Электрошлаковая сварка — сущность, флюсы, процесс, применение

Достаточно оригинальный и не всем известный метод сварного соединения металлических деталей – электрошлаковая сварка. Она предназначается для изготовления вертикальных (преимущественно) сварных швов. Вертикальный шов, особенно на толстом металле, в силу многих причин требует особого подхода.

Содержание

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.

Общая информация

ЭШС или электрошлаковая сварка — это метод соединения металлов, при котором тепло, плавящее металл, образуется в среде расплавленного шлака. Электрод погружается в шлак, пропуская электрический ток, который тем самым генерирует тепло в шлаке. Такой процесс не требует использования дуги. Зачастую ЭШС применяют при сварке вертикально расположенных деталей, шов ведут снизу вверх.

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.

Способы электрошлаковой сварки: а) с использованием проволоки; б) с использованием пластин и токоподающих электродов; в) с использованием мундштука.

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.

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.

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.

Обратите внимание, что химический состав присадки должен быть аналогичен составу основных металлов.

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.

Технология

Технология электрошлаковой сварки крайне проста. Две детали устанавливают вертикально, оставляя между ними небольшой зазор. Зазор нужно с двух сторон закрыть ползунами, оснащенными трубками с водой для охлаждения. Ползуны нужно перемещать по ходу сварки, чтобы шов равномерно остывал. Снизу зазор нужно дополнительно закрыть специальным «карманом». Затем нужно засыпать флюс в зазор и погрузить в него электрод. Подвод тока осуществляется с помощью мундштука.

Ток проходит через электрод прямо во флюс, и тот начинает плавиться. В последствии образуется шлак, который за счет своей высокой теплопроводности как раз и является тем самым источником тепла, нагревающим металл. Шлак плавит электрод, кромки и способствует образованию сварочной ванны. Дуги в этом процессе нет, как таковой. Флюс защищает сварное соединение от негативного влияния кислорода и улучшает его качественные характеристики. При этом он используется вполне экономично и его расход невелик. Можно использовать обычный флюс для дуговой сварки или флюс особый. Но об этом мы поговорим далее.

Преимущества и недостатки

Логичнее начать с достоинств ЭШС:

1. Металл не окисляется под слоем шлаковой ванны, не нужно использовать газовое оборудование для создания безопасной атмосферы.
2. Соединяемые детали равномерно разогреваются и медленнее остывают. Нагрев начинается на уровне флюса. Благодаря «шубе» сохраняется стабильная температура в процессе образования шва. Это благотворно сказывается на качестве соединения.
3. Параметры токовой нагрузки меньше влияют на процесс образования шва, прогрев происходит за счет разогретого шлака. При прерывании подачи электричества процесс не прерывается.
4. За один проход проваривается металл толщиной до 200 мм, не нужно делать много проходов, сокращается время сварки. При двух электродах допустимо соединять металл толщиной свыше 200 мм.
5. Минимизируются затраты на расходные материалы, объем шлака составляет не более 5% от объема металла, затраты на электроэнергию небольшие, нет потерь, свойственных сварке на постоянном токе.
6. Высокий коэффициент полезного действия. При минусе временных и денежных затрат – большой объем работ хорошего качества.
7. Минимизируется человеческий фактор: автоматически выдерживается заданное расстояние электрода до детали.
8. Сокращается время подготовительного этапа, разделки кромок не требуется. Заплавляется зазор между деталями.

Несколько минусов, которые нельзя скидывать со счетов:

1. Вариативность швов уменьшается, методом ЭШС выполняют только вертикальные или сильно приближенные к ним швы.
2. Процесс непрерывный, нельзя остановиться на середине шва, пострадает качество соединения.
3. Высокая зернистость диффузионного слоя, при минусовых соединениях пластичность металла существенно снижается, шов приобретает хрупкость.

В промышленных масштабах электрошлаковая сварка экономически целесообразна при соединении толстых элементов. Для тонкостенных деталей расходы на оборудование окажутся слишком большими.

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.

Подготовка изделия

Кромки стыкуемых деталей не обязательно зачищать. Раскрой металла производится газовым резаком. Допускаются неровности и выступы размером до 3 мм при толщине листа до 200 мм. Отклонение от параллельности кромок сопрягаемых деталей может быть в пределах 4 мм на высоту.

