Виды сварки

 В тех случаях, когда  кромки основного металла начинают  плавиться значительно выше поверхности  металлической ванны, кромки, находящиеся  непосредственно над ванной, могут оказаться охлаждёнными ниже температуры плавления. В этом случае возможно так называемое несплавление. Его не следует смешивать с непроваром кромок, когда они остаются нерасплавленными. При несплавлении кромки оказываются оплавленными, но они не сплавляются с металлом шва.

 Несплавление становится возможным при слишком высоком напряжении сварки, чрезмерно глубокой шлаковой ванне и при использовании шлаков, мало меняющих свою электропроводность и вязкость с температурой. При нормальных характеристиках шлаков и правильно выбранных режимах сварки преждевременному оплавлению препятствуют тепло- и электроизоляционная прослойка, образуемая шлаком у холодных кромок изделия. Благодаря ей ток между электродом и металлической ванной проходит как бы в изолированной трубке и нагрев кромок даже при больших межэлектродных промежутках начинается у самой поверхности металлической ванны.

  Большая часть тепла, выделяющегося в шлаке, переносится в ванну электродным металлом. Почти вся тепловая энергия передаётся основному металлу через поверхность металлической ванны.

  Если напряжение сварки держать выше, чем необходимо для расплавления электрода и кромок основного металла, то избыток тепла в шлаковой ванне идёт на увеличение проплавления кромок. Если в этом нет надобности, то это тепло можно использовать на плавление присадочного материала. Его можно подавать в виде проволоки, так же как и электрод, либо отдельными мелкими кусками.

 С уменьшением диаметра  электрода межэлектродный промежуток  уменьшается и опасность несплавления резко снижается. Ещё большее влияние на величину межэлектродного промежутка и характер плавления основного металла оказывают колебания электрода в горизонтальном направлении.

 Рентгенографические  исследования и осциллографирование процесса электрошлаковой сварки на различных режимах показали, что металл переносится с электрода в металлическую ванну в виде капель. Размеры капель тем больше, чем меньше сварочный ток, выше напряжение между электродами и металлической ванной и чем больше глубина шлаковой ванны. Наоборот, понижение напряжения сварки, уменьшение глубины ванны и увеличение тока способствуют мелкокапельному переносу электродного металла в сварочную ванну.

  При больших скоростях подачи электрода, обычных при сварке малоуглеродистых сталей, низком напряжении или малой глубине шлаковой ванны капли металла могут соединяться с металлической ванной раньше, чем отделяться от электрода. Такое металлическое соединение электрода с ванной существует очень короткое время; оно почти мгновенно разрушается под действием электродинамических усилий, возникающих в проводнике и резко увеличивающихся с возрастанием плотности тока. Однако вследствие большой частоты замыканий среднее время прохождения тока через металл может составлять значительную долю общего времени сварки. Это явление не носит характера короткого замыкания. Общая проводимость зоны сварки в момент замыкания возрастает всего в 1,5 – 1,7 раза. Мощность, в зависимости от характеристики источника питания, изменяется незначительно или возрастает. 

 В таком же направлении  изменяют характер электрошлакового  процесса перемещения электрода  в шлаке в горизонтальном направлении.  Соприкасаясь с более холодными  объёмами шлака, электрод плавится  на большой глубине, и при  определённых режимах капли не  успевают отделяться от конца  электрода до замыкания с металлической  ванной.

 Электрошлаковый процесс  может протекать одинаково устойчиво  как на постоянном, так и на  переменном токе. Род сварочного  тока оказывает существенное  влияние на ход металлургических процессов, протекающих в шлаковой ванне. При сварке на постоянном токе заметно развиваются явления электролиза.

  Известно, что при электродуговой сварке устойчивое горение дуги возможно лишь при сравнительно большой плотности тока. Диапазон практически применяемых плотностей тока при ручной дуговой сварке невелик, но при сварке под флюса он находится в пределах от 20 до 200 а/мм2. В отличие от дуговой сварки электрошлаковый процесс идёт достаточно устойчиво при изменениях плотности тока в весьма широком диапазоне от 0,2-0,3 а/мм2 (при сварке электродами большого сечения) до 200-250 а/мм2 (при сварке проволокой диаметром 3мм). Следовательно, отличительной особенностью электрошлакового процесса является высокая устойчивость его при низких плотностях тока (в 100-200 раз меньших, чем при дуговой сварке).

