Электрошлаковая сварка

Преимущества и недостатки способа ЭШС

  • Высокая производительность при больших толщинах деталей — примерно в 20 раз выше
  • Сравнительно малый расход электроэнергии и флюса из расчета на 1 кг металла.
  • Качество металла шва выше. Также путем шлакового переплава получают высокие характеристики металла.
  • Нет необходимости разделывать кромки, что снижает трудоемкость подготовительных операций.

Способ не лишен и некоторых недостатков.

  • Технология сварки должна предусмотреть вертикальную ориентацию шва.
  • Процесс недопустимо прерывать, чтобы избежать образования дефектов и повторного сваривания деталей, как показано на видео.
  • Полученный шов имеет крупнозернистую структуру. Для получения хороших прочностных характеристик изделие нужно подвергать термообработке.

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.

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.

Еще одно преимущество связано с оптимальным направлением роста кристаллов в швах. Это явление исключает появление зоны «слабины», которая обычно появляется в широких швах большой толщины, если процесс проходит в нижнем положении. Кроме того, снижается риск формирования кристаллизационных дефектов в швах.

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.

Технология электрошлаковой сварки

Две свариваемые детали располагаются рядом с небольшим зазором, с торцов плотно фиксируются медными бегунами. От возбуждения электродуги слой флюса расплавляется, образуя горячий шлак. Он заполняет все ограниченное пространство. За счет хорошей электропроводности шлака дуга угасает, но движение тока при этом не прекращается, выделяется тепло, шлаковые частицы прогреваются до температуры плавления присадки и мягкости сплава. Расплав заполняет зазор, образуется однородный шов. Он защищен шлаковой ванной, разогретой свыше 1500°С. Во флюс можно одновременно опустить параллельно несколько присадок, все они будут равномерно разогреваться горячим шлаком. Подаются они всегда сверху вниз. При искусственном охлаждении ползунов (к ним подводится вода) нижние диффузионные слои твердеют постепенно и равномерно.

Виды сварных швов, образуемых методом ЭШС:

  • стыковые прямой, криволинейной формы;
  • тавровые, двутавровые;
  • угловые односторонние, двухсторонние;
  • вертикальные переменного сечения.

Технология электрошлаковой сварки

Важно знать!

Собираясь использовать эту технологию, нужно сначала здраво оценить все её достоинства и недостатки. Обязательно следует учесть ряд важных моментов.

Поверхность металла в месте соединения необходимо тщательно очищать от грязи и окислений. В противном случае процесс плавления внутри шлаковой ванны будет протекать нестабильно.

Для обеспечения наилучшего качества сварного соединения температура металла должна быть максимально приближена к температуре плавления.
Появление дугового разряда в глубине шлаковой ванны или между её свободной поверхностью и электродом является распространённой причиной дефектов шва

Именно поэтому следует уделять особое внимание регулированию дуги.

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.

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

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.

Где и зачем нужна ЭШС

Режимы электрошлаковой сварки.

Экономия металлов, их долговечность и надежность, снижение металлоёмкости конструкций с одновременным повышением их прочности – только часть задач постоянного характера, которые стоят в отраслях, связанных с современным машиностроением.

Давно высчитано, что при производстве сварных металлических конструкций затраты на промежуточные ресурсы и расходные материалы составляют больше половины общих расходов. Особенно это актуально для отраслей, касающихся массивного крупногабаритного оборудования разного толка, но больше всего газовой, нефтяной и энергетической.

Если с самого начала электрошлаковая технология была изобретена исключительно для сварки в вертикальном положении, то в последующем обнаружились серьезные преимущества этого способа с точки зрения экономии ресурсов.

Теперь ЭШС – главный метод в работе с металлическими деталями большой толщины. Более того, на сегодняшний день ЭШС используется не только в сварке. Этот процесс отлично подходит в производстве слитков и отливок.

Понятие процесса

Сущность процесса электрошлаковой сварки (ЭШС) состоит в том, что в зазор между торцами соединяемых деталей помещают шлаковую массу, которую расплавляют путем включения электрической дуги между электродом и самой деталью.

В расплавленную массу шлака подается присадочный металл, который, в свою очередь, начинает плавиться вместе с металлом по краям соединяемых деталей.

Жидкий металл тяжелее жидкого шлака, поэтому он опускается вниз, вытесняя шлаковую массу. В нижней части зазора он застывает, а расплавленная масса поднимается вверх — так заваривается вертикальный шов.

В отличие от более традиционных видов электросварки здесь первоначальному нагреву и расплавлению электрической дугой подвергается именно шлак, а не присадочный и основной металл. Температура плавления шлака должна быть существенно выше температуры плавления металла.

После того, как шлак расплавляется, он шунтирует (гасит) электрическую дугу, но подача тока не прекращается. Прохождение тока через шлаковую массу с оптимально подобранными параметрами тепло- и электропроводности вызывает стабильный и равномерный прогрев ее до высоких температур.

Отличить шлак от металла очень легко по его цвету и консистенции. В конце процесса сварки он легко отделяется от монолитного соединения.

