Электрошлаковая сварка

Рис.1. Классификация  разновидностей эшс.

      Здесь приведена схема различных применений электрошлакового процесса. Различают  две основные группы приёмов электрошлаковой  сварки: 1) со свободным формированием  сварочной ванны и 2) с принудительным формированием её. Кроме того, возможно деление по другим признакам: по роду тока, характеристике источника питания, степени механизации и многим другим показателям.

      Электрошлаковая сварка с принудительным формированием  может выполняться различными приёмами, зависящим от типа электродов, способа  введения их в разделку и подвода  к ним сварочного тока. Из них  в настоящее время применяются: сварка проволокой, сварка электродом большого сечения, сварка плавящимся мундштуком и стыковая электрошлаковая сварка (контактно-шлаковая).

      Для сварки металла большой толщины  электроду следует придавать  колебательные движения в направлении  толщины металла либо увеличивать  число электродов или изменять их сечение. Очень часто применяется  сочетание этих приёмов.

      При сварке с колебаниями число электродов обычно не превышает трёх, во избежание  чрезмерного усложнения аппаратуры. При сравнительно коротких швах мундштуки  можно вводить в разделку не сбоку, а сверху. В этом случае число  электродов может быть значительно  большим трёх. В обоих случаях  мундштуки вместе с подающим механизмом движутся вверх со скоростью образования  шва.

      Наряду  с электродами сплошного сечения  при описанных выше схемах электрошлакового процесса может быть применена так  называемая порошковая проволока или  трубчатый электрод с целью дополнительного  легирования металла шва.

      Если  мундштуки сделать из того же (примерно) материала, что и электродные  проволоки, и подающий механизм при  сварке не поднимать, то мундштуки при  подходе к ним шлаковой ванны  будут плавиться и переходить в шов. Этот приём электрошлаковой  сварки называется сваркой плавящимся мундштуком.

      При сварке тремя пластичными электродами, мундштуки отсутствуют, а механизм вертикального перемещения с  неподвижно закреплённым в нем электродом движется вниз навстречу шву.

      Электроды большого сечения могут иметь  самую разнообразную форму поперечного  сечения: прямоугольную, кольцеобразную (для сварки цилиндрических деталей) или фасонную. Для уплотнения слитков, отливки, переплавки и других видов  работ с большим количеством  переплавляемого металла могут  применяться электроды из брикетированной  стружки и других отходов. В некоторых  случаях для регулирования проплавления кромок могут применяться полые  электроды, заполненные металлической  крупкой.

      Стыковая  электрошлаковая сварка, или, как  её называют, контактно-шлаковая, отличается тем, что при ней отсутствует  присадочный металл; ток пропускается между свариваемыми частями. При  этой схеме свариваемые поверхности  занимают горизонтальное положение; шлаковая ванна находится между нижней деталью и верхней. При пропускании  тока через шлак свариваемые поверхности  оплавляются, а над нижней поверхностью образуется ванна расплавленного металла. После этого свариваемые части  сближаются; шлак вытесняется из пространства между ними, расплавленный металл затвердевает и детали оказываются  сваренными между собой. Момент выключения тока может иногда предшествовать осадке свариваемых деталей.

      Сварка  проволокой в настоящее время  широко применяется в промышленности. Она даёт возможность получать швы  различной формы с достаточно равномерным проваром заданной ширины. Проволокой можно сварить металл толщиной от 20 до 500-600 мм при любой  длине шва.

      Пластинчатыми электродами сваривают прямолинейные  швы любой толщины и сравнительно небольшой длины (до1-1,5 м). Применительно  к коротким швам сварка пластинами удобнее сварки проволоками с  колебаниями, так как аппаратура для неё проще и надёжнее. Кроме  того, при сварке пластинами не требуется  свободного места перед стыком. Важным преимуществом этого способа  является возможность использования  в качестве электродов таких материалов, как чугун, из которого нельзя или  затруднительно изготовить проволоку.

