Электрошлаковая сварка

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.

Виды электрошлаковой сварки

В зависимости от конструкции применяемых электродов можно выделить следующие разновидности такой сварки:

• Проволочный электрод применяется для соединения деталей толщиной до 500 мм. При этом тонкие детали (до 50 мм) можно сваривать одним неподвижным (без колебаний) электродом. Для соединения более мощных заготовок применяют одновременно несколько электродов с колебательными перемещениями.
• Наиболее универсальной считается сварка при помощи плавящегося мундштука. Конструктивно он представляет собой пластины или стержни (в некоторых случаях простая труба) в которых имеются канавки для подачи присадочной проволоки. Такое оборудование для электрошлаковой сварки может применяться для соединения деталей толщиной до 3 метров.
• Применяются так же и электроды большого сечения, представляющими собой массивные пластины сплошного сечения (в некоторых случаях они имеют продольные разрезы). Данный способ сварки может использоваться для металлов толщиной до 2 метров, при этом применяется несколько таких электродов, которые подключаются к одному или нескольким источникам питания.
• Несколько похожа и сварка ленточными электродами. В этом качестве используется порошковая лента, а в некоторых случаях проволока. Входящие в ее состав компоненты позволяют компенсировать расход флюса при выполнении сварочных работ, а в некоторых случаях и придать шву требуемые химические и физические свойства.

Электрошлаковая технология применяется и для наплавки различных слоев материала, технология выполнения работ при этом практически не отличается. Для осуществления наплавки одну из свариваемых деталей заменяют медной охлаждающей пластиной.

Применение электрошлаковой сварки целесообразно в промышленных масштабах для производства различных изделий из металла.

При этом комплект аппаратуры, необходимой для такого типа сварки может быть универсальным, или применяться для выполнения специальных работ. На сегодняшний день именно данный тип сварки считается наиболее производительным.

Способы электрошлаковой сварки

Имеется 3 направления ЭШС, каждое из которых имеет собственные наплавки:

1. Обеспечение сварочного скрепления за счет проволочных электродов.
2. Соединение при помощи плавящегося мундштука.
3. Сварка производится электродами с большой площадью сечения.

Процесс сварки, обеспечивающийся электродами проволочного типа, широко распространен в современной промышленности. Он может проводиться с применением 1, 2, 3 электродных проволок с отсутствием колебаний либо совместно с ними. Также ЭШС может производиться проволочными электродами без непосредственного поступления мундштука в сварной зазор.

Процесс получения рабочего шва благодаря использованию плавящегося мундштука считается распространенным универсальным типом соединения заготовок различной толщины, а также криволинейных деталей. Плавящийся мундштук имеет вид нескольких пластин либо объединенных стержней, в которых имеются специальные каналы для подвода электрического тока и проволоки.

Режимы электрошлаковой сварки основываются на использовании шлака в качестве основного теплового источника в процессе сварки.

Аппараты для электрошлаковой сварки

Особенностью любого агрегата, предназначенного для электрошлаковой сварки, считается минимальный общий расход флюсовых материалов. Данные устройства могут обеспечивать соединение отличных по толщине деталей в условиях одного прохода сваркой. При этом разделывать кромки не требуется, а производительность ЭШС существенно превосходит флюсовую сварку многослойного типа, которая выполняется автоматом.

Аппаратные устройства сварки обеспечивают подачу электродов непосредственно к месту контакта заготовок. Также они поддерживают постоянную устойчивость любой электрошлаковой операции. Частой практикой решения подобных задач является применение для сварочных работ автоматических агрегатов, которые способны передвигаться вертикально более равномерно и плавно, нежели тяжелые полуавтоматические устройства.

Любой агрегат, обеспечивающий качественную ЭШС, отвечает общим требованиям реализации этой разновидности сварочных работ:

• Техническое устройство должно создавать и поддерживать зазор, разграничивающий части ванны.
• Должна поддерживаться возможность вертикального формирования текущего соединительного шва.
• Сварочный шов должен создаваться в условиях одного подхода.

Дополнительными устройствами, обеспечивающими качественную сварку, являются: проволочные ролики, отвечающие за постоянство подачи проволоки, мундштук со способностью передачи тока, дополнительные ползунки с удерживающими планками и водные охлаждающие трубки.

Преимущества и область распространения технологии ЭШС

Технология электрошлаковой сварки имеет достоинства, из-за которых она активно используется на современных заводах:

• В процессе создания сварочного соединения отпадает необходимость разделения кромок.
• Любой шов, созданный по технологии ЭШС, создается в условиях чрезмерного наплавления. Коэффициент наплавки предоставляет серьезную экономическую выгоду любому предприятию.
• Относительно осевых плоскостей симметрия шва полностью сохраняется. Это преимущество проявляется при соединении заготовок с предстоящей корректировкой.

