Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка (ЭШС) масштабно применяется в промышленности для неразъёмного соединения деталей большой толщины из: сталей, чугунов, меди, алюминия, титана и их сплавов. ЭШС возможно сваривать за один проход детали практически любой толщины, что не требует удаления шлака и соответствующей настройки сварочной установки перед сваркой последующего прохода, как при других способах сварки. Для сварки можно использовать один или несколько проволочных электродов или электродов увеличенного сечения. При ЭШС достигается высокая производительность и экономичность процесса, которые тем выше, чем толще свариваемые элементы.

У ЭШС есть и недостатки, ЭШС экономически невыгодна при изготовлении конструкций из элементов толщиной более 40 мм. Способ позволяет сваривать только вертикальные швы. При сварке конструкций из некоторых металлов образование неблагоприятных структур в металле шва и околошовной зоны требует последующей термообработки, обеспечивающей необходимые свойства сварного соединения.

Технология сварки

Расплавленные электрической дугой флюсы образуют шлаки, которые являются проводниками электрического тока. Если конец электрода опустить в шлаковую ванну, то через шлак пойдет ток и будет выделяться теплота, нагревающая свариваемые кромки. На этом и основана электрошлаковая сварка (рис. 1). Электрод 1 и основной металл 2 связаны электрически через шлаковую ванну 7. Выделяющаяся в шлаковой ванне теплота перегревает ее выше температуры плавления металла.

Типовая схема электрошлаковой сварки

Рис. 1. Типовая схема электрошлаковой сварки:

1 - электрод; 2 - основной металл; 3 - медные водоохлаждаемые формирующие устройства;

4 - сварочная ванна; 5 - металл; 6 - сварной шов; 7 – шлаковая ванна;

В - ширина шва; hм, hв - глубина металлической и шлаковой ванн;

В результате металл электрода и кромки основного металла оплавляются. Жидкий металл, имеющий более высокую плотность, чем шлак, стекает вниз и образует жидкую металлическую сварочную ванну 4. Шлаковая и металлическая ванны удерживаются от вытекания специальными медными водоохлаждаемыми формирующими устройствами 3. Кристаллизующийся в нижней части металлической ванны 5 металл образует сварной шов 6, поверхность которого покрыта тонкой шлаковой коркой, являющейся разделительным слоем между металлической ванной и поверхностью водоохлаждающего формирующего устройства. Это позволяет избежать контакта жидкого металла ванны с поверхностью формирующего устройства и металл шва не насыщается медью. Шлаковая ванна защищает расплавленный металл от прямого взаимодействия с воздухом, обеспечивая окислительно-восстановительные реакции и рафинирование металла шва от неметаллических и газовых включений. Расход флюса при этом обычно не превышает 5% массы наплавленного металла. Ввиду малого количества шлака наплавленный металл легируется за счет присадочного материала. Шов образуется непрерывно благодаря постоянной подаче электрода со скоростью Vэ, его расплавления и заполнения зазора между деталями жидким металлом, вытесняющим шлаковую ванну вверх со скоростью сварки Vсв. На образование шва влияют такие факторы, как тепловложение и связанный с ним термический цикл, определяемые параметрами режима сварки.

До 20% выделившейся теплоты расходуется на плавление электрода, до 60% — на плавление основного металла и до 5% — на плавление флюса. Утечка теплоты на излучение, отвод в формирующие устройства и в основной металл составляют до 10%. Если выделяемая теплота равна отдаваемой, то процесс будет протекать устойчиво. При избытке выделяемой теплоты шлаковая ванна перегревается, начинает кипеть и стабильность процесса нарушается. При недостатке теплоты ванна охлаждается, шлак теряет электропроводность и процесс сварки прекращается.

При установившемся тепловом балансе источник теплоты образует в свариваемой детали не изменяющееся, движущееся вместе с зоной сварки температурное поле, параметры которого зависят от мощности источника нагрева, скорости его перемещения и теплофизических свойств основного металла. Это поле создает при ЭШС довольно широкую зону термического влияния, ширина которой растет с увеличением мощности источника теплоты, а также с уменьшением скорости сварки.

Термический цикл ЭШС характеризуется медленным нагревом и охлаждением основного металла, что приводит к перегреву околошовной зоны и росту зерна металла шва, а это в конечном итоге определяет качество сварного соединения в целом.

При ЭШС нужно стремиться к уменьшению перегрева околошовной зоны и снижению роста зерна металла в ней. Этого можно добиться с помощью многослойной ЭШС, позволяющей снизить рост зерна металла в околошовной зоне за счет нагрева и охлаждения при наложении последующих слоев. Отрицательное влияние перегрева не проявляется при сварке конструкций из сталей, малочувствительных к термическому влиянию при ЭШС.

ЭШС можно выполнить тремя способами: проволочными электродами, пластинчатыми электродами и плавящимся мундштуком (рис. 2). Каждый из методов имеет свои особенности.

