5 Сущность электрошлаковой сварки

Рис.5.1 Электрошлаковая сварка: а — сборка под сварку, б — схема процесса сварки.1 – детали; 2 – водоохлаждаемые ползуны; 3 – сварочный шов; 4 – металлическая ванна; 5 – шлаковая ванна; 6 – электрод; 7 входной карман; 8 – выводные планки.

Рис.5.2 Электрошлаковая сварка: 1 — начальная скоба для возбуждения про­цесса сварки, 2—металлическая (сварочная) ванна, 3 — токоподводящий мундштук, 4— подающие ролики, 5 — электродная проволо­ка, 6 — шлаковая ванна, 7 — медные форму­ющие ползуны, 8 — сварной шов, 9 — сбороч­ная скоба, 10 — свариваемые детали.

Сущность: ЭШС – сварка плавлением, при которой используется теплота, выделяющаяся при прохождении электрического тока через расплавленный электропроводный шлак. Расплавленный шлак удерживается в колодце, который образован кромками детали и специальными формирующими водоохлаждаемыми устройствами – ползунами. За счет разности плотности электродный металл опускается на дно сварочной ванны, образуя металлическую ванну. Капли электродного металла, проходя через расплавленный шлак улучшают химический состав. Расплавленный шлак, находясь в верхней части ванны исключает воздействие окружающей среды. Электродная проволока вводится прямо в шлаковую ванну и там плавится, дуговой разряд отсутствует. По мере повышения уровня металлической ванны за счет расплавленного электродного металла, повышается уровень и шлаковой ванны. Поднимаются водоохлаждаемые ползуны на специальной подвеске и подающий механизм электрода. В нижней части металлической ванны жидкий металл охлаждается, за счет теплоотвода в основном металле и водоохлаждаемые ползуны, и кристаллизуется. Процесс начинается во входном кармане, а заканчивается на выводных планках, которые затем срезаются, так как в начале и конце шва могут быть дефекты.

Особенности процесса ЭШС.

1. Отсутствие дугового разряда, что исключает разбрызгивание металла и шлака.

2. Подготовка кромок достаточно проста, требует скоса, что сокращает отходы.

3. За один проход можно сварить металл любой толщины (сегодня 2 метра).

4. Мало расходуется флюс, благодаря чему больше теплоты идет на плавление металла, что сокращает расход электроэнергии.

5. Свариваемый металл прогревается равномерно по всей толщине, поэтому не происходит угловой деформации.

6. Производительность сварки повышается с увеличением толщины металла.

7. Температура расплава 2 – 2,5 тыс. С, что превращает температуру плавления жидкого металла и способствует получению качественного сплавления.

8. вертикальное положение шва наличие в верхней части шлаковой ванны способствует полному удалению газа и неметаллических включений. Именно эта способность послужила основой для разработки нового способа получения особо чистого металла – электрошлакового переплава.

Применение.

Основной областью применения ЭШС является тяжелое машиностроение, где с помощью ЭШС изготавливаются барабаны паровых котлов высокого давления, кожухи доменных печей, станины больших станков, валы гидротурбин и так далее.

Классификация способов:

Способы ЭШС обычно классифицируются от количества и вида электродов. Бывают:

• одноэлектродные (проволочные),

• трех электродные (трех фазовый ток),

• многоэлектродные (кратны трем),

• пластинчатые (для коротких швов),

• плавящиеся мундштуки.

Соединения и швы.

Регламентируются ГОСТ 15164. Предусматривается три типа соединений: стыковые, угловые, тавровые, начиная с толщины 16 мм. По стандарту обозначается:

ШЭ – электрошлаковая

ШМ – с мундштук

ШП – сварка пластинчатым электродом.

Подготовка кромок, сборка.

При ЭШС торцы свариваемых деталей как правило, обрабатываются под углом 90, способ зависит от толщины и химического состава металла.

