Электрошлаковая сварка: сущность процесса и область применения, технология, оборудование, преимущества и недостатки

Содержание

Сущность процесса электрошлаковой сварки

Основные схемы процесса
Типы сварных соединений и виды сварных швов

Преимущества и недостатки электрошлаковой сварки
Преимущества
Недостатки

Область применения ЭШС
Технология электрошлаковой сварки

Выбор сварочных материалов (проволоки и флюса)
Выбор параметров режима сварки
Выбор количества электродных проволок
Подготовка деталей к сварке

Способы скоростной электрошлаковой сварки

Сварка с порошковым присадочным материалом
Способ с сопутствующим охлаждением
Сварка при увеличенном вылете сварочной проволоки

Электрошлаковая сварка плавящимся мундштуком
Контроль качества электрошлаковой сварки

Наиболее характерные дефекты
Способы контроля сварных швов

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

Недостатки

Электрошлаковая сварка обладает определенными недостатками. Технически она может проводиться, только если толщина металла составляет от 1,6 см и выше. Наиболее выгодным процесс сварки становится только при 4 см толщине, что далеко не всегда осуществимо в промышленной сфере. Иногда требуется совершать дополнительную термообработку, чтобы металл шва и возле него принял те свойства, которые нужны для работы, так как они меняются под действием ЭШС.

Разновидности

Существует несколько основных разновидностей данного процесса, которые отличаются по своим особенностям. Если рассматривать различия по типу используемого электрода, то выделяют сварку с проволочным электродом, плавящимся мундштуком и пластинчатым электродом. Но это не единственные параметры, по которым происходит различие. По наличию колебаний, которые совершаются электродом, выделяют:

С колебаниями, которые происходят как в ручной дуговой сварке;
Без колебаний, подобно некоторым разновидностям полуавтоматической сварке в газовой среде.

Также процесс может различаться по количеству используемых электродов:

Одноэлектродная сварка;
Двухэлектродная;
Многоэлектродная.

Так же, электрошлаковую сварку разделяют на разновидности, изображенные на схеме ниже:

Схема электрошлаковой сварки

Технология

Сущность электрошлаковой сварки заключается в искусственном охлаждении поверхности свариваемого металла. Шлак пропорционально преобразовывает электрическую энергию в тепловую на месте своего нахождения. Главное здесь подобрать требуемый уровень напряжения, который бы смог обеспечить требуемую температуру, с учетом сопротивления металла и прочих факторов. Настройки режима являются одним из самых сложных моментов работы. Чем выше температура окружающей среды, а также внутренняя в расплавленном металле, тем выше проводимость шлаков. Исходя из этого, можно вычислить, что при снижении температуры до определенного значения, шлаки перестают быть проводниками или их сопротивление становится настолько высоким, что весь процесс становится невыгодным.

Технология электрошлаковой сварки

Одним из самых сложных моментов, которые возникают во время практического применения, является возможность возникновения дугового разряда между поверхностью металла и электродом. Электрошлаковая сварка должна проводиться без применения дуги, но если она возникает в глубине шлаковой поверхности, то это может привести к появлению дефектов внутри шва. Дуга отличается неустойчивостью и во время сварки может появляться неоднократно, что сильно ухудшает целостность шва. Чтобы не возникала дуга, следует задавать такие условия, которые в нормальном состоянии сделали бы ее максимально нестабильной, а при идеальных – вовсе не дали ей возникнуть. Она с меньшей вероятностью возникает в глубине шлаковой ванны. Также переменный ток делает дугу менее стабильной. При снижении напряжения холостого хода, в комплексе с другими методами, создаются именно те условия, которые не дадут образоваться электродуге.

Иногда процесс расплавления может стать нестабильным и тогда кристаллизация начнется раньше, чем это нужно. После этого нужно будет вновь расплавлять все, а при повторном воздействии может случиться образование дефектов.

Если во время расплавления, кромки металла расплавляются выше, чем находится сварочная ванна, то они быстрее остывают. Все это приводит к наплавлением. Это означает, что кромки оплавились от температуры, но не смешались с другими металлом, что не привело к появлению надежного соединения. Это может случиться при слишком высоком напряжении или когда ванная залегает слишком глубоко и параметры режима оказываются недостаточными для такой толщины. Правильно подобранный режим делает электрошлаковую прослойку, которая делает шов более стабильным и надежным.

Большая часть выделяемого тепла переходит в сварочную ванну. Одним из главных проводников здесь является электрод. Если превысить допустимое напряжение, то кромки будут оплавляться сильнее. В таком случае не возникает опасности не сплавления, но пропалить деталь вполне возможно.