Первый способ - сварка проволочными электродами диаметром 3…5 мм, подаваемыми в сварочный зазор специальными мундштуками с медными токосъемными наконечниками. Одновременно в шлаковую ванну подается до трех электродных проволок, что позволяет применять трехфазные источники питания. Так как выделение теплоты в шлаковой ванне происходит в основном в области электрода, максимальная толщина свариваемых элементов при использовании одной электродной проволоки обычно составляет 60 мм, трех — до 200 мм. Если мундштукам в зазоре сообщается возвратно-поступательное движение со скоростью Vк, то толщина свариваемых кромок может быть в 2,5 раза больше.

Схемы электрошлаковой сварки

Рис. 2. Схемы электрошлаковой сварки проволочными (а) и пластинчатыми (б) электродами и плавящимся мундштуком (в):

Vэ — скорость подачи электрода; Vк — скорость колебаний мундштука;

Vсв — скорость сварки

Второй способ - сварка пластинчатыми электродами большого сечения, подаваемыми в сварочный зазор. Электродами могут быть ленты толщиной 1…1,2 мм или пластины толщиной 10…12 мм и длиной, равной утроенной длине шва. Для сварки могут применяться одновременно не более трех электродов при использовании трехфазных источников тока. Одним пластинчатым электродом свариваются детали толщиной до 200 мм, а тремя - до 800 мм. Скорость подачи электродов составляет 1,2…3,5 м/ч.

Эти два способа успешно применяются при сварке деталей относительно небольшой толщины. При толщине свариваемых кромок более 800 мм сильно сказываются недостатки таких способов сварки. Наличие подвижных мундштуков или пластин в сварочном зазоре может привести к коротким замыканиям их на свариваемые кромки, что нарушает стабильность процесса. Быстрый износ токосъемных трубок мундштуков усложняет и удорожает обслуживание сварочной установки и отрицательно влияет на стабильность процесса. Небольшая длина пластинчатых электродов ограничивает длину сварных швов.

Третий способ - сварка плавящимся мундштуком при неподвижном положении его в сварочном зазоре. Нехватка присадочного материала, необходимого для формирования шва, восполняется за счет подачи электродных проволок диаметром 3 мм через каналы, изготовленные из тонкостенных трубок или из сварочной проволоки, плотно навитой спиралью. Одновременно через один мундштук могут подаваться до шести электродных проволок. Одним мундштуком свариваются детали толщиной до 500 мм, двумя мундштуками — детали толщиной до 1000 мм, тремя — до 1500 мм. При использовании ЭШС плавящимися мундштуками можно соединять детали сложной формы сечения при любой их толщине.

Подготовка деталей к сварке. Кромки под ЭШС разделываются, как правило, под прямым углом. При сварке конструкций из металлопроката подготовка торцовых поверхностей кромок выполняется термическими способами разделительной резки. При сварке конструкций из литья, легированных сталей - механической обработкой (токарной обработкой или фрезерованием). Иногда при ЭШС литых деталей кромки можно вообще не обрабатывать. Величина зазора под ЭШС, образующейся между двумя свариваемыми кромками, является одним из важнейших технологических параметров. Различают расчетные и сборочные зазоры. Расчетный зазор регламентируется чертежом сварной конструкции, а сборочный зазор устанавливается технологическим процессом с учетом деформации при сварке. За любой графической помощью в выполнении чертежей вы можете обращаться сюда.

Для компенсации деформации, связанной с угловым поворотом деталей при сварке, сборочный зазор делают клиновидным, расширяющимся кверху. Прямолинейные швы применяются в сочетании со сварными соединениями всех типов, причем качественное сварное соединение может быть получено при отклонении оси шва от вертикали не более чем на 15…20℃. Кольцевые швы выполняются обычно стыковыми. Техника ЭШС кольцевых швов более сложная, поэтому допуски на смещение кромок более жесткие. Наибольшая разность диаметров соединяемых деталей должна быть не более 1 мм, а смещение кромок 0,5…1 мм. При сварке кольцевых швов цилиндрических конструкций большого диаметра с малой толщиной стенки, изготовляемых из проката без механической обработки кромок, смещение последних допускается до 3 мм. Самая трудная сварка швов сложной формы выполняется по профилю проектного сечения. В ряде случаев сечение необходимо дополнять до прямоугольной формы пластинами из проката.

Параметры режима сварки и их влияние на размеры металлической ванны и шва. Основные параметры режима ЭШС - сила сварочного тока, напряжение на электродах и скорость сварки. Изменением этих параметров можно влиять на размеры металлической ванны и шва. Размеры шва определяются размерами формирующих устройств. Сварные соединения, выполняемые электрошлаковой сваркой (рис.3).

Виды сварных соединений, выполняемых электрошлаковой сваркой

Рис. 3. Виды сварных соединений, выполняемых эшс

Сила сварочного тока является главным параметром, за счет которого можно изменять глубину ванны в заданных пределах. С увеличением силы тока глубина металлической ванны возрастает. На ширину ванны изменение силы тока влияет незначительно. Изменение напряжения на электроде заметно влияет на ширину металлической ванны. Зависимость имеет прямолинейный характер.

В действительности ширину ванны и выпуклость шва в заданных пределах изменяют регулированием напряжения на электродах, с увеличением которого несколько возрастает также и глубина металлической ванны.

К дополнительным параметрам режима ЭШС относятся величина зазора, скорость подачи электрода, число электродов и площадь их поперечного сечения, глубина шлаковой ванны, состав флюса. Их влияние на размеры металлической ванны и шва проявляются слабее. С увеличением скорости подачи электрода увеличивается и глубина металлической ванны. При недостаточной глубине металлической ванны возрастает вероятность образования дугового разряда внутри ванны либо на ее поверхности. Глубина шлаковой ванны поддерживается в пределах 30…90 мм.

При ЭШС должно соблюдаться равенство мощности, выделяемой в шлаковой ванне, и мощности, необходимой для образования металлической ванны и шва. Стабильность процесса возрастает при применении источников переменного тока с малым внутренним сопротивлением.

Используемые материалы

При ЭШС используется электродная проволока диаметром 3…5 мм (ГОСТ 2346-70) и флюсы (ГОСТ 9087-69), также применяются плавленые флюсы, причем при сварке протяженных стыков конструкций из углеродистых и низколегированных сталей электродными проволоками Св-08А, Св-08ГА, Св-08Г2С следует применять флюсы АН-8, АН-8М с лучшими технологическими свойствами, а при сварке конструкций из легированных сталей - флюс АН-22.

Флюсы для ЭШС обеспечивают быстрое и легкое начало процесса и поддерживают устойчивое его течение даже при небольшой глубине сварочной ванны, не отжимают ползуны от кромок свариваемой детали, обеспечивают хорошее качество поверхности шва и образуют легко отделяемый шлак. Все флюсы для ЭШС имеют высокую температуру кипения.

Оборудование для ЭШС

При эшс с помощью сварочных аппаратов выполняют следующие действия:

  • подачу электродной проволоки или плавящегося электрода в зону сварки со скоростью их плавления;
  • перемещение сварочного аппарата вверх вдоль шва со скоростью сварки по мере заполнения зазора электродным металлом;
  • принудительное формирование наружных поверхностей сварных швов с помощью водоохлаждаемых кристаллизаторов-ползунов;
  • осуществление возвратно-поступательного движения электродов между торцами свариваемых кромок;
  • автоматическое регулирование уровня сварочной ванны.

В зависимости от способа крепления и передвижения аппараты могут быть рельсового, безрельсового и подвесного типов (рис. 4)

Аппараты для электрошлаковой сварки

Рис. 4. Аппараты для электрошлаковой сварки:

рельсовые аппараты для сварки проволочным (а) или пластинчатым (б) электродами;

в - безрельсовый аппарат, г - подвесной аппарат для сварки плавящимся мундштуком

Аппараты рельсового типа перемещаются вдоль шва по вертикально установленному рельсу или направляющим, укрепленным на свариваемом изделии параллельно шву. Рельсы или специальные направляющие снабжаются зубчатой рейкой, по которой движется зубчатое колесо ходового механизма. Рельсовый путь может быть жестким или гибким. Максимальная длина сварных швов сравнительно небольшая и определяется длиной рельса и зубчатой рейки. В процессе сварки скорость перемещения аппарата регулируется автоматически в зависимости от уровня металлической ванны относительно медных ползунов. С этой целью в один из ползунов вмонтирован щуп для контроля уровня ванны, электрически связанный с устройством для автоматического регулирования скорости сварки.

Аппараты безрельсового типа применяют при сварке деталей сравнительно небольшой толщины. Аппараты безрельсового типа применяют при большой длине шва, когда затруднено крепление рельса на изделии с необходимой точностью. В этой группе различают аппараты двух видов: с механическим прижимом и магнитошагающие.

Аппараты с механическим прижимом перемещаются непосредственно по изделию и копируют поверхность при сварке. Движение аппарата осуществляется за счет сил трения между ходовым механизмом и кромками детали. Для этого используют две тележки, расположенные по обе стороны свариваемого стыка и связанные между собой тягами, которые пропущены через зазор собранных деталей и стянуты пружинами.

Магнитошагающие подвесные аппараты удерживаются и перемещаются по вертикальной плоскости с помощью нескольких электромагнитов, связанных между собой кривошипным или эксцентриковым валом. При вращении вала электромагниты поочередно отрываются от изделия и передвигаются по направлению сварки. Сварка может производиться одним или двумя электродами. Электродная проволока подается по гибкому шлангу с помощью отдельного механизма подачи.

Аппараты подвесного типа не имеют ходового механизма, что делает их достаточно простыми и портативными. В состав таких аппаратов входят механизм подачи электродов и устройство для подвода сварочного тока к мундштуку.

Надеюсь теперь вы разобрались с электронно-лучевой сваркой, как это устроено, достоинства и недостатки этого процесса. Рекомендую вам зайти на наш YouTube канал.