Электрошлаковая сварка, сущность и основные схемы процесса. Её технология, преимущества и недостатки. Оборудование для сварки

Содержание

1. Сущность процесса электрошлаковой сварки
• Основные схемы процесса
• Типы сварных соединений и виды сварных швов
2. Преимущества и недостатки электрошлаковой сварки
• Преимущества
• Недостатки
3. Область применения ЭШС
4. Технология электрошлаковой сварки
• Выбор сварочных материалов (проволоки и флюса)
• Выбор параметров режима сварки
• Выбор количества электродных проволок
• Подготовка деталей к сварке
5. Способы скоростной электрошлаковой сварки
• Сварка с порошковым присадочным материалом
• Способ с сопутствующим охлаждением
• Сварка при увеличенном вылете сварочной проволоки
6. Электрошлаковая сварка плавящимся мундштуком
7. Контроль качества электрошлаковой сварки
• Наиболее характерные дефекты
• Способы контроля сварных швов
8. Видео: Электрошлаковая сварка, технология

Электрошлаковая сварка - это один из видов сварки плавлением, который появился недавно, если сравнивать его с традиционными способами, например, относительно ручной дуговой сварки. Этот способ позволяет сваривать металлы практически неограниченной толщины, что делает его одним из ведущих и перспективных технологических процессов.

Наиболее важным остаётся качество сварки в сложных крупногабаритных изделиях, поэтому, большое внимание уделяется процессу подготовки свариваемых частей и техника сварки.

Сущность процесса электрошлаковой сварки

В процессе электрошлаковой сварки, электрический ток, подающийся через ванну расплавленного шлака, расплавляет основной и присадочный металл и поддерживает постоянную температуру расплава. Этот процесс стабилен при глубине шлаковой ванны в пределах 35-60мм. Ванну легче сформировать при вертикальном положении сварного шва. Наименее удобно электрошлаковую сварку выполнять в нижнем положении. Для принудительного охлаждения расплава и формирования сварного шва, в большинстве случаев, применяются медные устройства с водным охлаждением. Схема электрошлаковой сварки показана на рисунке:

При электрошлаковой сварке весь электрический ток подаётся к шлаковой ванне, а через неё к электроду и свариваемым кромкам. Стабильность этого процесса возможно только благодаря постоянной температуре расплавленной шлаковой ванны. Температура расплава может достигать 1900-2000°C.

Большая часть тепловой энергии из шлаковой ванны передаётся в металлическую ванну, а от неё - к свариваемым кромкам через капли электродного металла. Распределение всей тепловой энергии, выделяющейся в шлаковой ванне, распределяется следующим образом: 20-25% тепла расходуется на расплавление сварочной проволоки, 55-60% идёт на расплавление основного металла, 4-6% уходит на расплавление флюса и поддержание стабильно температуры шлаковой ванны, а 12-16% составляют потери тепла через ползуны и теплоотвод в свариваемых деталях.

Основные схемы процесса

Электрошлаковый процесс может быть применён не только для сварки, но и для наплавки, переплава и отливки. Электрошлаковую сварку (ЭШС) можно выполнять проволочными электродами, плавящимся мундштуком, или же электродами большого сечения. На рисунке ниже представлены схемы ЭШС проволочными электродами:

На практике наибольшее распространение получили схемы а и б, они позволяют сваривать металл толщиной от 20 до 450мм с помощью проволоки диаметром 3мм. Схема в предназначена для сварки металла, толщиной до 120мм. Схема г в 1,5-2 раза производительнее схем а и б. А схема д узконаправлена и предназначена для сварки низколегированных сталей толщиной до 100 мм без последующей термообработки.

Схема е применяется при монтаже крупных изделий больших габаритов без последующей термообработки. Толщина свариваемого металла до 60мм. Сварку по этой схеме отличает высокая производительность и повышенные мех. свойства сварного шва. Все эти схемы можно выполнить на обычном сварочном оборудовании.

На следующем рисунке представлены схемы электрошлаковой сварки мундштуком и электродами большого сечения:

Схемы а-в выполняются плавящимся мундштуком и предназначены для сварки металла очень большой толщины, более 450мм при помощи прямых и криволинейных швов. При сварке сталей и сварке титана этим способом применяется проволока диаметром 3-мм.

