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

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 sм, 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.

Особенности процесса сваривания и типы ЭШ сварки

Здесь к главному отличию относится отсутствие электрической дуги. Вся электроэнергия поступается в шлак, являющийся проводником. Благодаря такой реакции выделяется нужное для расплавки количество тепла. Специальный электрод погружают в подготовленную ёмкость с побочными продуктами. Здесь отсутствует горение дуги, но ток продолжает поступать через расплавленный шлак. Следует отметить, что у данных работ есть отличительные черты:

  • расстояние между плитами, которые находятся в вертикальном положении;
  • активная плоскость не контактирует с кислородом, поскольку вся площадь закрыта шлаком;
  • электрошлаковая сварка сопровождается малым расходом флюса, и шов легируется электродной проволокой;
  • сплав долго пребывает жидким, благодаря чему из состава испаряются лишние газы.

Сварные соединения, выполняемые электрошлаковой сваркой

Также присоединение звеньев протекает при помощи плоского электрода. Цилиндрические тоже можно эксплуатировать, но он доставит дополнительных трудностей. Чаще шов наносят сверху в низ, а между обоими предметами допускается наличие зазора. Но для правильности припайки в пустой промежуток помещаются медные ползунки имеющие свойства кристаллизации.

И если проводить такие манипуляции на открытом воздухе, то на поверхности способны появиться трещины. Но шлаковая субстанция защищает от подобных неприятностей.

Такая методика даёт возможность скреплять полосы неограниченной толщины, однако, исполнение работы невозможно в домашних условиях. Ведь весь механизм имеет большие габариты, а способы перемещения оборудования для электрошлаковой сварки подразумевают эксплуатацию рельсовых установок. А главным узлом является агрегат, подающий проволоку в соединительную зону.

Что касается дополнительных тонкостей, то жар, исходящий от ванны, оказывает влияние на прилегающие ко шву участки. Происходит такое из-за сильных перепадов температуры. Околошовные зоны делятся на несколько классов:

  1. Перегрева. В этом месте зёрна основного металла значительно увеличиваются.
  2. Участок полной перекристаллизации. Здесь протекают фазы превращения, но нагрева недостаточно для роста зерна.
  3. Самая дальняя зона. Тут происходит снижение прочности зоны, которое можно исправить грядущей термообработкой.

Да, такая автоматическая сварка невозможна в частном хозяйстве, но человек может обзавестись электрошлаковой плавильней. Она не занимает много пространства, проста в использовании, а для исходного сырья можно использовать всё что угодно: ржавые железки, чистые куски сплавов, стружку и прочее.

https://youtube.com/watch?v=jOYp1X-4EF0

Чтобы правильно пользоваться таким устройством, необходимо получить важные знания. В частности, про характеристики металлопроката. Например, пластины повышенной толщины, сделанные из чугуна, титана, меди, алюминия и их аналоги, отлично подходят для такой процедуры. Однако такой вариант не годиться для спайки тонких объектов. Что касается использования, то его проще понять по зарисовкам. Схема всего процесса электрошлаковой сварки позволяет понять всю технику и особенности применения агрегата.

Осуществление возбуждения ЭШ процесса

Эта реакция начинается в самом начале, когда в ванне расплавляется флюс и вся зона разогревается до рабочей температуры. Также на качество оказывает сильное влияние подготовка.

Всего существует два варианта наведения шлаковой ванны:

  • твёрдый старт. Здесь плавка осуществляется за счёт электрической дуги, с последующим шунтированием и подсыпанием нового шлака;
  • жидкий старт. Тут в рабочее пространство добавляют флюсовую материю в жидком состоянии. Её предварительно расплавляют в печи.

Использование первого пункта требует больше энергетических затрат из-за повышения силы тока. Также на дно планки засыпается перемолотый порошкообразный металл, который способствует получению сварочной дуги. На протяжении всей работы необходимо следить за расходниками, и периодически добавлять их.

Особенности

Здесь можно выделить не только отличительные характеристики полученных результатов, но и подчеркнуть все достоинства и недостатки данного вида сварки. При ведении дуговой сварки выделение газов приводит к такому неприятному последствию, как разбрызгивание металла. В этом плане ЭШС имеет явное преимущество. Шлаковую ванну не нужно закрывать защитными листами. В процессе сварки шлак дозируется небольшими порциями. В итоге повышается производительность процесса при одновременном снижении энергозатрат.

Если продолжать сравнение, то станет очевидно, что кромки заготовки, которые начинают частично плавиться, находятся на значительном расстоянии от электрода. В дуговой сварке электрод расположен гораздо ближе к поверхности.

Следует отметить и экономию материала. От всей доли наплавленного металла шлак составляет только 5%. Флюс при дуговой сварке расходуется в десятки раз быстрее. ЭШС незаменима в отрасли тяжелого машиностроения, где часто приходится иметь дело с массивными деталями. За один проход можно соединить две заготовки толщиной до 200 мм. Но этим возможности установки не ограничиваются. При наличии нескольких электродов толщина может быть существенно выше.