Во избежание вытекания расплава на зазоры ставят защитное ограждение — ползуны, постоянно охлаждаемые водой. Во время электрошлакового сварочного процесса они медленно поднимаются вверх.

Недостатки

Более широкому распространению технологии мешают её недостатки, а точнее – специфические особенности процесса.

  • Таким способом удаётся сваривать только вертикальные швы, что допустимо только при изготовлении деталей относительно простой формы.
  • Для создания необходимых условий плавления флюса и поддержания температуры шлака на заданном уровне требуется специальное оборудование.
  • Метод не применим, если толщина листов соединяемого металла менее 16 мм. На самом деле, даже в этом случае экономическая эффективность электрошлаковой сварки остаётся под вопросом. Действительно оправданной она становится при работе с металлом толщиной 40 мм и более, а наивысшей эффективности достигает, когда этот показатель превышает 100 мм.

Материалы и оборудование при проведении ЭШС

Одним из популярных станков для данной процедуры является А535. Он предназначен для однопроходной ЭШС с переменным электричеством. Но эта установка подойдёт для ограниченной электрошлаковой сварки.

Технические характеристики:

  • напряжение сети – 380 В;
  • частота тока – 50 Гц;
  • количество стержней – 3 шт;
  • диаметр проволоки – 3 мм;
  • толщина металла – до 450 мм.

Аппарат для электрошлаковой сварки А535

Другое оборудование — А550. Электрошлаковая сварка с его помощью проходит по аналогичному сценарию, но тут отличаются его некоторые параметры и свойства. Некоторые производители предлагают изготовить модель по индивидуальному заказу, где его напряжение будет составлять 380 В, 415 В с частотой 50 Гц. Также можно задать высоту хода автомата, в зависимости от размеров заготовки.

Для улучшения качеств изделия могут добавляться различные присадки. Они также подаются напрямую в резервуар, где смешиваются с главным веществом и помогают на протяжении всего действия.

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.

Технология ЭШС

Всё начинается со сборки деталей: устанавливают две пластины на определённом расстоянии друг от друга, снизу с и обеих сторон устанавливают специальные скобы, которые фиксируют заготовки. Затем в пустой промежуток помещают сварочную проволоку и засыпают флюсом (в дальнейшем он будет расплавляться, образуя твёрдую основу). После накопления определённого количества жидкого шлака дуга шунтируется им и гаснет. Далее, электроэнергия течёт сквозь побочные продукты, которые имеют завышенные параметры сопротивления. В ходе проведения процесса сваривания создаётся высокотемпературная обстановка, которая доводит железо до расплавленного состояния. Также в ходе наложения шва гладь проходит стадию охлаждения.

По мере поднятия ванны фиксирующие скобы демонтируют и образуется ровная и прочная спайка. Однако это не окончательный этап, ведь требуется зачистить готовый шов, удаляя поверхностные трещины и раковины. Технологические планки, которые монтировались в начале процедуры, срезают болгаркой или другим инструментом. Технология осуществления электрошлаковой сварки позволяет получить высококлассный экземпляр, который можно подвергать последующей ковке и штамповке. Следует отметить, что методика показывает высочайшую эффективность при конструировании кольцевых соединений.

Технология электрошлаковой сварки

Несмотря на всю сложность, многие предприятия активно практикуют такой подход. Дело в том, что полученное соединение получается настолько качественным, что оно схоже с основной структурой заготовки. При всём этом пропадает необходимость в отливке и ковке большинства деталей. Также электрошлаковая сварка менее затратная, а схема, на которой хорошо видны все этапы, свидетельствует прямым тому подтверждением.

Прогресс не стоит без дела, и с каждым годом появляются свежие приёмы, позволяющее решить трудные задачи металлургической отрасли. Относятся совершенствования не только к появлению новых приспособлений, но и к обнаружению новых материалов. Следует обозначить, что в приоритете такой «эволюции» стоит автоматизация и компактность установок, а также манера нанесения спаек.

Осуществление возбуждения ЭШ-процесса

Схема процесса электрошлаковой сварки.

Пригодность заготовок к свариванию определяет качество обработки торцов и боковой поверхности, по которой происходит перемещение устройств, участвующих в формировании сварного шва.

Формирование шва происходит путем применения водоохлаждаемых ползунков и медных прокладок. Для запуска процесса сварки используется входной карман и входная планка.

Возбуждение процесса начинается расплавлением флюсовой массы и нагревом образованной шлаковой ванны до рабочей температуры.

При осуществлении ЭШС наведение ванны осуществляется несколькими способами:

  • твердый старт, при котором плавление флюсовой массы осуществляется при помощи тепла электродуги во входной планке, после чего проводится шунтирование добавляемой флюсовой массы;
  • жидкий старт: процесс начинается при помощи добавления в пространство свариваемых деталей жидкой флюсовой массы, которая предварительно расплавляется в печи.

При использовании твердого старта применяются токи более высокого напряжения, чем при стабильном ЭШ-процессе. Для облегчения получения электродуги на дно входной планки засыпается порошкообразный металл, металлостружка или термитная смесь.

В процессе сваривания используются специальные расходные сварочные материалы.

Ссылка на основную публикацию