До 200мм для низкоуглеродистой стали – газокислородная резка. Для больших толщин и легированных сталей применяют механическую обработку.

Рис.5.3 Сборка соединяемых частей под сварку (размеры указаны в мм): 1 — свариваемые детали, 2 — входной карман, 3 — выход­ные планки

Сборка осуществляется по следующей схеме:

Существует расчетный и сборочный зазор. Практика показала, что для надежной компенсации деформации соединяемых частей и сохранения в процессе сварки заданного зазора – сварку осуществляют с клиновым зазором:

 = (b_В - b_Н/h) = 1 – 2

25мм на 1м длины шва.

Для фиксации соединяемых частей применяют скобы, их приваривают вдоль стыка с одной стороны на расстоянии 500 – 800мм с таким расчетом, чтобы под скобами прошел ползун.

Параметры режима ЭШС и их влияние на форму шва.

1. Ширина зазора (зависит от толщины).

Таблица 5.1 Зависимость ширины зазора от толщины.

S, [мм]	16 – 30	30 – 80	80 – 500	500 – 1000	1000–2000
Bрасч	18	22	26	30	30
Bсб	19 – 20	24 – 25	28 – 32	36 – 40	40 – 42

При уменьшении сборочного зазора объем шлаковой ванны уменьшается, уменьшается температура разогрева металла, уменьшается глубина проплавления торцевых кромок, ухудшается форма ванны и возникает вероятность появления осевых трещин.

2. Диаметр электрода. Стандартные 2,5 – 3 мм.

3. Количество электродов. Зависит S деталей.

при S<50, n=1, Vк=0

S150, n=0, Vк0

S=100300, n=23, Vк=0

S=150450, n=3, Vк0

Если количество электродов больше 2, то рассчитывается расстояние между электродами для получения более равномерного провара:

d_n-n=(S+₁-2₂)/n

S – толщина,

₁=18

₂=45 при g_п=2,5;

₂=0 при g_п=810.

4. Напряжение шлаковой ванны выбирают в зависимости от толщины металла по графику:

Рис. 5.4. Зависимость скорости сварки (1) и напряжения (2) от толщины соединяемого металла

на рис.5.4 где 1 – зависимость скорости сварки от толщины металла и 2 – зависимость U от S

При увеличении U на шлаковой ванне увеличивается теплота, увеличивается глубина проплавления торцов, уменьшается возможность появления осевых трещин, улучшается форма. При чрезмерном возрастании U – кипение шлаковой ванны, возможность появления дугового разряда.

При уменьшении U – могут возникнуть непровары, даже замыкания.

5. Сила сварочного тока.

I_св = А + В^.S/n_э;

А = 220...280

В = 3,2...4

I_св = 2,2V_пп + 90

V_пп – скорость подачи электродной проволоки.

При увеличении Iсв, увеличивается глубина проплавления торцов, возрастает подача электродов, возрастает скорость сварки.

6. Скорость подачи электродов.

V_пэ = Iсв(1,6...2,2)

V_пэ = Uсв^.F_н / F_dэ

F_н = S^.b [см²]

b – расчетная

7. Скорость сварки (по графику) или по формуле:

=7,85 г/см²

k_у=1,051,1

8. Глубина шлаковой ванны: 40 – 50мм. При увеличении глубины шлаковой ванны уменьшается глубина проплавления торцов, стабильность процесса увеличивается. При чрезмерном увеличении глубины шва могут возникнуть непровары.

9. Род тока – переменный трехфазный.

10. Сухой вылет электрода – расстояние от места токоподвода до шлаковой ванны. lc = 60...80.

При увеличении lc, увеличивается скорость плавления, увеличивается скорость подачи проволоки, увеличивается скорость сварки, но изменяется мундштук.

11. Скорость колебания электродов (Vкэ  40 м/ч). зависит от скорости подачи проволоки. При увеличении Vкэ глубина проплавления торцов уменьшается и наоборот. Для равномерного распределения металла электроды должны задерживаться у края ванны, время задержки электрода t_п = 4...5с.

12. Флюс – расходуется очень мало, поэтому шов легировать с помощью флюса нельзя.

Техника электрошлаковой сварки

Электрошлаковой сваркой изготовляют стыковые, угловые и тавровые соединения. Стыковые соединения обычно собирают на П - образных скобах (рис. 5.5), временно привариваемых с одной стороны стыка. Эти скобы сохраняют определенный зазор по всей высоте соединения и обеспечивают возможность установки мед­ных охлаждаемых ползунов. Для возбуждения дуги и перевода электродугового процесса в электрошлаковый в начале шва при­варивают входной карман. Для вывода усадочной раковины в конце шва приваривают выводные планки.

Процесс сварки начинают с возбуждения дуги во входном кармане, куда предварительно' засыпают небольшое количество флюса. После расплавления флюса и наведения шлаковой ванны дугу растягивают и обрывают, в результате чего дуговой процесс переходит в электрошлаковый. Электрошлаковый процесс проте­кает бесшумно и спокойно. По мере уменьшения глубины шлако­вой ванны в нее небольшими порциями подсыпают свежий флюс.

В верхней части стыка кромки деталей сильно нагреваются, что может привести к значительному увеличению ширины шва. Во избежание этого перед окончанием свар­ки необходимо уменьшить напряжение на шлаковой ванне или ввести в нее дополни­тельный присадочный материал. Процесс сварки заканчивается на выходных план­ках, куда выводится образовавшаяся уса­дочная раковина. После остывания сварно­го соединения участки швов, расположен­ные на входном кармане и выводных планках, сре­зают способом газовой резки.

Рис. 5.5 Сборка стыко­вого соединения под электрошлаковую сварку: 1 — выводные планки, 2 — свариваемые детали, 3—входной карман, 4 — П - об­разные скобы

Основная трудность выполнения спосо­бом электрошлаковой сварки кольцевых швов заключается в замыкании конечного и начального участков шва. Выполнение кольцевого шва (рис. 5.6) начинают в спе­циальном кармане, который состоит из го­ризонтальной и наклонной вставок и распо­лагается несколько ниже горизонтального диаметра. Разведение электрошлакового процесса производится одним электродом при большом его вылете без вращения изделия. Электрошлаковый аппарат при этом переме­щается вертикально вверх. Перед окончанием процесса заварки кар­мана подключаются остальные электроды, вертикальное перемещение аппарата прекращается, а изделие приводится во враще­ние. В таком положении свари­вается почти весь шов.

Начальный участок шва имеет дефекты, в виде непроваров, поэтому его вместе с карманом " удаляют способом кислородной или дуговой рез­ки в то время, когда ведется наложение кольцевого шва. Ввиду незначительной скоро­сти сварки (вращения изде­лия) вырезка дефектного места трудностей не представляет. После того как вырезанное начало шва примет вертикальное положение, на него устанавливается охлаждаемый водой медный кокиль и вращение изделия прекращается. Окончательное замыкание коль­цевого шва производится при вертикальном перемещении элект­рошлакового аппарата несколько выше горизонтального диамет­ра. Полученный при этом прилив металла в месте замыкания шва срезается методом кислородной резки.

Рис. 5.6. Схема выполнения кольцевого шва способом электрошлаковой сварки: а — начало процесса, б — замыкание кольцевого шва; 1, 2 — горизонтальная и наклон­ная планки кармана, 3 - медный ползун, 4 — токоподводящие мундштуки с электродной проволокой, 5 — медное кольцо, 6 — медный кокиль, 7 — металлическая ванна 8 — шлаковая ванна, 9 — линия вырезки дефектного участка начала шва, 10 — сварной шов

Рис. 5.7 Общий вид установки для выполнения кольцевых швов электро­шлаковой сваркой

Другой способ замыкания шва состоит в том, что по мере уменьшения сварочного пространства между концом и началом шва электроды поочередно выводятся из работы и окончание свар­ки осуществляют только одним электродом. Общий вид установ­ки для выполнения кольцевых швов толстостенных цилиндров электрошлаковой сваркой приведен на рис. 5.7.

