Электрошлаковая сварка сущность процесса и область…

Свойства и применение электрошлаковой сварки

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.

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.

Уникальные свойства

Примененный принцип «косвенного расплава» определяет уникальные свойства процесса. Особенности, являющиеся преимуществами, состоят в следующем:

защита шва от атмосферного воздуха жидким шлаком, заключенная в самом принципе электрошлаковой технологии;
• изменение плотности тока при сварке этим способом меньше влияет на качество шва, чем при сварке дугой;
• некритичность кратковременного прерывания подачи тока в процессе;
• возможность варить швы любой толщины за один проход;
• возможность подвергать сварке необработанные края деталей;
• малый расход электроэнергии;
• небольшая стоимость расходников — шлаков;
• высокий КПД.

Кроме того, стоит отметить, что электрошлаковая сварка производится на переменном, а не постоянном токе.

Но у ЭШС есть и недостатки. Этим способом варят только вертикальные швы, либо швы под острым углом к вертикали (основная причина малой распространенности электрошлакового метода).

Начатый процесс нельзя прекращать на середине, иначе возникают дефекты, которые могут быть устранены только разрывом шва и проведением работ заново.

Металл шва имеет крупнозернистую структуру, поэтому детали с таким соединением не предназначены для использования при отрицательных температурах — они становятся ломкими.

Сварочный электрошлаковый процесс требует большого количества оборудования, начиная от медных ползунов, которые должны максимально плотно прижиматься к шву (их отхода допускать нельзя) до иных вспомогательных деталей стартового кармана. Минимальная толщина стыков составляет 20 мм.

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.

Какие применяют флюсы

Флюс — это, собственно, и есть шлак, основное рабочее вещество электрошлаковой сварки. К нему выдвигаются определенные требования. Флюсы должны обеспечивать:

• максимально быстрый запуск процесса электрошлаковой сварки при любом напряжении (спектр рабочих напряжений достаточно широк);
• максимально эффективное проплавление кромок;
• максимально прочный шов;
• легкое удаление с поверхности после окончания варки.

Для каждого вида металлов предназначены свои флюсы. Так, низколегированные стали и стали с повышенным содержанием углерода варятся с помощью флюсов АН-8, АН-22 или АН-47. Для нержавейки — АН-45.

Для высоколегированных стальных сплавов применяется АН-9, АНФ-1 и АНФ-7. Чаще всего рассматриваемый вид сварки применяют на производстве, в бытовых условиях он встречается редко.

Что такое электрошлаковая сварка

В промышленных масштабах для вертикального соединения металлов используют метод ЭШС. Электрошлаковая сварка позволяет при минимальных затратах получать качественное соединение. Флюс не только предохраняет расплав от окисления, но и обеспечивает прогрев деталей. Электрод или сварная проволока выступают легирующим металлом, в составе расплава до 20% присадки. Он заполняет зазор между соединяемыми элементами, образуется плотный шов однородной структуры. Об особенностях ЭШС, преимущества и недостатках стоит сказать подробнее.

Сущность процесса и область применения

Что же такое электрошлаковая сварка? Нагрев металла в шлаковой массе, разогреваемой электрической дугой переменного тока. Она возникает между электродом и деталью. Другого не дано. Шлаковая ванна выполняет роль защитной атмосферы. С обеих сторон от расползания он сдерживается двумя параллельно расположенными бегунами. Они ограничивают площадь разогрева деталей. Электрод или присадочную проволоку опускают во флюс. При прохождении тока он плавится, образуя с металлом ванну расплава.

В сущности, электрошлаковая сварка – это бездуговая вертикальная сварка, в процессе задействован температурный потенциал разогреваемого током шлака. Он остается в зоне шва благодаря ползунам. Фокус заключается в том, что вертикальным способом можно за один проход проварить толстый слой сплава.

В процессе разогрева жидкий металл за счет большой плотности оседает вниз, заполняя зазор, а легкие шлаковые образования всплывают, захватывая с собой пузырьки воздуха из расплава. Ванна расплава четко разграничена на две фракции: металл/неметалл благодаря высоте сварочной зоны.

Область использования метода ЭШС ограничена:

• не применяется для тонкостенных элементов, они под шлаком расплавятся полностью;
• не образует разнонаправленных швов;
• размер деталей не должен выходить за рамки возможностей установки ползунов.

Метод удобен для сварки массивных элементов из различных стальных сплавов от чугуна до высоколегированных.

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.

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.

Оборудования и материалы для ЭШС

Технология предполагает использование ограничительных ползунов из чистых медных сплавов и шлакообразующих флюсов. Их химический состав зависит от марки стали. На флюсе типа АН-8, АН-22 или АН-47, содержащим до 40% кремния, 20% марганца и 15% алюминия, производится сварка низколегированных углеродистых сталей. Шлаковую ванну для высоколегированных сплавов, чугуна создают путем расплавления фторидных флюсов АНФ-1, АНФ-9 с оксидом титана. Для нержавеющего нужен состав АН-45 с зерном до 1,6 мм. Безмарганцевые флюсы применяют для бронированных сплавов.