Сам процесс также обладает определенными преимуществами. Сварка не требовательна к колебаниям электрического тока. Нет такой необходимости в его регулировке, как при ведении работ при дуговой сварке. На подготовительном этапе не нужно обрабатывать кромки.

К недостаткам можно отнести ограничение по направлению сварки. ЭШС позволяет формировать только вертикальные швы. В качестве исключения рассматриваются случаи с небольшим отклонением шва от вертикали. Другим недостатком считается невозможность прерывания процесса. Шов должен быть наложен за один проход. Отрицательные температуры окружающей среды не позволят вести сварку. Отсутствие обработки кромок компенсируются затратами времени на изготовления кармана и крепление ползунов.

Новые возможности

Нетрудно догадаться, что требующая наличия квалифицированного персонала, использования специального оборудования и имеющая ряд жёстких технологических ограничений, электрошлаковая сварка не может быть осуществлена в домашних условиях. Тем не менее, многие предприятия активно и вполне успешно применяют эту методику. Причин этому несколько.

При правильной организации процесса структура соединительного шва максимально приближается к структуре соединяемого материала, благодаря чему обеспечивается высокая прочность готовых изделий.
Эта прочность настолько велика, что во многих случаях технология электрошлаковой сварки позволяет отказаться от использования сложного оборудования, необходимого для отливки и ковки заготовок, а также их последующей обработки.
По сравнению с другими способами сварки существенно снижается расход материалов

Это важно, поскольку именно стоимость материалов составляет значительную часть стоимости конечного продукта.

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.

Подготовка изделия к процессу сваривания

Торец предмета с габаритами не более 20 см обрабатывают газорезателем. Необходимость этой операции возникает из-за нужды откорректировать гребни и выхваты: они обязаны быть 0,2-0,3 см, с отклонением от прямого угла не более 0.4 см. Поверхность более толстых металлических изделий проходит стадию механического воздействия, а весь прокат очищают от окислов и коррозии при помощи наждачной машины. Литьё и ковка обязаны быть обработаны по аналогичной методике, и на расстоянии 8 см от торца.

Если присутствует необходимость в соединении двух прокатов с разными слоями, то в работе используют ступенчатую систему ползунов, либо над поверхностью металла большей толщины проводят удаление необходимого слоя. При скреплении кольцеобразных сплавов разность в диаметре стыка не должна быть больше 0,5, а сдвиг свыше 1 мм. Из вышеперечисленного можно сделать вывод, что такие действия имеют ювелирный характер. Но тут содержится ещё один немаловажный момент: чтобы получилась качественная деталь, всю разметку нужно делать с небольшим отступом в большую сторону. Это необходимо делать из-за деформации, которая возникает в ходе воздействия жаром.

Сварка под флюсом различных типов сталей

Сварка конструкционных углеродистых сталей

При сварке конструкционных малоуглеродистых сталей используют флюсы марок АН-348А, ОСЦ-45, АНЦ-1 и другие в сочетании с малоуглеродистыми или марганцевыми проволоками марок Св-08А, Св-08ГА, Св-10Г2.

Сварку среднеуглеродистых сталей выполняют при пониженных режимах, что существенно сказывается на производительности, поэтому, при изготовлении конструкции из среднеуглеродистых сталей данный вид сварки не нашёл широкого распространения на практике.

Высокоуглеродистые конструкционные стали содержат 0,46-0,75% углерода и свариваемость их затруднена. Для сварных конструкций эти стали не используются и необходимость в их сваривании возникает, как правило, при ремонтных работах. В большинстве случае, ремонт выполняют методом наплавки.

Сварка низколегированных сталей

К низколегированным сталям относят группу сталей, содержащих в составе менее 5% легирующих элементов. Оцениваясвариваемость сталей этой группы, можно сказать, что при сварке под флюсом их свариваемость существенно не отличается от нелегированных малоуглеродистых сталей. Но, легирующие элементы в составе стали повышают склонность сталей к росту зёрен в зоне термического влияния, а при высокой скорости охлаждения в них могут возникать неоднородные структуры закалочного характера.

Для сварки металлоконструкций из низколегированных сталей, с температурой эксплуатации до -40°C, используют высококремнистые марганцевые флюсы марок АН-22, АН-22М, АН-47, АН-67А и другие в сочетании с легированной сварочной проволокой марок Св-10НМА, Св-08ХМ, Св-08МХ и др.

Сварка среднелегированных сталей

Среднелегированными являются стали, содержащие в составе 5-10% легирующих элементов. Для современных среднелегированных сталей характерно легирование многокомпонентное, комплексное. Легирование этих сталей только одним элементом применяется редко.

К сварным конструкциям из среднелегированных сталей предъявляются требования повышенной прочности в условиях эксплуатации, а также, нередко, коррозионная стойкость, стойкость к импульсным (резко возрастающим, мгновенным) нагрузкам. Чем выше содержание легирующих элементов, тем труднее сваривать сталь.

Одной из главных проблем свариваемости среднелегированных сталей является их чувствительность к образованию горячих трещин в сварных швах, поэтому при их сварке необходимо тщательно выбирать композицию шва. Кроме этого, необходимо использовать технологические приёмы и выбирать режимы, которые позволят получить хороший коэффициент формы шва и снизить скорость охлаждения.