При соединении боковых плоскостей проката, его следует очистить от окалины и ржавчины. Для этого используется обдирочный аппарат или ручная зачистка болгарками с крупнозернистыми кругами.

Литье и поковки в месте соединения должны обрабатываться механическим способом на станках. Если для наращивания глубины ванны применяются медные или стальные пластины, варить можно без обработки.

Перед сваркой деталей разной толщины, кромки выравнивают, сняв под углом часть большей или наращивая полосой металла тонкую.

Вместо заключения

Мы постарались кратко, но понятно описать, что такое электрошлаковая сварка. Пользуясь этой статьей, вы сможете применить эту технологию в своей практике, поскольку теперь знаете все марки флюса и особенности проведения сварки. Мы считаем, что ЭШС-сварка просто незаменима на мелких предприятиях, ведь она экономична, производительна и позволяет выпускать относительно качественную продукцию. А вы когда-нибудь прибегали к электрошлаковой сварке? Расскажите о своем опыте в комментариях. Желаем удачи в работе!

Осуществление возбуждения ЭШ процесса

При холодном старте стык между свариваемыми деталями заполняется флюсом. В него вставляется мундштук и возбуждается ток. Под флюсом возникает дуга, и он плавится, превращаясь в жидкий шлак с большим электрическим сопротивлением.

Сварочная дуга после расплавления первой порции флюса угасает. Шлак, через который проходит ток, выделяет большое количество тепла и плавит следующую порцию флюса, присадочную проволоку и края свариваемых деталей.

Горячий способ применяется реже. В ванну, образованную медными пластинами по бокам в начале шва, заливают предварительно расплавленный в печи флюс.

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.

Важно знать перед работой

Есть ряд нюансов, о которых нужно помнить всегда:

• Обязательное требование – тщательнейшая очистка поверхностей в месте сварки от грязи и любых следов окисления. Если этого не сделать, внутри шлаковой ванны потеряется одно из самых главных достоинств: стабильность плавления.
• Еще одно обязательное условие – соблюдение одной и той же температуры нагрева металла и плавления, это должна быть наибольшая приближенность.

Регулировка электрической дуги должна быть под особым контролем. Если вдруг в шлаковой ванне произойдет дуговой разряд, в шве появятся дефекты – это довольно распространенная причина.

Контроль качества электрошлаковой сварки

Наиболее характерные дефекты

В большинстве случаем, сварные швы, полученные при помощи ЭШС, обладают высокими механическими свойствами, химически однородны и с отсутствием металлических включений, трещин, пор и шлаковых частиц. Но, при нарушении технологии сварки, или техники выполнения швов, могут появиться дефекты, снижающие качество сварного соединения.

К наиболее распространённым дефектам относятся горячие трещины в металле шва и надрывы в зоне термического влияния. Горячие трещины могут возникать при сварке любых типов стали, но чаще всего они возникают у сталей с большим показателем углеродного эквивалента и у сталей с содержанием углерода более 0,2% при жёстком закреплении свариваемых заготовок и при повышенных скоростях сварки.

Из параметров режима сварки, наибольшее влияние на образование трещин оказывает величина силы тока, которая напрямую зависит от скорости подачи проволоки. Соответственно, для предотвращения образования данного дефекта, следует уменьшать скорость сварки, и выполнять предварительный подогрев до 150-500°C.

Холодные трещины шва могут появиться при сварке среднелегированных сталей ферритной проволокой, когда зона проплавления находится на удалении от ванны с расплавом. Для предотвращения этих трещин сварку рекомендуется вести при малой глубине ванны (35-40мм) и равномерном проваре.

Другие дефекты, такие как непровары, поры и неметаллические включения появляются, как правило, при грубом нарушении технологии сварки.

Способы контроля сварных швов

Соединения, полученные ЭШС, контролируют комплексно. Этот контроль включает в себя визуальный осмотр сварных швов, контроль сварки на предварительно изготовленных образцах, ультразвуковой контроль сварных швов, магнитную дефектоскопию, контроль рентгеновскими лучами или же радиационный контроль гамма-излучением.

Видео: Электрошлаковая сварка, технология

Дополнительные материалы по теме:

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...