Схемы г-ж выполняются электродами большого сечения. По схеме г сварка выполняется одной, двумя, или тремя пластинами, подключенными к общему, или разным источникам сварочного тока. По схеме д сварку выполняют одной, двумя, или тремя пластинами, имеющими продольные разрезы. На схеме е изображён процесс контактно-шлаковой сварки. Схема ж представляет собой сварку пластинчатыми электродами с бифилярной схемой подключения электродов к источнику питания. Такой способ сварки редко применяется для сварки сталей, он получил наибольшее распространение при сварке алюминия, или при сварке меди.

Типы сварных соединений и виды сварных швов

На рисунках ниже представлены типы сварных соединений и виды сварных швов, которые можно выполнить при помощи электрошлаковой сварки:

При сварке стыкового шва между двумя кромками, обычно, предусматривается технологический зазор, являющийся одним из важных параметров режима сварки. Все конструктивные элементы сварных кромок и сварных швов для электрошлаковой сварки регламентированы в ГОСТ 15164.

В случае ЭШС в стык при разной толщине свариваемых деталей, либо утончают более толстую кромку, либо к более тонкой приваривают дополнительную пластину для уравнивания толщины.

Электрошлаковая сварка угловых соединений и тавровых на практике встречается реже, чем стыковых. Если ЭШС выполняется плавящимся мундштуком, то на сварных кромках делают V- или К-образную разделку. Прямолинейные швы выполняются в вертикальном положении. Допустимая величина наклона составляет 15-20°. Выполнение кольцевых швов возможно на цилиндрической, конической или сферической поверхностях.

Преимущества и недостатки электрошлаковой сварки

Преимущества

1. Главным преимуществом электрошлаковой сварки является очень высокая производительность, которая возрастает, в зависимости от толщины свариваемого металла. Это обусловлено двумя факторами. Во-первых, у ЭШС высокий коэффициент наплавки, превышающий этот показатель для дуговой сварки под флюсом почти в 2 раза. Во-вторых, металл практически любой толщины сваривается за один проход.

2. ЭШС позволяет на порядок сократить расход флюса. По сравнению с электродуговой сваркой, расход флюса меньше в 10-20 раз и составляет, приблизительно 5% расхода электродной проволоки.

3. Расход электроэнергии при ЭШС в 1,5-2 раза меньше, чем при электродуговой варке под флюсом и в 4 раза меньше, чем при ручной дуговой сварке.

4. Сварные дефекты минимальны. При сварке вертикальных швов всплытие газов и частиц шлака из расплавленного металла и их удаление существенно облегчается. Поэтому склонность к образованию пор и других дефектов сварного шва у электрошлаковой сварки намного ниже, чем при дуговой многопроходной сварке.

Недостатки

Наиболее значительным недостатком электрошлаковой сварки является необходимость последующей высокотемпературной термической обработки сварного соединения для того, чтобы восстановить высокие эксплуатационные характеристики сварной конструкции. В процессе сварки металл сварного шва и зоны термического влияния сильно перегреваются. Это снижает пластические характеристики соединения, что особенно заметно при отрицательных температурах.

Имеющийся опыт применения ЭШС показал, что вопрос о целесообразности проведения термообработки, повышения качества сварных соединений и производительности процесса необходимо рассматривать комплексно, рационально подбирая сварочные материалы, режимы и технологию сварки в зависимости от свариваемого металла.

Область применения ЭШС

В современном мире электрошлаковая сварка внедрена на многих предприятиях не только нашей страны, но и в мире. Этот способ сварки применяется в тяжёлом и энергетическом машиностроении, кораблестроении, химическом машиностроении, авиационной промышленности.

При помощи ЭШС можно сваривать стали разных марок и классов. Это и сварка жаропрочных сталей, и сварка никелевых сплавов, алюминия, меди и сплавов на медной основе, сварка титана и титановых сплавов.