Заключение

Сварка данным методом обладает очень оригинальной технологией, которая достаточно сложна, если разбирать ее подробно. Но при поверхностном изучении можно сделать массу ошибок, которые приведут к появлению бракованных изделий. Сложность проведения работ делает ее востребованной только в самых ответственных областях применения.

Достоинства

У электрошлаковой сварки есть ряд несомненных достоинств, которыми нельзя пренебрегать при организации производственных процессов.

Возможность обеспечения стабильной и качественной структуры шва при соединении деталей, имеющих значительную массу и толщину.
Нет нужды в предварительном снятии фасок на кромках и последующей обработке готового изделия для удаления шлака.
В случае одновременного использования нескольких электродов появляется возможность наложения сварочного шва по всей длине за один проход, что существенно сокращает сроки работ и ускоряет производство.

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.

Применяемое оборудование и материалы

Оборудование для электрошлаковой сварки стоит недорого и состоит из сварочного аппарата и приборов, выполняющих вспомогательные функции. Обычно оборудование для ЭШС продается в комплекте, что очень удобно. Такой комплект называется сварочной установкой для электрошлаковой сварки. Это, пожалуй, все, что можно сказать про применяемое оборудование.

А вот с флюсами все гораздо интереснее. Для ЭШС нужно применять плавленые флюсы. Если вы собираетесь варить углеродистую или низколегированную сталь, то мы рекомендуем использовать флюсы АН-8, АН-8М, АН-22. Также отдельно отметим флюс АН-47, при его применении швы получаются качественными, а процесс сварки всегда устойчив.

Если вам предстоит сварка легированной стали с повышенной прочностью, то лучше применять флюс АН-9. Для сварки высоколегированной стали отлично подходят флюсы АНФ-1, АНФ-7, 48-ОФ-6. Не забывайте и о флюсе АН-45, с его помощью можно очень качественно сварить стали с антикоррозийными свойствами. Если нужно сварить чугун, то мы рекомендуем флюсы АНФ-14 и АН-75.

Вы можете применять и другие флюсы, если посчитаете нужным, но учитывайте что они должны соответствовать следующим требованиям:

Выполнять свои функции при любом значении сварочного тока или напряжения, а также беспроблемно устанавливать ЭШС процесс.
В достаточной степени плавить кромки деталей и способствовать улучшению качества шва, не образуя подрезы или наплывы, трещины, включения и прочие дефекты.
Выбранный вами флюс не должен стекать через зазор между деталями.
Флюс должен образовывать шлак, который можно потом легко удалить с металла.

Перед сваркой флюс нужно обязательно прокалить в печи. Температура прогрева может варьироваться от 300 до 700 градусов по Цельсию. Температура зависит от типа флюса и подбирается индивидуально, но в любом случае время прокаливая не должно превышать двух часов.

Станки точны, броня крепка!

Даже с учётом всех специфических особенностей, достоинств и недостатков, область применения ЭШС широка. Более того, благодаря разработке современного оборудования этой технологии находят даже в тех областях производства, где об этом ранее не помышляли.

В тяжёлом машиностроении, где благодаря электрошлаковой сварке удаётся упростить производство сложных фундаментов и оснований. Раньше станину паровой турбины или высокоточного станка приходилось отливать, а иногда и ковать, тратя драгоценное время на длительную последующую обработку, при которой шла в отходы значительная часть материала. Сегодня подобную деталь можно заранее разбить на несколько более простых для изготовления и обработки частей, соединив их воедино с помощью ЭШС.
В строительстве, когда необходимо надёжно срастить массивные балки несущих конструкций. Возведённые с помощью такой методики небоскрёбы стоят долго.
При производстве бронетехники. Ведь, как уже было отмечено выше, именно электрошлаковая сварка используется для сваривания толстых броневых листов, защищающих экипажи и агрегаты боевых машин. Прочность такого соединения практически не отличается от прошедшего сложную обработку материала, способного противостоять различным средствам поражения.

Проверенная годами технология постоянно совершенствуется и, вполне возможно, что когда вы прочитаете эту статью, она уже выйдет на новый уровень!

источник

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.

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.

Недостатки

Электрошлаковая сварка обладает определенными недостатками. Технически она может проводиться, только если толщина металла составляет от 1,6 см и выше. Наиболее выгодным процесс сварки становится только при 4 см толщине, что далеко не всегда осуществимо в промышленной сфере. Иногда требуется совершать дополнительную термообработку, чтобы металл шва и возле него принял те свойства, которые нужны для работы, так как они меняются под действием ЭШС.