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.

Что такое электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка — наиболее производительный способ соединения металлов значительной толщины. Используется для сваривания сталей, чугунов и сплавов.

Электрошлаковая сварка — наиболее производительный способ соединения металлических деталей значительной толщины. Используется для сваривания сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов. Процесс идет в вертикальной плоскости. Необходимое для плавления кромок тепло выделяется в расплавленном флюсе при прохождении сквозь него тока. Сварка выполняется специальными аппаратами.

Технология ЭШС

В технологии ЭШС температура для изменения состояния металла (из твердого в жидкое) достигается пропусканием тока через слой электропроводного шлака. Итак, электрошлаковая сварка — что это такое? На первой стадии все протекает как в сварке под флюсом. Следующая схема даст вам четкое представление о процессе.

В зазор между кромками деталей вводится флюс. Изначально дуга зажигается между электродом и либо деталью, либо начальной планкой, ограничивающей зазор. Дуга расплавляет шлак и электрод. В результате образуются жидкие слои: снизу – металл, сверху – шлак. В этот момент дуга гаснет, т.к. сварочная проволока плавится в горячем (1600-1700°С) шлаке с высокой теплопроводностью. Сварочный ток в шлаке выделяет тепло, за счет которого дальше идет бездуговой процесс.

Специальные приспособления (ползуны) удерживают текущий шлак и металл. По мере заполнения зазора медные пластины перемещаются вверх. По всей высоте кромок образуется шов. Электрошлаковая сварка, выполняемая несколькими проволоками или ленточным электродом, решает проблему соединения толстых заготовок за один проход. Медные ползуны для предотвращения перегрева охлаждаются водой. Расплавленный шлак соприкасается с ползунами, образуя тонкую корку. Это препятствует контакту металла с медными поверхностями и возникновению в шве трещин.

Особенности и отличия данного способа:

• Зазор между деталями расположен в вертикальной плоскости.
• Зона шва не взаимодействует с воздухом. Над поверхностью металла постоянно находится жидкий шлак.
• Небольшой расход флюса приводит к тому, что металл шва легируется материалом электродной проволоки.
• В процессе сварки электрошлаковой металл находится в жидком состоянии долгое время. Это способствует удалению из шва газов и легких включений.

Эти особенности повышают качество шва. Он получается плотным, устойчивым к трещинообразованию.

Оборудование для электрошлаковой сварки

В СССР были разработаны аппараты трех типов.

1. Рельсовые — перемещаются вдоль шва по вертикальным направляющим.
2. Безрельсовые — крепятся к обрабатываемому изделию механическим способом и перемещаются непосредственно по нему.
3. Шагающие устройства — движутся по конструкции посредством электромагнитов.

Применение специального плавящегося мундштука дало возможность использовать ЭШС для получения швов сложной конфигурации. Для формирования требуемого шва мундштук, который повторяет его форму, плавится вместе с проволокой.

Преимущества и недостатки способа ЭШС

Главное достоинство метода — возможность сваривать изделия неограниченной толщины. Благодаря этому электрошлаковая сварка применяется для соединения крупногабаритных конструкций: судовых корпусов, прокатных станов, мостов и пр. Данный способ имеет ряд преимуществ (сравнение производится с технологией «под флюсом»).

• 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.

Вообще метод является универсальным. Им выполняют все виды соединений любой конфигурации: тавровые, стыковые, кольцевые и угловые.

Техника ЭШС — практические выводы

• электрические;
• механические (скорости);
• расположение электродов, их число.

Вспомогательные величины устанавливаются согласовано с основными. Изменение каждого из основных факторов позволяет влиять на параметры шва. Электрошлаковая сварка протекает устойчиво при малых удельных значениях тока (0,1 А/мм 2 ). Это дает возможность применять пластинчатые, либо ленточные электроды, плавящийся мундштук.

Путем контактно-шлаковой сварки можно приваривать стержни к плоской поверхности. Разработаны методики получения кольцевых швов. Для образования шлака используются специальный твердый электропроводный флюс, либо предварительно расплавляют его в кокиле.

Если у вас есть опыт в практическом применении ЭШС, просим поделиться знаниями в блоке комментариев.

Характеристика и применение электрошлаковой сварки. Методы, технология, достоинства и недостатки

Электрошлаковая сварка относится к термическому классу и является видом сварки плавления. Источник нагрева – теплота, выделяющаяся при прохождении энергоносителя в шлаковой ванне.

