Электрошлаковая сварка

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.

Технология выполнения ЭШС

Представление о технологии процесса помогает получить следующая схема.

Свариваемые детали (1) выставляют так, чтобы между ними образовался требуемый зазор. Затем их взаимное расположение фиксируют технологическими П-образными скобами (на схеме не показаны), которые приваривают вдоль будущего шва через равные промежутки. Внизу зазора устанавливают начальную (2), а вверху на заготовках выводные (3) планки, которые помогают вывести усадочную раковину шва выше уровня готового изделия. Снаружи полость зазора ограничена боковыми медными ползунами (4).

В зазор вводится флюс, между электродом (7) и начальной планкой возбуждается дуга – она является источником тепла. Выделяемая энергия плавит флюс, формируется жидкая шлаковая ванна (5), уровень которой поднимается и шунтирует горение дуги. Теперь при бездуговом процессе тепловой энергии достаточно для расплавления материалов подаваемого в зазор электрода и кромок свариваемых деталей. Расплавленная масса стекает вниз и под слоем шлака образует металлическую ванну (8). Вытеканию металла препятствуют охлаждаемые ползуны. Далее в процессе сварки уровень жидкого металла поднимается, а в нижних слоях расплав кристаллизуется, формируя необходимый соединительный шов.

Общие принципы

Понять сущность электрошлаковой сварки проще, если рассмотреть этот процесс в упрощённом виде. Всё происходит следующим образом:

• Соединяемые детали устанавливают с некоторым зазором, величина которого варьируется в зависимости от размеров изделия, химического состава материала и параметров сварочного тока. В этот зазор помещают химическое вещество, именуемое флюсом, к которому подводят электрод.
• Подаваемый на электрод ток проходит через флюс, состав которого может быть различен. В результате нагрева образуется так называемая шлаковая ванна, внутри которой и поддерживается необходимая для расплавления металла температура. Более лёгкий, чем металл, шлак всегда находится сверху, блокируя поступление атмосферного воздуха к зоне формирования шва и увеличивая время остывания расплавленного металла.
• Чтобы удержать расплавленные материалы от вытекания, зону обработки ограждают охлаждаемыми водой подвижными ползунами, изготовленными из меди. В некоторых случаях допускается использование остающихся на уже готовой детали ограждающих пластин.

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка (ЭШС) позволяет сваривать металлические детали толщиной до 60 см. Принцип ЭШС состоит в том, что в зазор между торцами двух свариваемых металлических деталей помещают шлаковую массу. Эта масса расплавляется электрической дугой, создаваемой между электродом и металлическими деталями. После расплавления шлака дуга гаснет, а через шлаковую массу протекает ток, который при правильно подобранных параметрах сварки равномерно нагревает сварочную ванну до высоких температур.

В шлаковую массу добавляется присадочный материал, который плавится вместе со шлаком и краями соединяемых деталей. Поскольку расплавленный металл тяжелее шлака, то он опускается вниз зазора и там застывает. Расплавленная масса же поднимается вверх. В результате этого процесса происходит сварка вертикального зазора.

Для того чтобы расплав не вытекал за пределы зазора, сбоку с двух сторон ставятся специальные пластины – ползуны. Они охлаждаются водой и постепенно перемещаются вверх.

Схема электрошлаковой сварки

Существует три метода осуществления ЭШС:

1. В расплав непрерывно подается присадочный электрод, который расположен в горизонтальной плоскости.
2. Используются пластинчатые электроды, которые заменяют собой ползуны. Благодаря перекрытию зазора, создается эффективный расплав, что позволяет соединить зазоры деталей без добавления присадки.
3. Объединение первых двух методов. При этом используются пластинчатый и плавящийся электроды.

Преимущества и недостатки ЭШС

Основные достоинства ЭШС:

• защита шва от воздействия атмосферы жидким шлаком;
• малая чувствительность процесса к изменению величины тока и даже его кратковременному прерыванию;
• сварка толстого металла за один проход;
• возможность сваривать необработанные торцы деталей;
• малый расход электроэнергии и дешевизна шлаков;
• высокий КПД.

Недостатки ЭШС:

• возможна сварка только вертикальных швов или швов под острым углом к вертикали;
• при прерывании процесса возникают дефекты, которые нельзя исправить;
• шов имеет крупнозернистую структуру, что ограничивает применение изделия при низких температурах (шов становится ломким);
• для организации ЭШС необходимо иметь довольно большое количество приспособлений.

Оборудование

Для выполнения операций ЭШС используются автоматы или полуавтоматы. Второй тип оборудования используется редко, так как вручную перемещать тяжелое оборудование по вертикали для человека довольно трудно.

Автоматы для ЭШС обычно включают:

• автоматически двигающийся сварочный аппарат с медными ползунами;
• источник питания;
• устройства подачи флюса и проволоки;
• систему управления.

В зависимости от конструкции автоматы для ЭШС могут быть подвесные или самоходные (рельсового или безрельсового типа).

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.

Особый подход

Оборудование для электрошлаковой сварки имеет свои особенности. В частности, для удобства выполнения работ принято использовать не цилиндрические, а плоские или ленточные электроды. Для оптимизации рабочего процесса и достижения заданных характеристик сварного шва используются флюсы различного состава.

• АН-348А. Отличающийся повышенным содержанием трёхвалентного железа, он относится к высококремнистым марганцевым составам и хорошо подходит для соединения нелегированных или низколегированных сталей.
• ФЦ-7. Близкий по характеристикам и условиям применения с АН-348А он обеспечивает лучшую стабильность процесса в шлаковых ваннах малой глубины.
• Флюсы АН-8, ФЦ-21, АН-22 относятся к группе низкокремнистых марганцевых смесей. Для теплоустойчивых сталей перлитного класса лучше подходит ФЦ-21, для углеродистых и низколегированных – АН-8, а для среднелегированных – АН-22.
• Для сварки легированных сталей хорошо подходят низкокремнистые безмарганцевые составы, имеющие маркировку АН-9 и АН-25, пришедшие на смену разработанному ещё перед началом Второй мировой войны флюсу АН-2. Именно благодаря последнему крепко соединялись листы брони отечественных танков.
• Также стоит упомянуть составы, относящиеся к группе фторидных. С помощью АНФ-5 изготавливают детали из нержавеющей стали, а использование АНФ-14 оправданно в том случае, когда идёт речь о сварке или наплавке чугуна.

Разумеется, это далеко не полный перечень флюсов, а лишь отдельные примеры, иллюстрирующие, каким образом химический состав используемых для создания шлаковой ванны веществ может влиять на параметры процесса электрошлаковой сварки.

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.

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

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.

Какие применяют флюсы

Флюсы и шлаки для электрошлаковой сварки это одно и тоже. Данная субстанция является ведущей, и она должна соответствовать определённым условиям:

• обеспечение старта реакции в максимально короткий промежуток времени и с любым напряжением;
• проплавление кромок на высоком уровне;
• высокие атрибуты и прочность готового шва;
• простота очистки излишков по завершению действий.

Также для каждой процедуры требуется выбирать свою разновидность вещества. Например, для низколегированных или углеродистых типов железа предназначен АН-8. Режимы его прокалки составляют 400-500 °С. В химический состав гранул входят оксиды кремния, марганца, кальция, магния, алюминия. В наплавленном металле будет содержаться 0,12% фосфора и 0,1% серы.

Для высоколегированных предназначен АН-22. Эта материя похожа на стекловидное строение жёлтого цвета. Что касается режима прокалки, то он должен доходить 650-800 °С.

Флюс для электрошлаковой сварки

При обработке нержавейки используются флюсы АН-45 и его аналоги. Однако при расплавлении данного вещества наблюдается большое выделение фтористых газов, что является главным недостатком. Технологические свойства имеют следующий характер:

1. Хорошее образование шва с плавным переходом к основе изделия.
2. Низкая склонность к образованию сколов и трещин.
3. Размер зёрен может быть 0,25-3,0 мм.
4. Удовлетворительная определимость шлаковой корки.

Встречаются и менее популярные разновидности. Например, АН-9, АНФ-1, АНФ-7. Каждый из компонентов отличается химическим составом, температурой плавления и внешним видом, которые должны ещё и соответствовать ГОСТу.

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.

Преимущества и недостатки

К положительным качествам технологии относятся:

1. Защищенность металла от окисления. Нет необходимости использовать аргон или другой газ.
2. Равномерный разогрев, медленное остывание деталей. Повышение температуры начинается с флюсового слоя. Шлаковое покрытие поддерживает стабильный уровень нагрева. Это положительно влияет на качество шва.
3. Минимальное влияние силы тока на процесс формирования соединения. Прогрев происходит не из-за дуги, а благодаря шлаку. Расплавление не прекращается после отключения станка от электросети.
4. Возможность сваривания толстых деталей за 1 проход. Необходимость формирования многослойных швов отсутствует. При использовании 2 электродов можно соединять заготовки толщиной более 20 см.
5. Минимальный расход шлака. Объем материала не превышает 5% от массы металла. Затрачивается небольшое количество энергии. Потери, свойственные другим технологиям сварки, отсутствуют.
6. Высокий КПД. При минимальных денежных вложениях можно выполнять объемные сварочные работы.
7. Автоматизация большей части сварочных процессов.
8. Сокращение длительности подготовительного этапа. Необязательно разделывать кромки. Зазор между деталями заполняется расплавом.

К недостаткам метода можно отнести:

• невозможность формирования некоторых видов швов (способом ЭШС выполняют лишь вертикальные или подобные им соединения);
• непрерывность процесса;
• зернистость корневого слоя, снижающая прочность шва.

Типы электрошлаковой сварки

Способы различаются видами присадочных материалов и способами их подачи.

С электродными проволоками

Материал выбирают с учетом типа сварочного аппарата, характеристик соединяемых металлов. Проволока поступает в пространство между деталями медленно. Ее подают сверху вниз, следуя за передвигающимися электродами.

Электрошлаковая сварка с электродными проволоками.

С электродами большого сечения

В процессе сварки используются круглые или прямоугольные элементы увеличенного диаметра. Их придвигают к зазору по мере формирования расплава. В отличие от проволоки, электроды увеличенного сечения быстро образуют большой объем шовного материала.

С плавящимся мундштуком

Технология объединяет 2 предыдущих способа. Токопроводящие пластины устанавливают в положение, способствующее быстрому нагреву флюса. По направляющему мундштуку в сварочную ванну поступает проволока. Способ предназначен для формирования криволинейных соединений.

Электрошлаковая сварка с использованием мундштука.