można spawać materiały o praktycznie nieograniczonej grubości. Co więcej, metodę w zależności od używanej elektrody i umiejętności spawacza można stosować w każdej pozycjiCary, Helzer, 103..
Sprzęt mały|300px|Sprzęt używany do spawania elektrodami otulonymi mały|300px|Schemat spawania metodą SMAW Sprzęt używany do spawania elektrodami otulonymi zwykle składa się ze spawarki, elektrody, zacisku masy, uchwytu elektrody i przewodów łączących powyższe elementy.
Spawarka Spawarki używane w metodzie SMAW posiadają stały prąd na wyjściu, zapewniający względnie stałe ciepło spawania, nawet przy zmiennej długości łuku i napięcia. To ważne, ponieważ większość zastosowań metody SMAW to spawanie ręczne, wymagające od spawacza trzymania uchwytu. Utrzymanie odpowiednio stabilnego łuku jest trudne, jeśli stosuje się stałonapięciową spawarkę, ponieważ powoduje ona duże wahania ciepła i czyni spawanie trudniejszym. Z drugiej strony, doświadczeni spawacze wykonujący skomplikowane spoiny mogą regulować natężenie prądu przez skracanie i wydłużanie łuku, ponieważ prąd nie utrzymuje zupełnie stałej wartościJeffus, s. 47.. mały|lewo|Prostownik spawalniczy do spawania elektrodami otulonymi. Preferowana polaryzacja systemu SMAW zależy głównie od używanej elektrody i pożądanych właściwości gotowego złącza. Przy spawaniu prądem stałym ilość ciepła na biegunie dodatnim stanowi około 70% całkowitego ciepła wydzielanego w łuku. Tak więc biegunowość ma wpływ na prędkość stapiania elektrody i głębokość wtopienia. Prąd stały z ujemnie naładowaną elektrodą () zwiększa penetrację spoiny, jako że większość ciepła wydziela się na spawanym przedmiocie. Odwrócenie polaryzacji (DCEP – Direct Current Electrode Positive) powoduje powstawanie większości ciepła na elektrodzie, zwiększając tempo jej topnienia i zmniejszając głębokość spoiny. Spawanie prądem zmiennym, gdzie polaryzacja zmienia się 100 razy w ciągu sekundy, daje równy rozkład ciepła i zapewnia kompromis pomiędzy topnieniem elektrody i penetracją spoinyJeffus, s. 46–47..