Область применения электрошлаковой сварки сосредотачивается как в строительных сферах, так и на производственных площадках. Благодаря ЭШС изготавливаются массивные станины, выполняется установка турбин, создание прочных соединительных швов для установки огромных барабанных конструкций и тяжелых устройств для котельных помещений. Производственное применение этой технологии заключается в сборку крупных конструкционных проектов.

В итоге, экономическая составляющая и качество получаемого стыкового соединения при использовании электрошлаковой сварки имеют достойные показатели, но чрезмерная термическая зона существенно ограничивает сферу применения этого типа сварки.

Почему шлак нужно удалять

Шлаковые включения в основном состоят из оксидов за счет пористой структуры существенно понижают прочностные свойства металла. При эксплуатации сварной конструкции оксиды из шлака способны вступать с железом в химическую реакцию, что приводит к ее разрушению. Поэтому сразу после остывания, когда шлак становится черным его необходимо удалять.

На начальном этапе сварки образовавшийся над ванной шлак с окислами защищает металл от быстрого охлаждения. Поскольку намного медленнее понижается температура металла, при удалении шлака после сварки швы получаются более ровными и однородными.

Есть и другие причины, по которым рекомендовано удалять после сваривания деталей образовавшийся на стыках шлак:

• намного легче проверить качество сварного соединения, когда на нем отсутствуют шлаковые включения;
• нередко на готовые изделия наносят лакокрасочные покрытия, а наличие шлаковых вкраплений существенно ухудшает внешний вид конструкций;
• при необходимости выполнить шок в несколько слоев сперва необходимо удалить шлак и только после этого создавать следующий слой.

Обратите внимание! Если не удалить сварочный шлак, применение готового изделия может быть невозможным из-за присутствующих дефектов в виде волчков и неметаллических включений

Особенно важно это для конструкций, которые при эксплуатации будут подвергаться высоким внешним нагрузкам

Сущность электрошлаковой сварки: секрет технологии

Образование рабочей шлаковой ванны происходит за счет расплавления шлакового флюса. На протяжении всего процесса сохраняется одинаковая глубина шлаковой ванны. Сварочный ток, который проходит через электроды, расположенные в самой ванне, обеспечивает постоянство температуры и поддерживает электропроводность шлака. При кристаллизации металлической ванны образуется необходимый сварной шов.

Процесс электрошлаковой сварки характеризуется определенными чертами:

1. Тепловые выделения в процессе сварки полностью зависят от разновидностей присадочных дополнительных материалов, и характеристик поступающего тока в шлаковую ванну.
2. Сохранность минимального зазора непосредственно между свариваемыми заготовками. Его необходимо поддерживать на минимальных значениях, чтобы избежать значительных деформаций краев деталей и смещений.
3. Значения внутренних напряжений сварочного процесса характеризуются значительными показателями.
4. После завершения процедуры сваривания требуется дополнительная термическая обработка. Эта процедура позволяет улучшить текущую структуру места соединения заготовок.

Материалом, использующемся в качестве расплавляющейся основы, является шлаковая основа. Возбуждает процесс расплавления, поступающий электрический ток, который обеспечивается специализированным генератором тока. Особенностью ЭШС является факт обязательного вертикального расположения деталей. Чтобы устранить протечки рабочей массы на заготовки устанавливаются специальные охлаждаемые ползунки.

Оборудование для ЭШС

Технология электрошлаковой сварки относится к особым методам. Оборудование и расходные материалы для нее тоже особые. Это касается, прежде всего, химического состава многочисленных вариантов флюсов, предлагаемых на рынке для ЭШС.

• Марганцевые флюсы с высокими долями кремния и железа. Отлично подходят для работы со сталями низколегированных типов.
• Низкокремниевые марганцевые флюсы также предназначены для сталей теплоустойчивого типа перлитного класса, а также для низко- и среднелегированных сплавов стали.
• Безмарганцевые низкокремнистые смеси подходят для бронированных металлов.
• Фторидные флюсы выбирают для сварки деталей из нержавейки или чугуна.

Пара слов о сварочном шве высокого качества.

Качество сварочного шва – самый главный в итоге критерий эффективности всех технологий работы по металлу. Особенность ЭШС в виде минимального и очень постепенного пополнения шлаковой ванны новыми дозами флюса выливается в постоянный химических состав металла сварочного шва. А это напрямую влияет на его высокое качество.

Мы уже писали выше, что электрошлаковая сварка проводится при вертикальном положении оси шва. Благодаря этому факту газовые пузыри и частицы шлака всплывают и удаляются легче и быстрее, чем при горизонтальном положении. Вследствие этого пустоты шва заполняются металлом намного лучше.

При ЭШС практически не образуются поры и никакие другие участки низкой плотности, по крайней мере, эти дефекты наблюдаются намного реже и в меньшем количестве, чем при дуговой сварке в нижнем расположении.