Лекция № 11

Оборудование электрошлаковой сварки

Общие сведения об электрошлаковых аппаратах

При сварке электрошлаковыми аппаратами, как правило, вы­полняются следующие операции:

электродная проволока или расходуемые электроды подаются в зону сварки со скоростью их плавления;

по мере заполнения зазора электродным металлом сварочный аппарат перемещается вверх вдоль шва со скоростью сварки;

принудительно формируются наружные поверхности сварных швов с помощью водоохлаждаемых ползунов — кристаллизаторов;

производится возвратно-поступательное движение электродов между торцами свариваемых кромок;

автоматически регулируется уровень сварочной ванны.

Для выполнения этих операций электрошлаковые аппараты в отличие от автоматов для дуговой сварки снабжают: устройства­ми — для удержания шлаковой и металлическое ванн и принуди­тельного формирования шва, а также для автоматического регу­лирования уровня металлической ванны; механизмами — для подачи электродных проволок, вертикального перемещения аппара­та, горизонтального возвратно-поступательного перемещения элек­тродов. По конструкции в зависимости от способа удержания и передвижения аппараты могут быть рельсового, безрельсового и подвесного типов.

Аппараты рельсового типа

Эти аппараты перемещаются вдоль шва по вертикально уста­новленным рельсам или специальным направляющим, укреплен­ным на свариваемом изделии параллельно шву. Рельсы или спе­циальные направляющие снабжаются зубчатой рейкой, по кото­рой перекатывается зубчатое колесо ходового механизма. Аппарат при этом перемещается снизу вверх. Рельсовый путь может быть жестким (для сварки прямолинейных швов) или гибким (для сварки криволинейных швов). Максимальная длина сварных швов, выполняемых аппаратами рельсового типа, сравнительно неболь­шая и ограничивается длиной рельса и зубчатой рейки. К аппара­там рельсового типа относятся аппараты А-372Р, А-433Р, А-535, А-1170 и др., а также электрошлаковый полуавтомат А-820М.

Универсальный аппарат А-535 (рис. 5.8) предназна­чен для выполнения электрошлаковой сваркой прямолинейных и кольцевых швов стыковых, угловых и тавровых соединений. Свар­ку можно выполнять проволочными или пластинчатыми электро­дами с двусторонним принудительным формированием шва. Один, два или одновременно три проволочных электрода обычно исполь­зуют при сварке металла толщиной от 20 до 450 мм и длиной до 10—11 м. Сварка тремя электродами позволяет значительно повы­сить производительность аппарата, применять трехфазный ток и симметрично загружать сеть с высоким коэффициентом мощности, а также изменять химический состав шва в широких пределах, со­четая электродные проволоки различных марок. Пластинчатые электроды применяют при получении сваркой прямолинейных швов длиной не свыше 1,5 м при толщине металла до 800 мм.

Аппарат движется по направляющим рельсовой колонны /, установленной параллельно свариваемым кромкам на расстоянии 250—300 мм от изделия 11. Колонну можно прикрепить к изделию с помощью консоли 20 или монтировать на специальной установке или тележке. Высота колонны зависит от длины шва и может до­стигать 12 м. По колонне со скоростью сварки перемещается хо­довая тележка 2, приводимая в движение электродвигателем 16.

Рис. 5.8 Универсальный электрошлаковый аппарат А-535

На тележке расположены все механизмы аппарата; с ней связан также несущий кронштейн 4, на котором укреплена головка 7 с электродвигателем постоянного тока, обеспечивающая подачу в зону сварки трех электродных проволок. Скорость подачи прово­лок плавно регулируется изменением частоты вращения электро­двигателя. Кроме того, скорость подачи каждого электрода может изменяться ступенчато с помощью установки сменных зубчатых колес. В процессе сварки электродам сообщают также горизон­тальное возвратно-поступательное движение между торцами сва­риваемых кромок. Это выполняют реверсированием электродвига­теля механизма перемещения электродов с помощью концевых выключателей 3. Скорость горизонтального перемещения электро­дов можно изменять с помощью сменных зубчатых колес.

На несущем кронштейне аппарата также расположены пульт управления 5, бункер 18 для флюса с ручным дозатором 15, под­веска 8 для переднего ползуна 10 и пропущенная в зазор между кромками тяга 17, к которой на подвеске 13 прикреплен задний ползун 12. Оба ползуна охлаждаются проточной водой. Для под­вода сварочного тока к электродной проволоке и направления ее в зазор служат мундштуки 14, которые выдвигаются для предварительной их настройки и корректировки внутри разделки шва с помощью маховичков 6. Аппарат подключают к шкафу управления 19. Катушки 9 с электродными проволоками устанавливают на специальной подставке рядом со сварочным аппаратом.

В процессе сварки скорость перемещения аппарата регулируется автоматически в зависимости от уровня металлической ванны относительно медных ползунов. С этой целью в передний медный ползун вмонтирован щуп, электрически связанный с устройством для автоматического регулирования скорости сварки (рис. 5.9).

Основными узлами регулирующего устройства являются воль­фрамовый электрощуп Щ, вмонтированный в передний формую­щий ползун Я, электромашинный усилитель ЭМУ с обмоткой возбуждения ОУ, повышающий трансформатор ТП2, электродвига­тель механизма вертикального перемещения аппарата ДВД и по­тенциометр R1, с помощью которого устанавливается необходи­мая скорость сварки. Щуп получает питание от вторичной обмот­ки сварочного трансформатора через дроссель Др. Так как рас­плавленный флюс обладает электропроводностью, между щупом и металлической ванной проходит ток. Падение напряжения между щупом и металлической ванной пропорционально расстоянию между ними. Обмотка возбуждения ОУ электромашинного усили­теля, от которого питается электродвигатель механизма верти­кального перемещения, включена на разность двух напряжений — снимаемого с щупа через лампу Л, трансформатор ТП2 и селено­вый выпрямитель В2 и снимаемого с потенциометра R1, включен­ного через выпрямитель В1 на вторичную обмотку независимого понижающего трансформатора ТП1.

Рис. 5.9. Принципиальная электрическая схема устройства для автоматического регулирования уровня металлической ванны (а) и схема установки щупа (б):

J — изоляционные прокладки, 2 — ползун, 3 — щуп , 4 — шлаковая ванна, 5 — металлическая ванна, 6 — сварной шов

В процессе сварки при небольшом расстоянии между щупом и металлической ванной напряжение на щупе незначительно, поэто­му через обмотку ОУ будет проходить максимальный ток, значе­ние которого определяется положением потенциометра R1. При этом напряжение электромашинного усилителя максимально и

сварочный аппарат будет перемещаться вверх со скоростью, пре­вышающей скорость подъема металлической ванны. При увели­чении расстояния между щупом и металлической ванной напря­жение на щупе возрастет. В результате этого суммарный ток в обмотке ОУ уменьшается и скорость перемещения аппарата сни­жается. Положение щупа можно контролировать по накалу лам­пы Л. В схеме предусмотрен выпрямитель В, с помощью которо­го по обмотке ОУ проходит ток только одного направления, что исключает реверсирование электродвигателя ДВД.

При автоматической работе электрическая схема обеспечивает поддержание уровня металлической ванны в пределах ±2 мм про­тив заданной величины. Для перехода на ручное управление аппа­ратом цепь электрощупа отключается выключателем ВК.