3.4 Особенности электрошлакового процесса.

 Электрошлаковая сварка  с принудительным формированием  отличается от дуговой сварки  как ручной, так и автоматической, рядом особенностей, которые необходимо  учитывать и использовать при  применении этого способа.

 При прохождении электрического  тока через шлак не происходит  такого интенсивного выделения  газов, сопровождающегося разбрызгиванием  шлака, как при дуговой сварке. При установившемся электрошлаковом  процессе разбрызгивания шлака  не происходит вовсе. Это позволяет  вести сварку с открытой поверхностью  шлаковой ванны. Подача шлака  в ванну ограничивается очень  небольшим количеством, равным  количеству отлагающейся на поверхности шва шлаковой корки толщиной 1-1,5 мм. Это по весу составляет всего 0,2-0,3 кг на погонный метр шва, независимо от толщины металла.

 Благодаря малому количеству  расплавляемого флюса расходуемая  электрическая энергия хорошо  используется для плавления электрода  и основного металла.

 Вследствие интенсивного  перемешивания шлака плавление  кромок происходит на большем  расстоянии от электрода чем это возможно при дуговой сварке.

  Практическими следствиями этих особенностей являются: малый расход шлака, составляющий в среднем, с учетом потерь на рассыпание, 5% от веса наплавленного металла, т.е. в 20 раз меньший, чем при дуговой сварке под флюсом, и малый расход электрической энергии на 1 кг наплавленного металла, в 1,5-2 раза меньший, чем при дуговой сварке под флюсом и в 4 раза меньший, при сварке открытой дугой. Ещё более важным практическим результатом этих особенностей является возможность осуществления однопроходной сварки металла толщиной до 150-200 мм на один электрод, а при большем количестве электродов – практически неограниченной толщины. Именно это свойство открывает самые широкие перспективы применения электрошлаковой сварки в промышленности, в первую очередь в тяжёлом машиностроении.

 Из других особенностей электрошлаковой сварки наибольшее значение имеют следующие.

 Вследствие сравнительно  малого расхода флюса и, следовательно,  незначительного пополнения шлаковой  ванны новыми порциями флюса,  обеспечивается более постоянный, чем при дуговой сварке, химический  состав металла шва.

 Благодаря вертикальному  положению оси шва значительно  облегчается всплывание газовых  пузырей и частиц шлака и  удаление их из металла. Улучшается  заполнение металлом междендритных пустот. Если газовый пузырёк или неметаллическое включение задержится на границе металл – шлак, то они будут перемещаться вместе с этой границей, тогда как при сварке в нижнем положении они были бы захвачены кристаллизующимися металлом. Поэтому склонность к образованию пор и других неплотностей при электрошлаковой сварке во много раз ниже, чем при дуговой сварке в нижнем положении; меньше чувствительность к влажности шлака, ржавчине и загрязнении кромок.

 Вследствие благоприятного  направления роста кристаллов  в швах, выполненных электрошлаковым  способом в вертикальном положении,  отсутствует так называемая зона  слабины, наблюдаемая в швах  большого сечения, сваренных в  нижнем положении. Это же обстоятельство  значительно снижает склонность  швов к образованию кристаллизационных  трещин. Температурные условия для  околошовной зоны также благоприятны, что как большой погонной энергией по сравнению с отдельным слоем многослойной сварки, так и предварительным, создаваемым шлаковой ванной. Нагрев кромок начинается на уровне поверхности шлаковой ванны, а плавится они начинают в непосредственной близости от металлической ванны. Между началом подогрева кромок основного металла и их плавлением проходит 2-3 и более минут, вследствие чего снижается как скорость нагрева, так и скорость последующего охлаждения.

  Электрошлаковая сварка всегда производится в один проход, поэтому линейная скорость сварки толстого металла значительно ниже, чем при дуговой многослойной сварке. Благодаря этому скорости нагрева и последующего охлаждения околошовной зоны очень малы, а склонность к образованию околошовных трещин при сварке закаливающихся сталей сравнительно невелика.

 Поскольку электрошлаковая  сварка производится в один  проход, полностью ликвидируется  наиболее распространённый дефект  многослойной сварки – шлаковые  макроскопические включения. Они  могут появляться только при  грубом нарушении технологии  сварки.

  Сварка металла любой толщины производится без разделки кромок. Кромки, подлежащие сварке, не имеют фасок: они собираются с зазором, образующим своего рода разделку кромок. Это в несколько раз уменьшает трудоёмкость и стоимость подготовки кромок под сварку.

 Благодаря симметричности  разделки и положения в ней  электродов при электрошлаковой  сварке, как правило, отсутствуют  угловые деформации. Они могут  возникать только при сварке  некоторых специальных типов  сварных соединений.

 При толщине свариваемого  металла меньше 40-50 мм трудоёмкость  и стоимость сварных соединений  при электрошлаковой сварке больше, чем при дуговой сварке под  флюсом. Однако с ростом толщины  производительность и экономичность  электрошлаковой сварки быстро  растут и при толщинах свыше  100 мм бывают во много раз  выше, чем при дуговой сварке.

3.5 Область применения.

 Важнейшей проблемой  современного машиностроения является  экономное использование металлов, снижение металлоёмкости конструкций,  повышение их надёжности и  долговечности. Известно, что в  сварных машиностроительных конструкциях  затраты на материалы превышают  50%. Поэтому наибольший народнохозяйственный  эффект от внедрения мероприятий, способствующих экономии металла, реализуется в таких отраслях машиностроения, производящих крупногабаритное толстостенное оборудование, как газо-нефтехимическая и энергетическая.

 Первоначальным назначением  электрошлакового процесса была  сварка вертикальных монтажных  швов изделий, швы которых нельзя  поставить в удобное для дуговой  сварки нижнее положение.

 Однако высокая эффективность  электрошлакового процесса вывела  его за пределы монтажной сварки, сделав его основным способом  сварки металла большой толщины,  а затем и за пределы собственно  сварочного производства. Сейчас  электрошлаковый процесс применяется  не только при сварке и наплавке, но также для получения отливок  и слитков специального назначения  и для уплотнения обычных слитков  и отливок.

  Электрошлаковая сварка применяется в производстве барабанов паровых котлов и других сосудов высокого давления, где уже полностью вытеснила применявшуюся ранее многослойную автоматическую сварку, при изготовлении станин крупных механических прессов, траверс, архитравов и цилиндров гидравлических прессов, валов крупных гидротурбин и гидрогенераторов, станин прокатных станов, судовых корпусов, ахтерштевней, форштевней и других судовых деталей, корпусов крупных электромашин, паровозных и тепловозных рам, стоек мартеновских печей, коленчатых валов, крупных фланцев и многих других деталей. Широкое распространение получила электрошлаковая сварка стыков арматуры. Несмотря на сравнительно небольшое сечение сварных соединений, этот способ оказался эффективнее других.

 В ряде случаев применение  сварных конструкций позволяет  сэкономить большое количество  металла. Так для сварных валов Варваринской ГЭС развес слитков составил 59 т вместо100 т для цельнокованых; сварная станина механического ковочно-штамповочного пресса давлением 4000 т весит на 24 т меньше чем в литом варианте. С применением сварки при изготовлении стоек мартеновских печей на Днепропетровском заводе металлоконструкций получена большая экономия толстого проката за счёт ликвидации отходов.

  Значение электрошлаковой сварки не исчерпывается её экономическим эффектом. Широкое её применение коренным образом изменяет характер развития тяжёлого машиностроения.

 Факторами, ограничивающими  размеры элементов, могут быть: мощность кузнечно-прессового оборудования, размеры нагревательных и термических  печей, размеры металлообрабатывающих  станков. Отдельно следует рассмотреть  ограничения, вносимые трудностями  перевозки негабаритных грузов  на место их монтажа.

 Рост размеров и  веса элементов может происходить  только на основе пропорционального  роста перечисленных выше производственных  мощностей. Однако с применением  электрошлаковой сварки такая  пропорциональность может сохраняться  не во всех случаях.

 В первую очередь  отпадает необходимость роста  мощностей, связанных с ростом  развеса слитка, поскольку электрошлаковая  сварка позволяет сваривать между  собой отливки в блоки любых  размеров и почти любой формы.  Электрошлаковая сварка, в большинстве  случаев, даёт возможность соединять  поковки так, чтобы в случае  надобности обойтись сравнительно  лёгкими прессами.

 В настоящее время  электрошлаковая сварка позволяет  изготовить на заводах со сравнительно  маломощным станочным и кузнечно-прессовым  оборудованием заготовки любых  размеров. Дальнейший рост размеров  отдельных деталей ограничен  возможностью транспортировки.