Электрошлаковая сварка.

Следующее преимущество – отличные температурные условия для рабочей зоны. Нагревание краев металлических деталей стартует на поверхностном уровне шлаковой ванны, а расплавление этих краев начинается лишь в самой близости от вновь образованной металлической ванны.

Между этими процессами – началом подогрева краев свариваемых металлических заготовок и их расплавлением проходит совсем небольшое время – всего 2 – 3 минуты. Но их вполне хватает, чтобы скорость нагрева и скорость следующего за ним охлаждения были ниже, чем при других способах сварки. Это называется стабильностью, что напрямую работает по высокое качество шва.

Перед сваркой по технологии ЭШС кромки металлических деталей разделывать не нужно. Их складывают с зазором, который по идее заменяет эту разделку. Такой подход позволяет снизить ресурсные затраты при подготовке кромок к процессу сварки.

Электрошлаковая сварка предполагает симметричное расположение электродов. Поэтому при ее использовании нет никаких угловых изменений в виде деформации. Если толщина свариваемых металлов небольшая, например, в пределах 40 – 50 мм, ресурсные затраты на ЭШС выше, чем при дуговой сварке по флюсовой технологии, так что тонкие детали лучше варить без шлака.

А вот если толщина кромок большая, выше, например, 100 мм, то применять лучше ЭШС, которая намного производительнее и экономичнее дуговой.

Конечно, есть и кое-какие недостатки. Ориентация шва должна быть только вертикальной, иногда это не очень удобно. Процесс сварки должен быть непрерывным в обязательном порядке, в противном случае могут образоваться дефекты, в результате чего придется делать повторную сварку. Шов при ЭШС отличается своеобразной структурой – она особая, крупнозернистая.

Способы сваривания

Электрошлаковая сварка подходит не для всех металлов, но ее область применения нельзя назвать узкой. Ее используют обычно для соединения низкоуглеродных и среднеуглеродных сталей, чугуна, цветных металлов (вплоть до титана и алюминия), реже — для легированных сталей.

Применяют при производстве массивных, крупногабаритных деталей (толщина порядка 100-600 мм), переплавке отходов.

На практике используется 3 основных методики сварки. Первая подразумевает непрерывную подачу в расплав присадочного электрода, направляемого в горизонтальной плоскости. Движение электрода носит возвратно-поступательный характер, чтобы обеспечивалась максимальная плотность контакта.

Вторая электрошлаковая методика — это сварка габаритными пластинчатыми электродами, которые фактически заменяют собой медные ползуны.

В этом случае присадка используется в меньшей степени — электроды сами плотно перекрывают зазор и обеспечивают эффективный расплав: торцы деталей соединяются без присадки. Но в этом случае электроды должны быть подогнаны по форме к деталям, это узкоспециализированный способ.

Третья методика основана на соединении первых двух. В ней присутствует и пластинчатый электрод, и особый плавящийся электрод. Первый во время всего процесса электрошлаковой сварки остается неподвижным, второй подается в зону расплава и является, по сути своей, присадкой.

Также существуют два разных принципа работы установок электрошлаковой сварки. Устройства, в которых реализован первый способ, работают с твердой шлаковой смесью, которую самостоятельно расплавляют. Установки, работающие по второму принципу, используют жидкую, предварительно расплавленную в печи смесь.

Первым для начала работы необходим более мощный пусковой ток, потому что много энергии тратится на доведение шлака до жидкого состояния. Вторым, соответственно, требуется находящаяся неподалеку плавильная печь.

Причины, по которым шлаковые включения образуются

Довольно часто только осваивающие сварочные технологии специалисты задаются вопросом почему много шлака при сварке образуется на соединительных стыках. Появление таких включений обусловлено разными факторами:

• металл быстрее обычного остывает и шлак попросту не успевает выйти за пределы сварочной ванны;
• низкое качество электродов, используемых при сварке. При этом неравномерно происходит плавление и в сварочную ванну попадают частички электрода;
• при низких значениях раскисления металла образуется много шлака при сварке. Это процесс, при котором из уже мягкого металла устраняются молекул кислорода. Они ухудшают механические свойства металла и разрушают его структуру;
• некачественная подготовка и зачистка от грязи, ржавчины и масел свариваемых кромок;
• высокие значения поверхностного натяжения шлака препятствуют всплытию его на поверхность;
• применение флюса или электродов из тугоплавких металлов и с большим удельным весом;
• не соблюдении режимов и технологии сварки, например, неправильно подобранный угол наклона или же неподходящая скорость перемещение электрода.

Чтобы осуществлялась сварка без шлака или же с минимальным его количеством, желательно обратиться за помощью к опытным сварщикам. Если вы хотите самостоятельно сваривать, то следует научиться сваривать самые простые элементы и только потом приступать к более сложным.