      Сварка  плавящимся мундштуком может применяться  для металла любой толщины  при длине шва до 3 м, а в случае необходимости - и более. Она, как  и сварка пластиной, не требует свободного места сбоку от стыка и, кроме  того, допускает ограничение места  над стыком. Характерной особенностью её является возможность сварки швов сложного криволинейного профиля. Аппаратура для сварки плавящимся мундштуком состоит из одного подающего механизма переносного типа, устанавливаемого, как правило, непосредственно на изделие. Это делает её удобной для сварки мелких швов, для которых другие способы невыгодны.

2.2.Особенности  электрошлакового  процесса.

      Электрошлаковая сварка с принудительным формированием  отличается от дуговой сварки как  ручной, так и автоматической, рядом  особенностей, которые необходимо учитывать  и использовать при применении этого  способа.

      При прохождении электрического тока через  шлак не происходит такого интенсивного выделения газов, сопровождающегося  разбрызгиванием шлака, как при  дуговой сварке. При установившемся электрошлаковом процессе разбрызгивания шлака не происходит вовсе. Это позволяет  вести сварку с открытой поверхностью шлаковой ванны. Подача шлака в ванну  ограничивается очень небольшим  количеством, равным количеству отлагающейся на поверхности шва шлаковой корки  толщиной 1-1,5 мм. Это по весу составляет всего 0,2-0,3 кг на погонный метр шва, независимо от толщины металла.

      Благодаря малому количеству расплавляемого флюса  расходуемая электрическая энергия  хорошо используется для плавления  электрода и основного металла.

      Вследствие  интенсивного перемешивания шлака  плавление кромок происходит на большем  расстоянии от электрода чем это  возможно при дуговой сварке.

      Практическими следствиями этих особенностей являются: малый расход шлака, составляющий в  среднем, с учетом потерь на рассыпание, 5% от веса наплавленного металла, т.е. в 20 раз меньший, чем при дуговой  сварке под флюсом, и малый расход электрической энергии на 1 кг наплавленного  металла, в 1,5-2 раза меньший, чем при  дуговой сварке под флюсом и в 4 раза меньший, при сварке открытой дугой. Ещё более важным практическим результатом этих особенностей является возможность осуществления однопроходной  сварки металла толщиной до 150-200 мм на один электрод, а при большем  количестве электродов – практически  неограниченной толщины. Именно это  свойство открывает самые широкие  перспективы применения электрошлаковой  сварки в промышленности, в первую очередь в тяжёлом машиностроении.

      Из  других особенностей электрошлаковой  сварки наибольшее значение имеют следующие.

      Вследствие  сравнительно малого расхода флюса  и, следовательно, незначительного  пополнения шлаковой ванны новыми порциями флюса, обеспечивается более постоянный, чем при дуговой сварке, химический состав металла шва.

      Благодаря вертикальному положению оси  шва значительно облегчается  всплывание газовых пузырей и  частиц шлака и удаление их из металла. Улучшается заполнение металлом междендритных  пустот. Если газовый пузырёк или  неметаллическое включение задержится на границе металл – шлак, то они  будут перемещаться вместе с этой границей, тогда как при сварке в нижнем положении они были бы захвачены кристаллизующимися металлом. Поэтому склонность к образованию  пор и других неплотностей при  электрошлаковой сварке во много  раз ниже, чем при дуговой сварке в нижнем положении; меньше чувствительность к влажности шлака, ржавчине и  загрязнении кромок.

      Вследствие  благоприятного направления роста  кристаллов в швах, выполненных электрошлаковым  способом в вертикальном положении, отсутствует так называемая зона слабины, наблюдаемая в швах большого сечения, сваренных в нижнем положении. Это же обстоятельство значительно  снижает склонность швов к образованию  кристаллизационных трещин. Температурные  условия для околошовной зоны также благоприятны, что как большой  погонной энергией по сравнению с  отдельным слоем многослойной сварки, так и предварительным, создаваемым  шлаковой ванной. Нагрев кромок начинается на уровне поверхности шлаковой ванны, а плавится они начинают в непосредственной близости от металлической ванны. Между  началом подогрева кромок основного  металла и их плавлением проходит 2-3 и более минут, вследствие чего снижается как скорость нагрева, так и скорость последующего охлаждения.

      Электрошлаковая сварка всегда производится в один проход, поэтому линейная скорость сварки толстого металла значительно  ниже, чем при дуговой многослойной сварке. Благодаря этому скорости нагрева и последующего охлаждения околошовной зоны очень малы, а  склонность к образованию околошовных  трещин при сварке закаливающихся сталей сравнительно невелика.