Изобретение и внедрение ЭШС позволило получать изделия и заготовки любой формы и практически любых габаритов из отливок и поковок, а также из относительно небольших размеров проката простой формы. Разработанные способы устранения деформаций после сварки делают возможным изготовление крупногабаритных сварных конструкций с требуемыми размерами.

Диапазон свариваемого металла способом ЭШС составляет 20-3000 мм. Практические результаты показали, что целесообразнее всего применение ЭШС при толщине свариваемого металла не менее 40мм.

Технология электрошлаковой сварки

Выбор сварочных материалов (проволоки и флюса)

В таблице ниже приведены рекомендованные и наиболее распространённые сочетания свариваемых материалов и марок сварной проволоки для них:

Все сочетания, данные в таблице, можно выполнять с использованием флюса марки АН-8 и АН-99, за исключением сталей 25ХН3МФА и 08Х18Н10Т. Сварку этих сталей рекомендуется выполнять с применением флюса 48-ОФ-6. Химический состав этих флюсов должен соответствовать ГОСТ 9087.

Также был разработан флюс марки АН-9, состоящий из CaF2 - 25-30%, CaO - 20-35%, Al2O3 - 10-15%, SiO2 - 15-20% и ZrO2 - 6-10%. Этот флюс сочетает в себе металлургические свойства флюса 48-ОФ-6 и технологические свойства флюса АН-8.

Выбор параметров режима сварки

Основными параметрами режима электрошлаковой сварки являются: падение напряжения на участке электрод-шлаковая ванна U, скорость подачи проволоки Vе, сила сварочного тока I, скорость сварки Vсв, глубина шлаковой ванны h, вылет электродной проволоки l, скорость поперечных колебаний электродов Vк, количество электродов n, сечение электрода (или сумма сечений всех электродов) S, зазор между кромками g, расстояние между электродными проволоками d, толщина пластины плавящегося мундштука s_м, время остановки электродных проволок у ползунов t, толщина свариваемого металла s.

Правильный выбор режимов и поддержание их на требуемом уровне обеспечивают хорошее качество сварки. Одной из важных характеристик сварного соединения является коэффициент формы шва f, который равен отношению ширины металлической ванны к её глубине. Это соотношение характеризует склонность сварного шва к образованию холодных трещин, одного из самых частых дефектов электрошлаковой сварки. Среднее значение f составляет 1,5-4,0.

Величину сварочного тока можно определить по формуле:

I=(0,22Ve+90)n+1,2(Vсв+0,48Vп)ab,

где Vп - скорость подачи пластины; a и b - ширина и толщина, см. Размерности всех скоростей даны в см/ч.

Скорость подачи электродной проволоки:

Vе= VсвF/S,

где F=gs, см²; S=0,071n, см².

Практический опыт применения ЭШС показал, что параметры h, l, Vк, t почти не зависят от толщины свариваемого металла и имеют следующие значения: h=40-50мм, l=80-90мм, t=4-5с. Ориентировочные значения между параллельными кромками свариваемых элементов можно выбрать из таблицы:

Выбор количества электродных проволок

Это количество выбирается, исходя из толщины свариваемого металла. Металл, толщиной не более 50мм, сваривают одной проволокой, 50-120мм - двумя, а метал толщиной 120-450мм - тремя электродными проволоками.

Электрошлаковая сварка плавящимся мундштуком

При выборе числа электродных проволок, следует учитывать толщину пластины плавящегося мундштука sм. Число электродов рассчитывают по формуле:

n=[(s-40)/d]+1,

округляют до единиц. Оптимальную величину d можно выбрать, исходя из следующих соотношений:

ЭШС пластинчатым электродом

При варке стали пластинчатым электродом, ширину пластины подбирают равной толщине свариваемого металла. При использовании двух или трёх пластин, общая их ширина должна быть на 15-20мм меньше толщины свариваемого металла (15-20мм уходит на зазор между пластинами). Толщина пластинчатых электродов составляет 10-12мм. Оптимальная скорость подачи электродов 1,2-3,5 м/ч.

Подготовка деталей к сварке

Подготовка ведётся в два этапа: предварительный и непосредственный. На предварительном подготавливают свариваемые кромки, придавая им необходимые геометрические форму, размеры и класс обработки поверхностей, по которым будут перемещаться устройства, формирующие сварной шов.

При сварке деталей из конструкционных сталей с толщиной, не превышающей 200мм, кромки подготавливают газоплазменной резкой, а при толщине более 200мм - мех. обработкой. При сварке цветных металлов или легированных сталей также применяют мех. обработку.

Непосредственная подготовка включает в себя сборку деталей под сварку. Результаты, полученные на практике, показали, что для хорошей фиксации и для устранения деформаций, возникающих при сварке, сборку деталей выполняют с клиновидным зазором, расширяющимся кверху. Схема сборки показана на рисунке:

В зависимости от свариваемого материала, способа электрошлаковой сварки, её режимов и способа закрепления, угол раскрытия может составлять 1-2°. Свариваемые детали фиксируют при помощи скоб или планок, приваренных вдоль стыка с интервалом 50-80см. По окончании сварки выводные планки и входной карман срезаются газоплазменной резкой.

Способы скоростной электрошлаковой сварки

Необходимость в увеличении скорости электрошлаковой сварки вызвана не столько соображениями повышения производительности, сколько стремлением повысить качество сварного соединения за счёт снижения тепловложения при увеличении скорости сварки.

Сварка с использованием порошкообразного присадочного материала

Появление неблагоприятной структуры в металле сварного шва и зоны термического влияния связано с низкой скоростью сварки, из-за чего сварное соединение подвергается высокотемпературному воздействию.

Добавление в шлаковую ванну "холодной" порошковой присадки забирает значительную часть тепла на её плавление. Такая присадка снижает тепловложение и повышает допустимую скорость сварки почти в 2 раза. Оптимальный размер гранул присадочного порошка составляет 0,2-1,6мм. Масса присадочного порошка, подаваемого в сварочную ванну, примерно равна массе электродной проволоки, подаваемой в зону сварки.

Наибольшая экономическая эффективность способа достигается при толщине свариваемого металла не более 100мм.

Способ с сопутствующим принудительным охлаждением

Этот способ разработан для сварки толстого проката из термоупрочнённых сталей повышенной прочности. При толщине металла 40-60мм, электрошлаковая сварка наиболее экономична. Но длительное воздействие высоких температур на металл шва и зоны термического влияния значительно снижают прочность и ударную вязкость сварного соединения, особенно при воздействии отрицательных температур.

Можно снизить это негативное влияние путём высокотемпературной термообработки, но если готовое сварное изделие обладает большими габаритами, то провести подобную термообработку практически невозможно.

Для снижения негативного влияния высоких температур в процессе сварки термоупрочнённых сталей применяют сопутствующее охлаждение шва и околошовной зоны водяным душем. При сопутствующем охлаждении скорость сварки увеличивается в 1,5-2 раза по сравнению с обычными способами электрошлаковой сварки. Наиболее эффективен этот метод при толщине свариваемого металла до 120мм.

Сварка при увеличенном вылете сварочной проволоки

При ЭШС с обычным вылетом сварочной проволоки порядка 70-80мм и скоростью сварки 200-250 м/ч, проволока с диаметром 3мм нагревается до 400-500°C, что позволяет проволоке погрузиться на достаточно большую глубину в сварочную ванну прежде, чем она расплавится.

Если увеличить вылет до 180-200мм, то можно увеличить нагрев проволоки электрическим током до 1200°C и более перед её подходом к сварочной ванне. Нагретая до таких температур проволока достаточно быстро плавится при погружении в ванну на 16-18мм. При этом, сила тока уменьшается на 20-30%.

Данный технологический приём позволяет повысить скорость сварки в 2-3 раза. Способ подходит для сварки металла толщиной до 300мм, но улучшение свойств замечено только при сварке низколегированных сталей с толщиной не более 80мм. Для электрошлаковой сварки при вылете проволоки более 120мм существует специальный мундштук, у которого ниже токоподвода находится неэлектропроводная направляющая.

Электрошлаковая сварка плавящимся мундштуком

Плавящийся электрод состоит из набора пластин, или стержней с каналами для подвода сварочной проволоки. Также мундштук может быть в виде трубы с толстой стенкой.

Та или иная форма мундштука предназначена для каждого конкретного случая. Эта форма зависит от формы свариваемого шва. Материал мундштука должен быть схож по составу с основным материалом.

Наиболее распространёнными являются мундштуки со спиралевидными каналами для сварочной проволоки. Диаметр проволоки составляет 4-5мм. Спираль приваривается к пластине мундштука при помощи электродов диаметрами 2-3мм.

Плавящийся мундштук необходимо надёжно изолировать от свариваемых кромок, иначе возможно короткое замыкание. Естественно, в процессе сварки вместе с материалом мундштука в сварочную ванную будет попадать и материал изоляторов, поэтому их состав должен быть таким, чтобы исключить негативное влияние на состав сварного шва. Кроме того, изолятор необходимо изготавливать пластичным.

Изоляторы устанавливаются на расстояние 100-150мм по горизонтали и на расстоянии 200-250мм по высоте между рядами.

После подготовки и сборки свариваемых заготовок, устанавливают плавящийся мундштук в зазоре независимо от аппарата. Мундштук крепится на специальном кронштейне.

Каналы мундштука соединяются с механизмом подачи проволоки переходными трубками, образующими переходной тракт. На дно кармана помещают стальной порошок или стружку. Места неплотного прилегания формирующих устройств замазывают глиной. На слой стружки засыпается немного флюса, примерно 20-30% от общего объёма, проверяют напряжение холостого хода трансформаторов, расход воды в системе охлаждения формирующих устройств, а также наличие всех нужных инструментов.

Сварку ведут при скорости подачи сварочной проволоки 150-170м/ч. После стабилизации процесса скорость подачи снижают до 90-100м/ч, в зазор засыпается флюс из расчёта два объёма флюса на один объём жидкого металла.

Техника выполнения швов электрошлаковой сваркой, окончание процесса и все последующие операции сходны с техникой выполнения прямолинейных швов. При сварке толстого металла толщиной 100-200мм предпочтительнее использовать трёхфазную систему питания для предотвращения перекоса фаз.

Плавящийся мундштук широко используется не только для сварки, но и при наплавочных работах при ремонте. При этом толщина наплавленного слоя может составлять 20-100мм.

Контроль качества электрошлаковой сварки

Наиболее характерные дефекты

В большинстве случаем, сварные швы, полученные при помощи ЭШС, обладают высокими механическими свойствами, химически однородны и с отсутствием металлических включений, трещин, пор и шлаковых частиц. Но, при нарушении технологии сварки, или техники выполнения швов, могут появиться дефекты, снижающие качество сварного соединения.

К наиболее распространённым дефектам относятся горячие трещины в металле шва и надрывы в зоне термического влияния. Горячие трещины могут возникать при сварке любых типов стали, но чаще всего они возникают у сталей с большим показателем углеродного эквивалента и у сталей с содержанием углерода более 0,2% при жёстком закреплении свариваемых заготовок и при повышенных скоростях сварки.

Из параметров режима сварки, наибольшее влияние на образование трещин оказывает величина силы тока, которая напрямую зависит от скорости подачи проволоки. Соответственно, для предотвращения образования данного дефекта, следует уменьшать скорость сварки, и выполнять предварительный подогрев до 150-500°C.

Холодные трещины шва могут появиться при сварке среднелегированных сталей ферритной проволокой, когда зона проплавления находится на удалении от ванны с расплавом. Для предотвращения этих трещин сварку рекомендуется вести при малой глубине ванны (35-40мм) и равномерном проваре.

Другие дефекты, такие как непровары, поры и неметаллические включения появляются, как правило, при грубом нарушении технологии сварки.

Способы контроля сварных швов

Соединения, полученные ЭШС, контролируют комплексно. Этот контроль включает в себя визуальный осмотр сварных швов, контроль сварки на предварительно изготовленных образцах, ультразвуковой контроль сварных швов, магнитную дефектоскопию, контроль рентгеновскими лучами или же радиационный контроль гамма-излучением.

Видео: Электрошлаковая сварка, технология

Дополнительные материалы по теме: