Електрошлакові процеси
Сутність способу
Розплавлені флюси утворюють шлаки, що є провідниками електричного струму. При цьому обсягом розплавленого шлаку при протіканні зварювального струму виділяється теплота. Цей принцип лежить в основі електрошлакового зварювання (рисунок 1). Електрод 1 і основний метал 2 електрично пов'язані через розплавлений шлак 3 (шлакова ванна). Теплота, що виділяється в шлаковій ванні, нагріває його вище температури плавлення основного і електродного металів. В результаті метал електрода і кромки основного металу оплавляються і зважаючи на більшу щільність металу, ніж шлаку, стікають на дно розплаву, утворюючи ванну розплавленого металу 4 (металеву ванну).
Малюнок 1. Схема процесу електрошлакового зварювання
Електродний метал у вигляді окремих крапель, проходячи через рідкий шлак, взаємодіє з ним, змінюючи при цьому свій склад. Шлакова ванна, перебуваючи над поверхнею розплавленого металу, перешкоджає взаємодії з повітрям. При правильно підібраній швидкості подачі електрода проміжок між торцем електрода і поверхнею металевої ванни залишається постійним.
Зварюваний метал, шлакова і металева ванни утримуються від витікання зазвичай спеціальними пристроями, що формують рухомими або нерухомими мідними повзунами 5, охолоджуваними водою б, або пластинами, що залишаються. Верхня кромка повзуна розташовується трохи вище за дзеркало шлакової ванни. Розплавлений метал, що кристалізується в нижній частині металевої ванни, утворює шов.утворення у металі шва кристалізаційних тріщин.
Витрата флюсу при цьому способі зварювання невелика і зазвичай не перевищує 5% маси наплавленого металу. Зважаючи на малу кількість шлаку, легування наплавленого металу відбувається в основному за рахунок електродного дроту. Частка основного металу шві може бути знижена до 10 . 20%. Вертикальне положення металевої ванни, підвищена температура її верхньої частини та значний час перебування металу в розплавленому стані сприяють покращенню умов видалення газів та неметалевих включень із металу шва. Порівняно зі зварювальною дугою шлакова ванна – менш концентроване джерело теплоти. Тому термічний цикл електрошлакового зварювання характеризується повільним нагріванням та охолодженням основного металу. Відхилення положення осі шва, що зварюється, від вертикалі можливе не більше ніж на 15 0 в площині листів і на 30 . 45 0 горизонталі.
Оскільки виділення теплоти в шлаковій ванні відбувається головним чином області електрода, максимальна товщина основного металу, зварюваного з використанням одного електродного дроту, зазвичай обмежена 60 мм. При зварюванні металу більшої товщини електрода в зазорі між кромками повідомляють зворотно-поступальний рух (до 150 мм) або використовують кілька нерухомих електродів, що переміщаються (рисунок 2). У цьому випадку з'являється можливість зварювання металу як завгодно великої товщини.
Техніка зварювання
Електрошлаковий процес стійко протікає при щільності струму близько 0,1 А/мм 2 (при дуговому зварюванні близько 20 30 А/мм 2 ). Тому можлива заміна дротяних електродів на пластинчасті (рисунок 3) або стрічкові електроди. Однак якщо неможливе використання механізму подачі пластинчастих електродів (нестача місця над виробом іін) і при зварюванні виробів складного перерізу (пластинчастий електрод повинен бути нерухомий) для компенсації нестачі металу для заповнення простору між електродами і кромками основного металу, використовують спосіб зварювання мундштуком, що плавиться. У цьому випадку пластинчастий електрод за формою може повторювати форму кромок, що зварюються, і бути складеним (рисунок 4).
а - трьома електродами (стрілками зазначено можливий зворотно-поступальний рух електродів); б - десятьма нерухомими електродами
Малюнок 2. Схеми процесу багатоелектродного електрошлакового зварювання
стрілками вказано напрямок подачі електродів
Малюнок 3. Схема електрошлакового зварювання пластичним електродом
а - загальний вигляд; б - положення складеного пластинчастого електрода в зазорі стику, що зварюється
Малюнок 4. Схема електрошлакового зварювання мундштуком, що плавиться
Струмопідведення до електродного дроту здійснюється через ковзний контакт з пластинчастим електродом, що розплавляється (мундштуком). Один із прийомів наплавлення плоских поверхонь показаний на рис.5, а. При електрошлаковому контактному стиковому зварюванні (рис.5 б) стрижнів різного поперечного перерізу після утворення металевої ванни необхідного об'єму відбуваються вимикання зварювального струму і осаду верхнього стрижня. Цим способом можна приварювати стрижні до плоскої поверхні.
Малюнок 5. Схеми електрошлакового наплавлення (а); та контактного електрошлакового зварювання (б)
Примітка. На малюнку 5 стрілками позначено:
А - напрямок переміщення формуючого повзуна;
Б - зворотно-поступальні рухи електродів;
В - напрямок подачі стрижня до шлакової ванни.
Число електродних дротів, їхдіаметр і переріз пластинчастих електродів або мундштуків, що плавляться, швидкість, їх подачі та інші параметри вибирають таким чином, щоб отримати швидкість і напругу зварювання, що забезпечують стійкість процесу і необхідні розміри і форму шва.
Заготовки під зварювання слід збирати з урахуванням усадки стику після зварювання. Для щільного прилягання повзунів і формуючих пристроїв до країв стику останні зачищають від задирок, окалини і т.д. завширшки до 100 мм. Для виведення за межі шва усадкової раковини в кінці шва (рисунок 6) встановлюють вивідні, а виведення непроварів на початку шва - вхідні планки, які після зварювання видаляють різкою. Для початку зварювання в кишеню, утворену вхідними планками, засипають флюс, який плавиться зварювальною дугою до отримання ванни шлаку необхідних розмірів.
Малюнок 6. Установка вивідних (а) та вихідних (б) планок
Після цього дуга шунтується шлаком, і процес переходить у бездуговий – електрошлаковий. Перед початком зварювання можна заливати шлак, розплавлений у спеціальному кокілі. Для наведення електрошлакової ванни можна використовувати спеціальні флюси, електропровідні у твердому стані.
Оригінальний процес зварювання кільцевих швів (рисунок 7). Зварювання починають на вхідній планці 1. У процесі подальшого зварювання при обертанні виробу дефектну ділянку на початку шва 2 вирізають для замикання шва. При замиканні шва обертання виробу припиняється і починається переміщення зварювальної установки вгору (стрілка Б малюнку 7,б), як із зварюванні прямолінійного шва. Замикання шва і виведення усадкової раковини здійснюють за допомогою спеціальної кишені із пластин 3 або кокіля.
У процесі електрошлакового зварювання метал шва та навколошовної зони знаходиться тривалий час при високих температурах іпіддається значному перегріву. В результаті відбувається зміцнення зварювального з'єднання і зниження його ударної в'язкості. Для відновлення властивостей застосовується подальша термообробка. Для зниження тривалості перебування металу при високих температурах у шлакову ванну вводять додаткову присадку у вигляді порошкоподібного матеріалу (рубаний дріт із гранулами 0,2...1,6 мм) або виробляють відповідне примусове охолодження поверхні шва та навколошовної зони водяним душем.
а – вирізка дефектів на початку зварювання; б – замикання шва; А - напрямок обертання виробу; Б - переміщення автомата
Малюнок 9. Електрошлакове зварювання кільцевого шва
Застосування електрошлакового зварювання вносить докорінні зміни в технологію виробництва великогабаритних виробів. З'являється можливість заміни великих литих або кованих деталей зварено-литими або зварено-кованими з дрібніших поковок або виливків.
Застосування способу електрошлакового зварювання; гідності й недоліки
Цей спосіб широко використовують у промисловості для з'єднання металів підвищеної товщини: сталі та чавуну різного складу, міді, алюмінію, титану та їх сплавів. До переваг способу відноситься можливість зварювання за один прохід металу практично будь-якої товщини, що не вимагає видалення шлаку та відповідного налаштування зварювальної установки перед зварюванням наступного проходу, як при інших способах зварювання. При цьому зварювання виконують без зняття фасок на кромках. Для зварювання можна використовувати один або кілька дротяних електродів або електродів іншого збільшеного перерізу. В результаті цього досягається висока продуктивність і економічність процесу, що підвищуються зі зростанням товщини металу, що зварюється.
До недоліків способу слідуєвіднести те, що електрошлакове зварювання технічно можливе при товщині металу більше 16 мм і за рідкісними винятками економічно вигідне при зварюванні металу товщиною більше 40 мм. Основний техніко-економічний ефект досягається при застосуванні цього способу для зварювання металу завтовшки понад 100 мм. Спосіб дозволяє зварювати лише вертикальні шви. При зварюванні деяких металів освіта в металі шва та навколошовної зони несприятливих структур вимагає подальшої термообробки для отримання необхідних властивостей зварного з'єднання.