      Поскольку электрошлаковая сварка производится в один проход, полностью ликвидируется  наиболее распространённый дефект многослойной сварки – шлаковые макроскопические включения. Они могут появляться только при грубом нарушении технологии сварки.

      Сварка  металла любой толщины производится без разделки кромок. Кромки, подлежащие сварке, не имеют фасок: они собираются с зазором, образующим своего рода разделку кромок. Это в несколько раз  уменьшает трудоёмкость и стоимость  подготовки кромок под сварку.

      Благодаря симметричности разделки и положения  в ней электродов при электрошлаковой  сварке, как правило, отсутствуют  угловые деформации. Они могут  возникать только при сварке некоторых  специальных типов сварных соединений.

      При толщине свариваемого металла меньше 40-50 мм трудоёмкость и стоимость  сварных соединений при электрошлаковой  сварке больше, чем при дуговой  сварке под флюсом. Однако с ростом толщины производительность и экономичность  электрошлаковой сварки быстро растут и при толщинах свыше 100 мм бывают во много раз выше, чем при дуговой  сварке.

3. Область применения.

      Важнейшей проблемой современного машиностроения является экономное использование  металлов, снижение металлоёмкости конструкций, повышение их надёжности и долговечности. Известно, что в сварных машиностроительных конструкциях затраты на материалы  превышают 50%. Поэтому наибольший народнохозяйственный эффект от внедрения мероприятий, способствующих экономии металла, реализуется в  таких отраслях машиностроения, производящих крупногабаритное толстостенное оборудование, как газо-нефтехимическая и энергетическая.

      Первоначальным  назначением электрошлакового процесса была сварка вертикальных монтажных  швов изделий, швы которых нельзя поставить в удобное для дуговой  сварки нижнее положение.

      Однако  высокая эффективность электрошлакового процесса вывела его за пределы монтажной  сварки, сделав его основным способом сварки металла большой толщины, а затем и за пределы собственно сварочного производства. Сейчас электрошлаковый процесс применяется не только при сварке и наплавке, но также для получения отливок и слитков специального назначения и для уплотнения обычных слитков и отливок.

      Электрошлаковая сварка применяется в производстве барабанов паровых котлов и других сосудов высокого давления, где уже  полностью вытеснила применявшуюся  ранее многослойную автоматическую сварку, при изготовлении станин крупных  механических прессов, траверс, архитравов и цилиндров гидравлических прессов, валов крупных гидротурбин и  гидрогенераторов, станин прокатных  станов, судовых корпусов, ахтерштевней, форштевней и других судовых деталей, корпусов крупных электромашин, паровозных и тепловозных рам, стоек мартеновских печей, коленчатых валов, крупных фланцев  и многих других деталей. Широкое  распространение получила электрошлаковая  сварка стыков арматуры. Несмотря на сравнительно небольшое сечение сварных соединений, этот способ оказался эффективнее других.

      В ряде случаев применение сварных  конструкций позволяет сэкономить большое количество металла. Так  для сварных валов Варваринской ГЭС развес слитков составил 59 т  вместо100 т для цельнокованых; сварная  станина механического ковочно-штамповочного  пресса давлением 4000 т весит на 24 т меньше чем в литом варианте. С применением сварки при изготовлении стоек мартеновских печей на Днепропетровском заводе металлоконструкций получена большая  экономия толстого проката за счёт ликвидации отходов.

      Значение  электрошлаковой сварки не исчерпывается  её экономическим эффектом. Широкое  её применение коренным образом изменяет характер развития тяжёлого машиностроения.

      Факторами, ограничивающими размеры элементов, могут быть: мощность кузнечно-прессового оборудования, размеры нагревательных и термических печей, размеры  металлообрабатывающих станков. Отдельно следует рассмотреть ограничения, вносимые трудностями перевозки  негабаритных грузов на место их монтажа.

      Рост  размеров и веса элементов может  происходить только на основе пропорционального  роста перечисленных выше производственных мощностей. Однако с применением  электрошлаковой сварки такая пропорциональность может сохраняться не во всех случаях.