Рабочий процесс протекает в вертикальной плоскости и заключается в прохождении сварочной цепи электрического тока по электроду, основному металлу и жидкому шлаку. Происходит расплавление основного металла, присадочного материала за счет тепла от нагретой шлаковой ванны.

Классифицируют электрошлаковую сварку по виду, числу электродов и наличию колебаний электрода.

ГОСТы

Требования, технические условия, типы соединений и другая информация, относящаяся к электрошлаковой сварке, содержится в ГОСТах, обязательных для выполнения. Некоторые стандарты:

1. Процессы сварки: ГОСТ 30482-97 – правила технологического процесса проведения работ проволочным электродом или плавящимся мундштуком низколегированных и углеродистых сталей.
2. Сварочные материалы: ГОСТ 9087-81, ГОСТ 30756-2001 – технические условия на флюсы сварочные плавленые для электрошлаковой сварки и технологий.
3. Сварные соединения: ГОСТ 15164-78 – типы, элементы, размеры.

Где применяется

Основная область применения – тяжелое машиностроение.

• соединение толстостенных листов и деталей (бронекорпусов кораблей, валов гидравлических турбин, станин мощных прессов и прокатных станов, брони танков, барабанов котлов высокого давления);
• сварка металлов, имеющих разный химический состав;
• сооружение кожухов домен;
• производство сварно-кованых и сварно-литых конструкций;
• изготовление металлургического оборудования, толстостенных цилиндров.

Метод также применяют для сварки металла небольшой толщины (14-30 мм), например, монтажных стыков корпусов судов на стапеле.

Способы сваривания

Методы электрошлаковой сварки зависят от типа применяемых электродов и подразделяются:

• электродными проволоками;
• электродами большого сечения;
• плавящимся мундштуком.

С помощью электродных проволок

Процесс выполняется с применением проволочного электрода с диаметром сечения 2-3 мм без поперечных колебаний.

Скорость подачи проволоки в шлаковую ванну должна быть постоянной. Метод применяется при сварке металла толщиной до 50 мм.

Для сваривания металла большей толщины используется несколько электродных проволок. Электроды перемещаются возвратно-поступательным способом в перпендикулярном направлении к продольной оси свариваемого шва.

Использование электродов большого сечения

Применяют стержни и пластины круглого, квадратного или другого сечения. Размеры и количество электродов зависят от размеров соединяемых деталей, формы и величины завариваемых отверстий и полостей.

Способ преимущественно используется при большой толщине свариваемых элементов и высоте шва до 1 м.

Пластинчатый электрод по мере его оплавления опускается в шлаковую ванну, глубина которой составляет 20-25 мм. Образование шва происходит в результате соединения расплавления основного металла с расплавленным материалом пластин.

Применение плавящегося мундштука

Метод соединяет в себе сварку электродными проволоками и электродов большого сечения. В зазор между соединяемыми деталями устанавливается неподвижно стальная пластина (мундштук). Она имеет трубки или пазы, через которые пропускаются электродные проволоки.

Мундштук в процессе сварки остается неподвижным. В шлаковую ванну подаются электродные проволоки, которые расплавляются и заполняют зазор между соединяемыми элементами. Одновременно с проволокой происходит оплавление той части мундштука, которая находится в шлаковой ванне.

Механизм электрошлаковой сварки

Размер мундштука и количество проволок выбираются в соответствии с размерами свариваемых деталей. Этот метод применяют при соединении элементов со сложным сечением и небольшой высотой швов. Плавящийся мундштук изготавливают с сечением такой же формы, как у соединяемых частей.

Технология сварки

Свариваемые детали устанавливают вертикально, оставляя достаточный зазор между кромками. Формирование металла шва происходит принудительно. В зону сварки подается проволочный электрод или стальная пластина (стержень) и флюс. Между проволокой и металлом в начале процесса горит дуга. После образования достаточного слоя жидкого флюса (шлаковой ванны) дуга гаснет, и прохождение электрического тока происходит только через флюс. Выделяющееся тепло способствует дальнейшему расплавлению флюса, проволочного электрода и кромок свариваемых материалов. Расплавленный металл образует сварочную ванну, стекая на дно шлаковой ванны.

Сварочная головка вместе с медными ползунами-кристаллизаторами перемещается по соединяемым деталям снизу вверх, удерживая их. Ползуны, формующие металл шва, охлаждаются через каналы, по которым циркулирует вода. Цель – обеспечение нормального формирования шва и предотвращение вытекания из плавильного пространства жидкого шлака и металла. По мере заполнения зазора пластины ползуна перемещаются вверх. Металл ванны охлаждается, происходит кристаллизация и образование сварного шва по всей высоте кромок соединяемых материалов.

Оборудование

Метод требует применения оборудования – сварочных аппаратов автоматического и полуавтоматического типа, станков и установок.