Для сварки конструкций из среднелегированных сталей сварка под флюсом получила достаточно широкое применение. Для такой сварки используются низкокремнистые флюсы марок Ан-15, АН-15М, АН-17М и бескремнистые марок АН-30, ОФ-6, АВ-4 и др.

Применение бескремнистых флюсов предпочтительно в тех случаях, когда к металлу шва предъявляются повышенные требования по ударной вязкости. В сочетании с вышеуказанными флюсами применяется сварочная проволока марок Св-20Х4ГМА, Св-08Х20Н9Г7Т, Св-10Х5М, Св-10ХГСН2МТ.

Сварка высоколегированных сталей

Высоколегированными считаются стали, содержащие в составе более 10% легирующих элементов. Сварка под флюсом высокоуглеродистых сталей нашла широкое применение в химической и нефтяной промышленности, где требуется высокая коррозионная стойкость сварных изделий и жаропрочность.

Своим широким применение для этих сталей сварка под флюсом получила благодаря постоянству процесса сварки и, как следствие, химической однородности металла шва

Это очень важно для высоколегированных сталей, учитывая, что даже незначительная химическая неоднородность металла шва может стать причиной образования в нём кристаллизационных трещин или заметно снизить коррозионную стойкость или жаропрочность

Сварка под флюсом способна обеспечить швы с гладкой поверхностью и плавным переходом к основному металлу, что позволяет повысить стойкость к коррозии по сравнению со сваркой электродами.

При сварке под флюсом высоколегированных сталей обычно применяют проволоку диаметром 2-3мм. При этом могут использоваться почти все марки проволоки по ГОСТ 224, а также многие марки проволоки, выпускаемые по ТУ, например, Св-12Х11НМФ, Св-12Х13, Св-10Х17Т, Св-04Х19Н9, ЭП467, ЭП235, ЭП497 и другие.

Для сварки жаропрочных высоколегированных сталей применяются фторидные флюсы марок АНФ-5, АНФ-8, АНФ-24 и бескремнистые флюсы марок АНФ-17, АНФ-22. Для сварки коррозионностойких высоколегированных сталей применяют флюсы с низким содержанием кремния марок АН-26, АНФ-14.

Классификация типов электрошлаковой сварки


Схема аппарата для электрошлаковой сварки. Электрошлаковая сварка может подразделяться по самым разным критериям.

По типу формирования сварочной ванны:

  • свободное формирование ванны;
  • принудительное формирование ванны.

Если принять во внимание тип электродов и способ их погружения в сварочную ванну, ЭШС делится на три вида:

ЭШС с проволокой

По данной технологии электродная проволока подается в сварочную шлаковую ванну постепенно, по ходу их расплавления. Электроды передвигаются в горизонтальной плоскости медленно и ровно – их движение поступательное.

В результате обеспечивается ровное нагревание толщины кромок свариваемых металлических заготовок. Немаловажный фактор: для реализации данного способа нужен практический опыт сварщика, новичкам здесь будет непросто.

ЭШС с пластинами

Это метод с использованием электродов в виде пластин и с большим диаметром, который нужен для того, чтобы максимально перекрыть зазор между соединяемыми заготовками. Пластинки электродов фиксируются, чтобы подаваться в ванну через короткие промежутки времени – в зависимости от того, хватает ли расплавленного металла в ванне для заполнения зазора между поверхностями.

Следует ответить, что конструкция аппаратов для ЭШС пластинами или электродами с большим диаметром проще в использовании, чем при ЭШС с помощью проволоки.

Электроды с большим диаметром бывают разной формы: их сечения могут быть прямоугольными или круглыми, если нужно работать с заготовками цилиндрической формы. Они бывают даже полые внутри, заполненные металлической крупкой.

ЭШС плавящимся мундштуком

По своей сути это комбинация двух первых технологий. Пластина из электрода также фиксируется в зазоре, в который подается проволока с помощью направляющих трубок. В процессе сварки пластины неподвижны, потому что расплавленного металла в ванне вполне достаточно за счет подающейся проволоки.

Данная технология может применяться при сварке кромок любой толщины, а шов может достигать в длину трех метров и даже больше. С ее помощью можно варить сложные криволинейные швы.

В аппарат для ЭШС с мундштуком входит специальный переносной механизм для подачи проволоки. Все детали и мелкие конструктивные элементы в ЭШС описаны в ГОСТе 15164.


Виды сварных соединений.

Какие выводы можно сделать? Для сварки металлических деталей с краями большой толщины нужно использовать либо специальные колебательные движения электродов для постепенности прогревания, либо электроды с пластинами или большого диаметра. А самым лучшим вариантом будет сочетание этих способов.

В промышленности чрезвычайно популярна сварка проволокой. Это швы самой разной формы с любой длиной, края деталей любой толщины: от 20-ти до 600 миллиметров. Если применяются пластины, варить можно швы тоже любой толщины, но с ограниченной длиной до 1,5 метров. Пластинчатая ЭШС возможна с чугунными электродами, ведь из чугуна практически невозможно сделать проволоку.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий