Андрей Смирнов
Время чтения: ~14 мин.
Просмотров: 0

В чем заключается сущность электрошлаковой сварки

Способы сваривания

Все действия направлены на соединение узкого круга металлов, которые попадают под класс низкоуглеродных и среднеуглеродных. В исключительных случаях допускаются легированный тип. Также все плиты должны иметь достаточную толщу. Всего есть три разновидности современной электрошлаковой сварки:

  • С применением непрерывной подачи присадочного электрода, направляющегося слева на право. Ход контакта носит возвратно-поступательный характер, что даёт высокую плотность взаимодействия;
  • С эксплуатацией плоских контактов, заменяющих ползуны из медной материи. Этот подход сопровождается меньшим расходом присадок, но электроды повинны идеально подходить под форму заготовок;
  • Третий – комбинация двух предыдущих видов. Здесь участвую сразу два вида контактов, где плоский зафиксирован на месте, а плавящийся подаётся в активную среду.


Многоэлектродная электрошлаковая сварка


Электрошлаковая наплавка лентой

Каждый тип используется в зависимости от показателей будущего предмета и характеристик сплавляемой материи.

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.

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.

Виды электрошлаковой сварки

Разновидности ЭШС по виду присадки, способу ее подачи:

  1. С использованием проволоки. Она подается в ванну расплава постепенно, сверху вниз, вслед за перемещающимися в одной горизонтальной плоскости электродами.
  2. С использованием пластин и токоподающих электродов круглой или прямоугольной формы. Пластины опускаются к зазору по мере необходимости образования расплава. В отличие от проволоки одномоментно образуют большой объем расплава.
  3. С использованием мундштука. По сути, это унификация первых двух способов. Токоподающие пластины фиксируются в определённом положении, флюс быстро прогревается. А к зазору по направляющему мундштуку подается проволока. Этот метод разработан для криволинейных швов.

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.

Подготовка изделия к процессу сваривания

Схема сварочного электрода.

При сваривании металлических заготовок, имеющих толщину до 200 мм, их торец обрабатывается газорезательной машиной. Это делается для того, чтобы гребни и выхваты не превышали 2-3 мм, при этом максимально допустимое отклонение от прямого угла не должно быть более 4 мм. При сваривании заготовок, толщина которых превышает 200 мм, а также кольцевых швов предварительно проводят обработку стыкуемых поверхностей механическим способом.

Боковые поверхности изделий, изготовленных путем проката, зачищают от окислов и окалины при помощи наждачных кругов. Литые и кованые изделия подвергаются мехобработке на ширину в 80 мм от кромки свариваемого торца.

При сваривании соединений сдвиг кромок не должен быть более 2-3 мм. При сваривании деталей различной толщины более толстая деталь сострогается или на тонкую заготовку монтируют выравнивающую спецпластину, удаляемую после проведения процесса сваривания. Если электрошлаковая сварка используется для сваривания изделий разной толщины, применяются ступенчатые спецползуны. При проведении процесса сваривания перемещение кромок не должно быть больше 1-2 мм.

При сваривании кольцевидных изделий разность в диаметре стыкуемых деталей не должна превышать 0,5 мм, а сдвиг при проведении сварки не должен быть более 1 мм.

Для того чтобы получить точный размер изделия при сваривании его из заготовок, детали требуется собирать с небольшим допуском, который учитывает деформирование компонентов изделия при сварке. При сварке различают расчетный, сварочный и сборочный допуски. Сварочный допуск может в зависимости от изделия колебаться от 1 до 12 мм. При сборке ориентируются на сборочный допуск, который на начальном участке сварочного шва равен сварному, а в дальнейшем увеличивается на 2-4 мм на 1 м сварочного шва.

Особенности процесса сваривания и типы ЭШ-сварки

Особенность электрошлаковой сварки – отличие в проведении сварочного процесса как в самом начале, так и в дальнейшем его протекании.

Положение шва при сварке стыковых.

Электроток проходит по цепи, состоящей из спецэлектрода, шлаковой массы в жидком состоянии и основного металла изделия. Прохождение электротока позволяет обеспечить плавление металла как основного, так и присадочного, помимо этого происходит плавление флюсового состава, который постоянно поступает в сварочную ванну. Образующаяся в сварной ванной шлаковая масса имеет меньшую плотность, что приводит к его всплытию в расплаве. Он в процессе проведения сваривания осуществляет защитную функцию, защищая расплавленный металл от воздействия атмосферы, одновременно с этим расплавленная шлаковая масса способствует очистке металла от вредных примесей.

На сегодняшний день разработано несколько технологий проведения сварки электрошлаковой.

Электрошлаковая сварка обладает следующими техническими и экономическими преимуществами:

Схема нагрева металла при электрошлаковой сварке.

  • устойчивость процесса, которая мало зависит от рода электротока;
  • устойчивость процесса при кратковременном прерывании электротока;
  • высокая производительность;
  • экономичность сварочного процесса;
  • отсутствие спецподготовки кромок деталей;
  • отличное качество защиты сварного шва от воздействия воздуха;
  • высокая распространенность расходных материалов и невысокая их стоимость;
  • теоретическая возможность получения шва любой толщины за один проход.

Технология ЭШС имеет несколько недостатков, основными из которых являются следующие:

  • возможность проведения сваривания только в вертикальном или близком к нему положении;
  • недопустимость полной остановки сварочного процесса до конца сваривания;
  • образование крупнозернистой структуры металла в зоне сваривания и снижение ударопрочности сварного шва;
  • необходимость подготовки перед процессом сваривания технологических деталей.

ЭШС используется при сваривании прямых и кольцевидных стыков. Минимальная толщина изделий – 25-30 мм.

Область применения

Сущность процесса и область применения сварки под слоем флюса состоит в соединении деталей больших размеров. Наиболее часто это листы толщиной от 40 мм до 500 мм. Шов накладывается за один проход и практически не имеет ограничения по длине.

Наиболее популярная область применения в тяжелой промышленности для изготовления стендовых плит большой площади, сваривании деталей с разными по толщине элементами. При строительстве трубопроводов повышенной ответственности применяется автоматическое оборудование для соединения труб с предварительной подготовкой и последующей термообработкой и изоляцией.

5.7 Требования к характеристикам рабочего места и производственного помещения

Участок для ЭШС должен быть расположен в хорошо вентилируемом помещении, по объему и площади соответствующем санитарным нормам.
Участок должен располагаться в непосредственной близости от термических печей или устройств местной термообработки. Желательно, чтобы комплекс ЭШС и термические печи находились в соседних пролетах одного и того же цеха.
Сварочные установки (стенды) должны быть расположены в торце пролета или около цеховых колонн. Это требование обусловлено необходимостью исключить транспортировку грузов цеховыми кранами над установкой или аппаратом во время их работы.
На участке должны быть расположены посты ручной дуговой сварки и газовой резки, станок для очистки и намотки сварочной проволоки, распределительное устройство водоснабжения и слив отработанной воды, устройство автономного водоснабжения, устройство для предварительного, сопутствующего и последующего подогрева свариваемых заготовок. Участок следует размещать в зоне действия цехового крана достаточной грузоподъемности.
Питание участка электроэнергией должно быть преимущественно от отдельного распределительного щита мощностью 500 или 1000 кВ·А.

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.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации