Електрошлакове зварювання кільцевих швів

Размещено на http://www.allbest.ru/

41

12331

Вступ

Електрошлакове зварювання (ЕШЗ) знайшла широке застосування при виготовленні виробів металургійного, прокатного і енергетичного обладнання, в котло-, гідро-і прес-будуванні, в будівництві і т.д. З допомогою цього способу зварювання виконуються конструкції з вуглецевих і легованих сталей, титану, алюмінію, міді та їх сплавів. Діапазон зварювальних товщин металу складає 20-2500 мм.

Сучасна оснащеність ЕШЗ така, що дозволяє вирішувати практично будь-які завдання промисловості на найвищому технічному рівні. Причому, як показав багаторічний досвід, ефективність застосування ЕШЗ значною мірою залежить від правильного вибору зварювального устаткування, а також раціонального вирішення питань техніки зварювання та застосування відповідного технологічного оснащення.

Анотація.

У даній роботі мною було розглянуте електрошлакове зварювання кільцевих швів. Було розглянуто сам процес зварювання кільцевих швів та невеличка інформація для більш зрозумілого сприйняття цього цікавого виду - який не зустрінеш на звичайному СТО чи в когось вдома, так як він застосовується переважно на великих заводах для машинобудування, корабельного промислу та інших видів деталей, які потребують найвищої якості швів. Наведені таблиці. Розглянуто деякі технічні характеристики даного процесу.

1. Призначення та характеристика електрошлакового зварювання

Метод електрошлакового зварювання (ЕШЗ) -- це принципово новий спосіб зварювання плавленням. Винайшов його доктор технічних наук Г. Б. Волошкевич, під керівництвом якого в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона були проведені випробування та інженерні розробки техніки й технології зварювання. Це дозволило в короткі терміни здійснити застосування ЕШЗ при виготовленні товстостінних зварних металоконструкцій (валів гідротурбін, станин потужних пресів, бандажів обертових печей, рам щокових дробилок), при монтажі великих машин і конструкцій, і Стало можливим на монтажній площадці з'єднувати зварюванням деталі великої товщини, дотримуючись при цьому великої точності розмірів виробу. Застосування ЕШЗ на монтажі дозволило споруджувати і ремонтувати кожухи доменних печей, корпуси обертових цементних і металургійних печей. Продуктивність при цьому зросла в 5-6 разів. За допомогою ЕШЗ і плавлення можна одержати біметалеві заготовки, облицьовувати робочі поверхні товстостінних посудин антикорозійними металами, відновлювати деталі машин. ЕШЗ використовують для виготовлення виробів із низьковуглецевих, низьколегованих, середньолегованих сталей, чавуну, титану, алюмінію, міді та їх сплавів. Раніше для металу товщиною понад 50 мм використовували багатопрохідне дугове зварювання. Наприклад, автоматичне зварювання під флюсом металу товщиною 300 мм виконували, накладаючи зварний шов у 180 шарів, а з ЕШЗ таке з'єднання виконують за один прохід.

Електрошлакове зварювання має ряд специфічних особливостей, в результаті є можливість переміщувати електрод по товщині металу, який зварюється, або застосовувати декілька електродів, розташованих гребінкою. Ці прийоми дозволяють зварювати за один прохід метал великої товщини.

Спосіб зварювання, заснований на виділення тепла при проходженніелектричного струму через розплавлений шлак, отримав назву електрошлакового зварювання. У просторі, утвореному крайками зварюваних виробів і формують пристосуваннями, створюється ванна розплавленого шлаку, в яку занурюється металевий стрижень - електрод. Струм, проходячи між електродом і основним металом, нагріває розплав і підтримує в ньому високу температуру і електропровідність. Температура шлакової ванни повинна перевищувати температуру плавлення основного іелектродного металу. Шлак розплавляє занурений у нього електрод і кромки виробів. Розплавлений основний метал разом із електродним збирається на дні шлакової ванни і утворює металеву ванну, яка, затвердевая, дає шов, що з'єднує кромки вироби. У міру розплавлення електрод подається вниз. Найкращі умови для плавлення основного металу і для отримання глибокої шлакової ванни створюються при вертикальному положенні осі шва. Тому електрошлакове зварювання застосовується найбільш часто в поєднанні з примусовим формуванням зварювальної ванни. Електрошлакове зварювання внижньому положенні менш зручна і не набула поширення. Технологічні параметри процесу електрошлакового зварювання (ЕШЗ). Суть методу примусового формування полягає в штучному охолодженні поверхні металевої ванни. Основне призначення шлаків при ешз - перетворення електричноїенергії в теплову. Тому основною характеристикою шлаків є їхелектропровідність і залежність її від температури. Якби існував шлак, який не зраджує своїй провідності взалежно від температури, то його порівняно легко можна було бвикористовувати для цілей зварювання. Завжди можна підібрати таку напругу, яке, будучи доданим до постійного опору, викличе виділенняв цьому опорі необхідної потужності і, отже, будепідтримувати в ньому потрібну температуру. Насправді провідністьрозплавлених шлаків різко підвищується із зростанням температури, а нижчепевної температури шлаки практично є непроводнікамі. Цеобставина ускладнює стабілізацію процесу. Деякі шлаки, що містять двоокис титану, є хорошими провідниками навіть у твердому стані при кімнатній температурі. Такогороду шлаки мають електронну провідність, на відміну від іонноїпровідності шлаків, що знаходяться в рідкому стані. На відміну від дугового зварювання під флюсом при електрошлакового зварюваннямайже вся електрична потужність передається шлакової ванні, а від неїелектроду і основного металу. Умовою стабільності процесу єсталість температури шлакової ванни, інакше кажучи, рівність одержуваногоі що віддається тепла. Однією з перешкод, що виникають при практичному застосуванніелектрошлакового процесу, є можливість появи дугового розрядуміж електродом і вільною поверхнею шлакової ванни або, частіше за все вглибині шлакової ванни. Такий розряд буває дуже нестійким, і появайого при електрошлакового зварювання може призвести до утворення дефектів шва. Для попередження дугового розряду зварювання потрібно вести в умовах, протилежних умов стабілізації дугового розряду: у глибокій шлаковоїванні, на змінному струмі, при низькій напрузі холостого ходу і ззастосуванням шлаків з низьким стабілізуючими властивостями. Ці заходи ускладнюють появу дугового розряду і збільшують стійкістьелектрошлакового процесу. Однак при надмірному погіршення умови стійкості дугового розряду, бувають випадки порушення стійкості електрошлакового процессу внаслідок, наприклад, випадкового витікання шлакової ванни. Для відновлення шлакової ванни потрібно досить стійкий дуговий розряд при дрібній ванні і швидке зниження його стійкості при глибокій ванні. Цього можна досягти застосовуючи електрод малого діаметру, збільшуючи зазор між крайками або змінюючи відповідним чином напругу холостого ходу зварювального трансформатора. Збільшення зазору економічно невигідно. Застосування шлаків на основі фтористого кальцію, що володіють великою електропровідність, значно скорочує час, необхідний для переході від дугового процесу до електрошлакового. Щоб електродний метал надійно сплавлявся з основним, поверхня останнього повинен бути попередньо оплавлені і мати температуру, близьку до температури плавлення. Крім того, поверхня металу повинна бути надійно захищена від окислення. При дугового зварювання в нижньому положеннірозплавлення кромок і заповнення обробки металом відбувається, як правило, не одночасно. Метал з порожнини, виплавлюваної дугою, відкидаєтьсятому, а порожнина заповнюється лише після відведення дуги. При зварюваннівертикальних швів це явище виражено ще більш чітко; метал крайок, оплавляється дугою або шлаком, стікає вниз, утворюючи загальну ванну зелектродним металом. У результаті оплавлення крайок над металевоюванної завжди утворюється незаповнена металом порожнину. У тих випадках, коли кромки основного металу починають плавитисязначно вище поверхні металевої ванни, кромки, що знаходятьсябезпосередньо над ванною, можуть виявитися охолодженими нижче температуриплавлення. У цьому випадку можливе так зване несплавленіе. Його неслід змішувати з непровари країв, коли вони залишаються нерозплавленому. При несплавленіі кромки виявляються оплавлення, але вони не сплавляються зметалом шва. Несплавленіе стає можливим при дуже високій напрузізварювання, надмірно глибокої шлакової ванні і при використанні шлаків, мало змінюють свою електропровідність і в'язкість з температурою. За нормальних характеристик шлаків і правильно вибраних режимах зварювання передчасного оплавлення перешкоджають тепло-і електроізоляційнапрошарок, що утворюється шлаком у холодних країв виробу. Завдяки їй струм між електродом і металевою ванної проходить як би в ізольованій трубці і нагрів кромок навіть при великих міжелектродних проміжках починається біля самої поверхні металевої ванни. Більша частина тепла, що виділяється в шлаку, переноситься у ванну електродним металом. Майже вся теплова енергія передається основному металу через поверхню металевої ванни. Якщо напруга зварювання вища, ніж необхідно для розплавлення електрода і кромок основного металу, то надлишок тепла в шлаковой ванні йде на збільшення проплавлення крайок. Якщо в цьому немає потреби, то це тепло можна використовувати на плавлення присадочного матеріалу. Його можна подавати у вигляді дроту, так само як і електрод, або окремими дрібними шматками. Зі зменшенням діаметра електрода межелектродний проміжок зменшується і небезпека несплавленія різко знижується. Ще більший вплив на величину міжелектродного проміжку і характер плавлення основногометалу роблять коливання електрода в горизонтальному напрямку. Рентгенографічні дослідження і осціллографіроваіе процесуелектрошлакового зварювання на різних режимах показали, що метал переноситься з електрода в металеву ванну у вигляді крапель. Розміри крапельтим більше, чим менше зварювальний струм, вище напруга між електродами іметалевої ванни і чим більше глибина шлакової ванни. Навпаки, зниження напруги зварювання, зменшення глибини ванни і збільшення струмусприяють дрібнокрапельне переносу електродного металу в зварювальнуванну. При великих швидкостях подачі електрода, звичайних при зварюванні маловуглецевих сталей, низькій напрузі або малій глибині шлакової ванни краплі металу можуть з'єднуватися з металевою ванної раніше, ніж відділятися від електрода. Таке металеве з'єднання електрода з ванною існує дуже короткий час; воно майже миттєво руйнується під дією електродинамічних зусиль, що виникають у провіднику і різкоз більшуються із зростанням щільності струму. Проте внаслідок великої частоти замикань середній час проходження струму через метал може складати значну частку загального часу зварювання. Це явище не носить характеру короткого замикання. Загальна провідність зони зварювання у момент замикання зростає всього в 1, 5 - 1, 7 рази. Потужність, залежно відхарактеристики джерела живлення, змінюється незначно або зростає. У такому ж напрямку змінюють характер електрошлакового процесупереміщення електрода в шлаку в горизонтальному напрямку. Стикаючись зхолоднішими обсягами шлаку, електрод плавиться на великій глибині, і припевних режимах краплі не встигають відділятися від кінця електрода дозамикання з металевою ванною. Електрошлаковий процес може протікати однаково стійко як напостійному, так і на змінному струмі. Рід зварювального струму чинитьістотний вплив на хід металургійних, що протікають в шлакової ванні. При зварюванні на постійному струмі помітно розвиваються явища електролізу. Відомо, що при електродугової зварюванні стійке горіння дугиможливо лише при порівняно великій щільності струму. Діапазон практичнозастосовуваних щільності струму для дугового зварювання невеликий, але припід зварці флюсу він знаходиться в межах від 20 до 200 а/мм2. На відміну віддугового зварювання електрошлаковий процес іде досить стійко призміни щільності струму в досить широкому діапазоні від 0, 2-0, 3 а/мм2 (призварюванні електродами великого перерізу) до 200-250 а/мм2 (при зварюваннідротом діаметром 3 мм). Отже, характерною особливістюелектрошлакового процесу є висока стійкість його при низькихщільності струму (в 100-200 разів менших, ніж при дугового зварювання).

2. Класифікація різновидів електрошлакового зварювання

Тут наведена схема різних застосувань електрошлакового процесу.

Розрізняють дві основні групи прийомів електрошлакового зварювання: 1) звільним формуванням зварювальної ванни і 2) з примусовим формуваннямїї. Крім того, можливо поділ за іншими ознаками: за родом струму, характеристиці джерела живлення, ступеня механізації і багатьом іншимпоказниками. Електрошлакове зварювання з примусовим формуванням можевиконуватися різними прийомами, що залежать від типу електродів, способувведення їх в оброблення та підведення до них зварювального струму. З них в данийчас застосовуються: зварювання дротом, зварювання електродом великого перерізу, зварювання плавиться мундштуком і стикова електрошлакове зварювання (контактно -жужільна). Для зварювання металу великої товщини електрода слід надаватиколивальні рухи в напрямку товщини металу або збільшувати числоелектродів або змінювати їх перетин. Дуже часто застосовується поєднання цихприйомів.

При зварюванні з коливаннями число електродів зазвичай не перевищує трьох, , щоб уникнути надмірного ускладнення апаратури. При порівняно короткихшвах мундштуки можна вводити в оброблення не збоку, а зверху. У цьому випадкучисло електродів може бути значно більшим трьох. В обох випадкахмундштуки разом з механізмом, що подає рухаються вгору зі швидкістюосвіти шва. Поряд з електродами суцільного перерізу при описаних вище схемахелектрошлакового процесу може бути застосована так звана порошковедріт або трубчастий електрод з метою додаткового легуванняметалу шва.

Якщо мундштуки зробити з того ж (приблизно) матеріалу, що йелектродні дроту, і механізм, що подає при зварюванні не піднімати, томундштуки при підході до них шлакової ванни будуть плавитися і переходити вшов. Цей прийом називається електрошлакового зварювання зварюванням плавитьсямундштуком.

При зварюванні трьома пластичними електродами, мундштуки відсутні, амеханізм вертикального переміщення з нерухомо закріплених у ньомуелектродом рухається вниз назустріч шву. Електроди великого перерізу можуть мати саму різноманітну формупоперечного перерізу: прямокутну, кільцеподібну (для зварюванняциліндричних деталей) або фасонну. Для ущільнення злитків, відливання, переплавлення та інших видів робіт з великою кількістю переплавляєметалу можуть застосовуватися електроди з брикетованої стружки та іншихвідходів. У деяких випадках для регулювання проплавлення крайок можутьзастосовуватися порожнисті електроди, заповнені металевої крупкою. Стикова електрошлакове зварювання, або, як її називають, контактно -жужільна, відрізняється тим, що при ній відсутня присадочний метал; струмпропускається між зварюваних частинами. При цій схемі зварюваніповерхні займають горизонтальне положення; жужільна ванна знаходитьсяміж нижньою та верхньою деталлю. При пропущенні струму через шлак зварюваніповерхні плавляться, а над нижньою поверхнею утворюється ваннарозплавленого металу. Після цього зварювані частини зближуються; шлаквитісняється з простору між ними, розплавлений метал твердне ідеталі виявляються звареними між собою. Момент вимикання струму можеінколи передувати осаді зварювальних деталей. Зварювання дротом в даний час широко застосовується впромисловості. Вона дає можливість отримувати шви різної форми здосить рівномірним проварена заданої ширини. Дротом можна зваритиметал товщиною від 20 до 500-600 мм при будь-якій довжині шва. пластинчастими електродами зварюють прямолінійні шви будь-якої товщини іпорівняно невеликої довжини (до1-1, 5 м). Стосовно до коротких швахзварювання пластинами зручніше зварювання проволоками з коливаннями, так якапаратура для неї простіше і надійніше. Крім того, при зварюванні пластин непотрібно вільного місця перед стиком. Важливою перевагою цього способує можливість використання як електродів таких матеріалів, як чавун, з якого не можна або важко виготовити дріт. Зварювання плавиться мундштуком може застосовуватися для металу будь-якоїтовщини при довжині шва до 3 м, а в разі необхідності - і більше. Вона, які зварювання пластиною, не вимагає вільного місця збоку від стику і, крімтого, допускає обмеження місця над стиком. Характерною особливістю їїє можливість зварювання швів складного криволінійного профілю. Апаратура для зварювання плавиться мундштуком складається з одного подаючогомеханізму переносного типу, що встановлюється, як правило, безпосередньона виріб. Це робить його зручним для зварювання дрібних швів, для якихінші способи невигідні.

3. Особливості електрошлакового процесу

Електрошлакове зварювання з примусовим формуванням відрізняється від дугового зварювання як ручних, так і автоматичнох, рядів особливостей, які необхідно враховувати і використовувати при застосуванні цього способу.

1.При ЕШЗ відсутній дуговий розряд. Це забезпечує спокійний процес, виключає розбризкування шлаку й металу при рідкому шлаковому покритті та великих значеннях струму. В результаті є можливість переміщувати електрод по товщині металу, який зварюється, або застосувати декілька електродів, розташованих гребінкою. Ці прийоми дозволяють зварювати за один прохід метал великої товщини;

2. Електрошлакове зварювання металу будь-якої товщини виконується по зазору однакової ширини за всією товщиною зварного металу. Це виключає необхідність попереднього скосу зварних кромок, що значно скорочує відходи металу і зменшує витрати на підготовку кромок під час зварювання; 3.Зазор між зварними кромками при ЕШЗ мало залежить від товщини зварного металу. Тому при ЕШЗ, порівняно з іншими способами зварювання, зі збільшенням товщини зварного металу різко скорочується витрата електродного металу; 4. При ЕШЗ використовують у 10-20 разів менше зварювального флюсу, ніж при звичайному зварюванні під флюсом, оскільки кількість флюсу, що подається в зону зварювання, визначається кількістю шлаку, який витрачається на утворення тонкої шлакової кірки на посиленнях шва; 5.Завдяки малій витраті флюсу помітно зменшується кількість тепла, яке витрачається на його плавлення, і відповідно при електрошлаковому зварюванні раціональніше використовується електрична енергія; 6.ЕШЗ виконується таким чином, що над кристалізованим металом шва завжди знаходиться рідкий метал і шлак. Завдяки цьому більш повно проходить дегазація металу шва і в ньому рідко утворюються пори, навіть коли кромки зварного металу ржаві, а флюс вологий; 7.Наявність рідкого металу над кристалізованим металом шва сприяє витісненню з нього шкідливих домішок. Шви, виконані ЕШЗ, менш схильні до утворення тріщин; 8.Метал будь-якої товщини електрошлаковим способом зварюється за один прохід. При цьому не виникають такі поширені при багатошаровому зварюванні товстого металу дефекти, як шлакові включення; 9. При ЕШЗ зварний метал прогрівається рівномірно по всій товщині. Розплавлений метал також рівномірно розподіляється по всій товщині металу. Тому при ЕШЗ відсутні кутові деформації зварних з'єднань. Головним недоліком є те, що одержані ЕШЗ з'єднання, необхідно піддавати високотемпературній термічній обробці, що знижує ефективність цього способу. Обробка потрібна тому, що при ЕШЗ сталей, які використовують для виготовлення товстостінних конструкцій, в біляшовній зоні різко знижується ударна в'язкість металу через його перегрів. Його можна ліквідовувати тільки термічною обробкою, яка викликає перекристалізацію. При зварюванні середньолегованих сталей і особливо сталей з поліпшеними властивостями такою термообробкою повинне бути гартування з наступним відпуском.

При проходженні електричного струму через шлак не відбувається такого інтенсивного виділення газів, що супроводжується розбризкуванням шлаку, якпри дугового зварювання. При сталому електрошлакових процесіврозбризкування шлаку не відбувається зовсім. Це дозволяє вести зварювання звідкритою поверхнею шлакової ванни. Подача шлаку в ванну обмежуєтьсядуже невеликою кількістю, рівною кількості відкладаються на поверхнішва шлакової кірки завтовшки 1-1, 5 мм. Це по вазі складає всього 0, 2-0, 3кг на погонний метр шва, незалежно від товщини металу. Завдяки малій кількості розплавляється флюсу витрачаютьсяелектрична енергія добре використовується для плавлення електрода іосновного металу. Внаслідок інтенсивного перемішування шлаку плавлення крайоквідбувається на більшій відстані від електрода ніж це можливо за дуговогозварюванні. Практичними наслідками цих особливостей є: мала витраташлаку, що становить в середньому, з урахуванням втрат на Розсип, 5% від вагинаплавленого металу, тобто в 20 разів менший, ніж при дугового зварювання підфлюсом, і малі витрати електричної енергії на 1 кг наплавленого металу, в 1, 5-2 рази менший, ніж при дугового зварювання під флюсом і в 4 рази менший, при зварюванні відкритою дугою. Ще більш важливим практичним результатом цихособливостей є можливість здійснення однопрохідної зварюванняметалу товщиною до 150-200 мм на один електрод, а при більшій кількостіелектродів - практично необмеженої товщини. Саме ця властивість відкриває найширші перспективи застосування електрошлакового зварювання упромисловості, в першу чергу у важкому машинобудуванні. З інших особливостей електрошлакового зварювання найбільше значеннямають наступні. Внаслідок порівняно малого витрати флюсу і, отже, незначного поповнення шлакової ванни новими порціями флюсу, забезпечується більш постійна, ніж при дугового зварювання, хімічний складметалу шва. Завдяки вертикального положення осі шва значно полегшуєтьсяСпливання газових бульбашок і частинок шлаку та видалення їх з металу.

Поліпшується заповнення металом междендрітних пустот. Якщо газовий бульбашкаабо неметалеві включення затримається на кордоні метал - шлак, то вонибудуть переміщатися разом з цією кордоном, тоді як при зварюванні в нижньомустановищі вони були б захоплені кристалізується металом. Томусхильність до утворення пір і інших нещільності при електрошлаковоїзварюванні у багато разів нижче, ніж при дугового зварювання в нижньому положенні; меншечутливість до вологості шлаку, іржі та забруднення крайок.

Внаслідок сприятливого напрямку росту кристалів у швах, виконаних електрошлаковий способом у вертикальному положенні, відсутнятак звана зона слабкого місця, яка спостерігається в швах великого перерізу, зваренихв нижньому положенні. Це ж обставина значно знижує схильністьшвів до утворення кристалізаційних тріщин. Температурні умови дляоколошовной зони також сприятливі, що як великий погонною енергії запорівнянні з окремим шаром багатошарової зварювання, так і попереднім, створюваним шлакової ванною. Нагрівання крайок починається на рівні поверхнішлакової ванни, а плавиться вони починають в безпосередній близькості відметалевої ванни. Між початком підігріву кромок основного металу і їхплавленням проходить 2-3 і більше хвилин, внаслідок чого знижується якшвидкість нагріву, так і швидкість подальшого охолодження. Електрошлакове зварювання завжди проводиться в один прохід, томулінійна швидкість зварювання товстого металу значно нижче, ніж при дуговогобагатошарової зварюванні. Завдяки цьому швидкості нагріву і подальшогоохолодження околошовной зони дуже малі, а схильність до утворенняоколошовних тріщин при зварюванні гартуються сталей порівняно невелика.

Оскільки електрошлакове зварювання проводиться в один прохід, повністю ліквідується найбільш поширений дефект багатошаровоїзварювання - шлакові макроскопічні включення. Вони можуть з'являтися тільки при грубому порушенні технології зварювання. Зварювання металу будь-якої товщини проводиться без оброблення крайок.

Краї, що підлягають зварюванні, не мають фасок: вони збираються з зазором, утворює свого роду оброблення крайок. Це в кілька разів зменшуєтрудомісткість і вартість підготовки кромок під зварювання. Завдяки симетричності обробки і положення в ній електродів приелектрошлакового зварювання, як правило, відсутні кутові деформації. Вониможуть виникати тільки при зварюванні деяких спеціальних типів зварнихз'єднань.

При товщині зварюваного металу менше 40-50 мм трудомісткість івартість зварних з'єднань при електрошлакового зварювання більше, ніж придугового зварювання під флюсом. Однак зі зростанням товщини продуктивність іекономічність електрошлакового зварювання швидко ростуть і при товщині понад 100мм бувають у багато разів вище, ніж при дугового зварювання.

Основні недоліки електрошлакового зварювання:

›› можливість проведення зварювання тільки у випадку знаходження зварних площин у вертикальному положенні або близькому до нього (відхилення від вертикалі не більше 30°);

››крупнозерниста структура металу шва в зоні термічного впливу, що призводить до низької ударної в'язкості металу зварних з'єднань при мінусових температурах;

›› необхідність при зварюванні виготовлення і встановлення технологічних деталей (планок, стартових кишень, "формуючих пристроїв"). Використання цього способу дозволяє відмовитися від виготовлення багатьох виробів у суцільно литому і суцільно кованому виконанні й перейти до економічніших складних конструкцій із застосуванням зварювання.

4. Область застосування

Найважливішою проблемою сучасного машинобудування є економне використання металів, зниження металоємності конструкцій, підвищення їхнадійності та довговічності. Відомо, що в зварних машинобудівних конструкціях витрати на матеріали перевищують 50%. Тому найбільший народногосподарський ефект від впровадження заходів, що сприяють економії металу, реалізується в таких галузях машинобудування, що виробляють великогабаритні товстостінні обладнання, як газо-та нафтохімічна енергетика. Початковим призначенням електрошлакового процесу була сварка вертикальних монтажних швів виробів, шви яких не можна поставити в зручний для дугового зварювання нижнє положення. Однак висока ефективність електрошлакового процесу вивела його замежі монтажного зварювання, зробивши його основним способом зварювання металу товщини, а потім і за межі власне зварювального виробництва. Зараз електрошлаковий процес застосовується не тільки при зварюванні і наплавленні, але також для одержання відливок та зливків спеціального призначення і для ущільнення звичайних злитків і виливків. Електрошлакове зварювання застосовується у виробництві барабанів парових котлів та інших посудин високого тиску, де вже повністю витіснилаза багатошарове автоматичне зварювання., При виготовленні станин великих механічних пресів, траверс, архітравом і циліндровгідравлічних пресів, валів великих гідротурбін і гідрогенераторів, станин прокатних станів, суднових корпусів, ахтерштевней, форштевнем і інших суднових деталей, корпусів великих електромашин, паровозних і тепловозних рам, стояків мартенівських печей, колінчатих валів, великихфланців і багатьох інших деталей. Широке поширення одержала електрошлакове зварювання стиків арматури. Незважаючи на порівняно невеликий перетин зварних з'єднань, цей спосіб виявився ефективніше інших. У ряді випадків застосування зварних конструкцій дозволяє заощадитивелика кількість металу. Так для зварних валів Варваринської ГЕС вагузлитків склав 59 т вместо100 т для цельнокованих; зварна станинамеханічного кувально-штампувального преса тиском 4000 т важить на 24 тменше ніж у литому варіанті. Із застосуванням зварювання при виготовленні стійокмартенівських печей на Дніпропетровському заводі металоконструкцій отриманавелика економія товстого прокату за рахунок ліквідації відходів. Значення електрошлакового зварювання не вичерпується її економічнимефектом. Широке її застосування докорінно змінює характер розвиткуважкого машинобудування. Чинниками, які обмежують розміри елементів, можуть бути: потужністьковальсько-пресового устаткування, розміри нагрівальних і термічнихпечей, розміри металообробних верстатів. Окремо слід розглянутиобмеження, що вносяться труднощами перевезення негабаритних вантажів на місце їхмонтажу.

Зростання розмірів і ваги елементів може відбуватися тільки на основіпропорційного зростання перерахованих вище виробничих потужностей. Однак із застосуванням електрошлакового зварювання така пропорційність можезберігатися не у всіх випадках.

У першу чергу відпадає необхідність зростання потужностей, пов'язаних ззростанням розважування злитка, оскільки електрошлакове зварювання дозволяє зварюватиміж собою виливки в блоки будь-яких розмірів і майже будь-якої форми. Електрошлакове зварювання, в більшості випадків, дає можливість з'єднуватипоковки так, щоб у разі потреби обійтися порівняно легкимипресами. В даний час електрошлакове зварювання дозволяє виготовити назаводах з порівняно малопотужним верстатів і ковальсько-пресовіобладнанням заготовки будь-яких розмірів. Подальше зростання розмірів окремихдеталей обмежений можливістю транспортування. Великі можливості відкриваються для застосування електрошлаковогопроцесу при наплавочних роботах. Електрошлакове наплавлення може успішновиконуватися електродами великого перерізу, наприклад при виготовленнібіметалічних виробів, при облицювання робочих поверхонь товстостіннихсудин і т.д. Найчастіше наплавляються поверхні мають у своєму розпорядженні вертикальноабо похило: в цьому випадку електрошлаковий процес ведеться також, як іпри зварюванні. Електрошлаковий способом успішно зварюються сталі різних класів марок. Поряд з мало-і середньовуглецевого сталями вдається зварювати феритної нержавіючі сталі, хромонікелеєві аустенітні сталі, жароміцнісплави на нікелевої основі, зварюють титан і його сплави. Крімпрямолінійних і кільцевих швів великої довжини, можна зварюватикороткі шви товстого металу. При зварюванні вертикальних монтажних швів електрошлакове зварювання можевиявитися вигідніше ручного зварювання вже при товщині металу 16-20 мм. Доцільність застосування даного виду зварювання багато в чому залежить відкількості швів, що підлягають зварюванні. Чим воно більше, тим нижче межатовщини, з якого вигідно застосовувати електрошлакового зварювання.

5. Апарати для електрошлакового зварювання

Апарати для електрошлакового зварювання підключаються до спеціальних або звичайних джерел живлення. До їх складу входять: механізм подачі і переміщення електродів; механізми переміщення апарата вертикально вздовж стику; пристрій для примусового утримування зварювальної ванни в зазорі між зварними кромками. За способом переміщення вздовж зварних кромок (вертикально або похило до горизонту) ці апарати поділяються на самохідні (рейкові й безрейкові) та підвісні. В апаратах усіх типів можна використовувати дротяні й пластинчаті електроди або плавкі мундштуки. Механізм подачі електродів при електрошлаковому зварюванні має постійну швидкість, яка не залежить від напруги на дузі. Конструктивно він мало відрізняється від механізму подачі при механізованому електродуговому зварюванні. Виключення становлять тільки мундштуки, що вводяться в зазор або розташовуються поза ним. Введення мундштука в зазор спричинює зменшення вильоту електрода і підвищення точності його напрямку, що досягається за допомогою коректування напрямку. Механізм зворотно-поступального переміщення електродів у зазорі, відповідно до товщини зварювального металу, аналогічний описаним раніше. Причому механізм переміщення електрода із змінною швидкістю застосовують в апаратах для зварювання порівняно невеликих товщин, а з постійною швидкістю -- в апаратах важкого типу.

Вертикальне (похиле) переміщення апаратів для електрошлакового зварювання досягається за допомогою механізмів, які рухаються по рейці (рис. 11.3 а, б), встановленій паралельно до зварних кромок; безпосередньо на виробі (рис. 11.3 в); комбіновано (рис. 11.3 г), коли одна частина апарата рухається по рейці, а інша -- по виробі і між ними існує гнучкий зв'язок. В апаратах рейкового типу зв'язок між візком і рейкою часто жорсткий, візок має привідну шестерню, зчеплену з рейкою. В безрейкових апаратах цей зв'язок досягається за рахунок наявності потужної пружини, яка притискує з двох сторін зварних кромок візок ходового механізму. Можна також застосовувати магнітні притискачі, але вони небезпечні. Пристрій для примусового утримування зварної ванни в зазорі між зварними кромками називають формуючими повзунами. їх виготовляють з міді (найчастіше), графіту або сталі (для зварювання алюмінію). Всі повзуни охолоджуються водою, а їх конфігурація відповідає зварному з'єднанню (стиковому, кутовому або напустковому). Апарати з пластинчатими електродами або плавкими мундштуками застосовують для зварювання товстішого металу. Апарата з дротяним електродом є найуніверсальнішими та мобільними, бо апарати з плавким мундштуком (рис. 11.3 г) не мають механізму переміщення вздовж зварних кромок. Вони оснащені механізмами подачі електродів, струбцинами для закріплення апарата на виріб, струмопідводом, пультом керування і котушкою для зварювального дроту (в даному випадку чотири). Струбцина електрично ізольована від апарата і має п'ять ступенів свободи для точного встановлення мундштука в зазорі і напрямку дроту при зварюванні. Якщо апарат неможливо закріпити на виріб, то його можна закріпити на консольній або портальній стаціонарній установці. Автомат А-1304 (рис. 11.4) застосовується для електрошлакового зварювання плавким мундштуком виробів із сталі, алюмінію. Він складається з механізму подачі трьох-чотирьох електродних дротів 1 і стояка, на якому кріпляться головка та пристрій для підвіски плавкого мундштука й підведення до нього зварювального струму. СтОяк установлено на системі супортів, 'які забезпечують правильне розміщення плавкого мундштука в зазорі між зварювальними кромками. Основне обладнання для електрошлакового зварювання наведено в таблиці нижче.

Орієнтовні параметри ЕШЗ

Зварювальний струм може бути постійним або змінним. Прийнятий діаметр електродного дроту становить 2-5 мм, але найчастіше застосовується дріт діаметром 3 мм; швидкість подачі вибирають у діапазоні 0, 055-0, 11 м/с (200-400 м/год). Із збільшенням швидкості подачі дроту, товщини виробу та сили зварювального струму зростає небезпека появи у шві гарячих тріщин. Напруга зварювання підбирається в діапазоні 32-56 В з умовою відповідного проплавлення кромок залежно від товщини металу, що зварюється, марки сталі, флюсу, швидкості подачі електродного дроту. Підвищення напруги збільшує глибину проплавлення. Під час зварювання глибина шлакової ванни (30-60 мм) повинна бути постійною. Для цього в неї періодично підсипають флюс. Із зменшенням глибини шлакової ванни погіршується стійкість процесу зварювання. "Сухий" виліт електрода підтримують 70-90 мм. Швидкість коливання електродів дорівнює 0, 005-0, 015 м/с (20-60 м/год), час зупинки електродів у крайніх положеннях -- 6 с, віддаль від електрода до повзуна в крайньому положенні -- 10 мм. Кінематична швидкість, на яку настроюють зварювальні апарати, повинна перевищувати середню швидкість зварювання в 1, 5-2 рази.

електрошлаковий зварювання металургійний

6. Матеріали та режими зварювання

При всіх способах ЕШЗ електродний дріт, пластини, стрічки й мундштуки, як правило, мають такий же хімічний склад, як і зварні заготовки або близькі до нього. Для ЕШЗ використовують такі флюси: АН-8, АН-8М, АН-22, АН-25, АН-348А, АНФ-Ш, АНФ-5, АН-15, АН-18, 48-ОФ-6. Для початку електрошлакового процесу застосовують електропровідний флюс АН-25 у твердому стані. Вологий флюс перед застосуванням потрібно прожарити в електричній печі при температурі 300-700°С протягом 1-2 год, товщина флюсу повинна становити 80-100 мм. Основні матеріали та режими для електрошлакового зварювання сталі при прямолінійних стиках відображено в таблиці 11.2. Основні параметри ЕШЗ: ширина зазору між зварними кромками; розміри електрода (діаметр дроту або переріз пластини); швидкість подачі електрода; сила зварювального струму; напруга на шлаковій ванні; глибина шлакової ванни й дозування подачі флюсу; кількість електродів та їх розташування; величина сухого вильоту електрода; рід зварювального струму; швидкість поперечного зворотно-поступального переміщення електродів; віддаль і витримка їх біля повзунів; інтенсивність охолодження формуючих пристроїв; марка флюсу й електродного матеріалу. Ширина зазору між кромками має великий вплив на глибину проплавлення та продуктивність процесу. Зменшення зазору при зводить до зменшення об'єму шлакової ванни, температури її розігріву, зменшення

Матеріали і режими для ЕШЗ сталі при прямолінійних стиках глибини проплавлення, погіршення форми ванни рідкого металу, а це може спричинити появу осьових тріщин. Виникає можливість короткого замикання струмопідвідних Мундштуків із виробом. Збільшуються витрати електродного металу, зменшується продуктивність. Оптимальні зазори становлять від 18 до 26 мм. Розмір електрода впливає на глибину проплавлення та стійкість процесу. При збільшенні діаметра електрода збільшується й глибина проплавлення, процес зварювання стає стійкішим. Дріт використовують діаметром 2, 5-3, 0 мм. При необхідності зварювання дротом більшого діаметра використовують пластинчаті електроди. Швидкість подачі електрода визначається силою зварювального струму. Із збільшення сили струму збільшується швидкість подачі дроту. Збільшення струму призводить до збільшення глибини проплавлення кромок і за рахунок збільшення швидкості подачі дроту збільшується швидкість зварювання. При значній швидкості подачі дроту і незмінного струму можливе замикання електрода на металеву ванну, тобто коротке замикання зварювального кола. Напруга на шлаковій ванні впливає на якість тепла, яке виділяється в рідкому шлаку, що впливає на глибину проплавлення. Із збільшенням напруги збільшується глибина проплавлення, покращується форма ванни рідкого металу, збільшується стійкість металу шва проти осьових тріщин. Велика напруга призводить до перегріву і кипіння ванни. Можлива поява дугового розряду.

Низька напруга спричинює непровари, коротке замикання електрода на металеву ванну. Кількість електродів, які використовуються, залежить від товщини металу. Зварювання проводиться одним, двома, трьома і гребінкою електродів у кількості 12 штук. Кількість електродів приймається кратна трьом, шоб рівномірно загрузити трифазну мережу. Рід зварювального струму суттєвого впливу на процес зварювання не має, при будь-якому струмі процес стійкий. У більшості випадків зварювання ведеться на змінному струмі тому, що він дешевий, менша вартість джерел живлення, їх к.к.д. більший, а також більш рівномірне завантаження трифазної мережі. Швидкість поперечного зворотно-поступального переміщення електроду впливає на глибину проплавлення. Із збільшенням швидкості глибина проплавлення зменшується і навпаки. У нормі її встановлюють у межах 30-40 м/год. Марка флюсу й електродного матеріалу має великий вплив на якість шва та його хімічний склад. Невеликі витрати флюсу -- мала інтенсивність реакції взаємодії між рідким шлаком і металом виключає легування через флюс. Тому легування здійснюється через зварювальні матеріали, подачею порошкоподібних феросплавів, порошковим дротом.

Вибір формуючих пристроїв

При ЕШЗ у якості формуючих пристроїв використовують мідний повзун або мідну нерухому підкладку, які охолоджуються водою.

При виборі формуючих пристроїв необхідно врахувати наступне:

1. Повзун забезпечує хороший огляд зони зварювання, дає можливість здійснювати контроль положення електрода в зазорі й своєчасно коректувати його, а також контролювати глибину шлакової ванни;

2. При зварюванні електродними дротами повзун дозволяє вводити мундштук у зазор збоку. При цьому зменшується їх довжина і збільшується стійкість;

3. Повзун кріпиться до зварювального апарата або до спеціального механізму переміщення на підвісці, тому його встановлення займає менше часу ніж на встановлення підкладки;

4. Виготовлення повзуна легше і вимагає менших витрат міді, особливо при довгих швах; 5. При використанні підкладки не потрібна механічна обробка поверхонь литих, кованих деталей і допускається більше зміщення деталей;

6. Збиральні скоби значно менші ніж при використанні повзуна, менше часу потрібно на спостереження за підкладкою порівняно з повзуном.

7. Технологія виконання

Техніка зварювання

Техніку ЕШЗ визначають прийоми, які дозволяють:

›› надійно збуджувати процес зварювання при довільному перерізі електрода;

›› одержати якісний шов на початку при збудженні процесу після вимушеного його переривання.

›› утримати зварну ванну і якісно формувати шов на вертикальній площині;

›› достатньо рівномірно проварити кромки за довжиною й товщиною зварного металу.

Рівномірне проварювання кромок:

Для забезпечення рівномірного проварювання кромок по довжині стику необхідно систематично контролювати глибину шлакової ванни і застосовувати різні методи для її збереження в допустимих межах. Найпоширеніший контроль -- використання металевого стержня діаметром 4-5 мм, який занурюють у рідку ванну на 2-3 с. При цьому на ньому утворюється шлакова кірка Висота шлакової кірки є глибиною шлакової ванни та ванни рідкого металу; тому для визначення глибини шлакової ванни необхідно встановити глибину ванни рідкого металу в місці заміру. Для цього із стержня збивають шлакову кірку і замірюють висоту металевого наросту, що утворився на стержні. Рівномірний провар одержують при зварюванні одним електродним дротом із зворотно-поступальним переміщенням по товщині металу. При зварюванні двома й трьома дротами їх необхідно розташувати та вибрати амплітуду коливань так, щоб кожен переміщувався в межах ділянок товщини зварного металу і на визначену віддаль не доходив до ділянки переміщення сусіднього електрода на 20-40 мм. При зварюванні пластинчатим електродом оптимальна ширина пластин становить 100-125 мм. Ефективне використання пластин шириною до 175-200 мм. Якщо потрібна більш широка пластина слід переходити на три або шестиелектродне зварювання. На виробництві застосовують такі способи наведення шлакової ванни: --"твердий старт", коли зварювальний флюс спочатку плавиться теплом зварної дуги на вхідній планці, а потім шунтується флюсом, який підсипається й розплавлюється; -"рідкий старт", коли в простір, який утворюється зварювальними деталями і формуючими водоохолоджуючими пристроями, заливають рідкий флюс, який попередньо розплавляють в окремій печі. При "твердому старті" бажано приймати більш високу зварювальну напругу (в процесі горіння дуги), ніж при стабільному електрошлаковому процесі.

Для більш легкого збудження дуги на дно вхідної планки засипають металевий порошок, стружку, термітні суміші або встановлюють металеві вставки. Найзручнішими для зварювання є прямокутні й кільцеві шви. Завдання зварювання складних профілів завжди можна спростити при правильному конструюванні. У випадку малої доступності одного із боків шва можна використовувати підкладку, що відстає (рис. 11.6).

Зауважимо, що при наявності такої підкладки по довжині, стики повинні бути старанно проварені. Непровар може спричинити утворення тріщин. Для однотипних деталей, які часто повторюються в даному виробництві, можна використовувати мідні підставки або форми, що охолоджуються водою (рис. 11.7).

Збудження процесу зварювання

Для збудження процесу необхідно замкнути зварювальний ланцюг так, щоб у зоні зварювання легко утворилося джерело нагріву. Спосіб замикання зварювального ланцюга для збудження дугового розряду залежить від перерізу електрода. При діаметрі до 3 мм дуга збуджується надійно, а при більшому діаметрі використовуються спеціальні способи, такі як закорочування через "жучок" з м'якої стружки. Виконується тільки при зварюванні електродними дротами або плавким мундштуком. При зварюванні пластинчатим електродом або електродами великого перерізу для збудження процесу зварювання використовується спеціальний флюс АН-25, який має високу електропровідність у рідкому та в твердому стані. Можна використовувати керамічні флюси, механічну суміш крупки або порошку із феросплавів і шлакоутворюючих оксидів.

Одержання якісного шва

При ЕШЗ на початку шва (до 20-30 мм) утворюється непровар кромок, що є типовим дефектом вертикального зварювання, оскільки на початку зварювання зазор заповнюється рідким металом при непрогрітих кромках. Тому при зварюванні металу великих товщин на початку зварного з'єднання встановлюють технологічну приставку з вирізом глибинною 60-80 мм. На кінцевій ділянці шва утворюється усадкова тріщина довжиною до ЗО мм, тому кінець шва виводять на 40-60 мм вище верхнього зрізу зварного виробу, використовуючи технологічні приставки довжиною 60-100 мм. Кінець шва зварюється на зниженому струмі і підвищеній напрузі, що покращує форму ванни і зменшує глибину тріщини. Кільцеві шви починають зварювати в спеціальних кишенях, які утворюються двома вставками. Рух виробу здійснюється після повного заварювання кишені. Замість технологічних планок використовують мідний кокіль, який охолоджується водою.

ЕШЗ успішно використовують при ремонті и виправленні дефектів лиття, наприклад, при заварюванні отворів (рис. 11.8). Кільцеві шви за технікою зварювання відрізняються від прямолінійних конструктивним оформленням пристроїв для формування зворотного валика і необхідністю замикання кінця шва з початком. Зварювання кільцевого етика починають на допоміжній пластинці, ввареній у зазор стика (рис. 11.9 а).

Після зварювання приблизно півкола стику, ділянка з початком шва появляється на другому боці кантувача (рис. 11.9 б). Потім зварник виплавляє повітряно-дуговим або кисневим різанням початок шва до повної ліквідації непроварів і надає торцеві шва похилого зрізу, який полегшує виконання шва (замка) (рис. 11.9 в). Усадкову раковину виводять або в спеціальний прилив у зовнішньому формуючому повзуні або в мідний кокіль, або ж виплавляють і заварюють уручну. Формування шва зворотного боку можна здійснювати стальним кільцем, яке відстає; мідним кільцем, яке охолоджується, зворотнім повзуном. Застосування сталевого кільця можливе тоді, коли конструкція виробу не вимагає його видалення або коли виріб піддається наступній механічній обробці. Кромки кільцевого етика, як і поздовжніх стиків, скріплюють усередині та ззовні звичайними П-подібними скобами або планками, привареними до стінок виробів. При зварюванні з мідним кільцем, яке охолоджується 1 (рис. 11.10), воно заводиться в отвір скоб 2 і закріплюється клинами З, які вбиваються між скобами й кільцем.

Будову стика формуючого кільця показано на рис. 11.11. Зворотній повзун застосовується у випадках, коли дозволяє форма виробу. За умови прийняття спеціальних заходів електрошлаковим способом можна зварювати елементи великої товщини з алюмінію та його сплавів. Елементи з титану та його сплавів при товщині понад ЗО мм також доцільно з'єднувати електрошлаковим зварюванням, захищаючи аргоном поверхню шлакової ванни (рис. 11.13). Рис. 11.11. Схема клинового з'єднання етика внутрішнього формуючого кільця При зварюванні закритих посудин невеликих розмірів, лазових отворів і при розташуванні етика на значній віддалі від торця виробу встановлення такого повзуна утруднюється. Варіанти кріплення повзунів показані на рис. 11.12. При зварюванні прямолінійних швів початок і кінець виводять за межі робочої частини з'єднання шляхом встановлення початкових і вивідних планок.

8. Способи контролю якості зварних швів

Після зварювання вироби оглядають для виявлення дефектів. Найпростішим способом є зовнішній огляд місця зварювання за допомогою лупи. Такий огляд дає можливість виявити поверхневі раковини, порожнини, малі тріщини, шлакові включення тощо.

Внутрішні дефекти зварних з'єднань виявляють випробуванням на щільність, просвічуванням - та -променями, за допомогою магнетних і ультразвукових дефектоскопів тощо. Проводять випробування і механічних властивостей зварних швів на розтяг і удар.

Дуже часто практикується випробування на згин. Це випробування полягає у визначенні кута згину, при якому в зварному шві з'являється перша тріщина.

Випробування на щільність проводять для баків, резервуарів, казанів, труб та інших ємностей, призначених для зберігання, перевезення або передавання на відстань рідин і газових речовин. Ці випробування проводять за допомогою гасу, стисненого повітря або води Найчастіше застосовують випробування гасом і водою У процесі випробування гасом один бік шва забілюють крейдою, а другий змочують гасом. Якщо на забіленій крейдою поверхні шва появляються темні гасові плями, то у шві є наскрізні дефекти. Отже, шов нещільний.

За допомогою води випробовують зварні з'єднання казанів, труб, баків тощо. Механічні випробування на розтяг, згин, ударну в'язкість проводять на окремо виготовлених спеціальних зразках.

Для виявлення внутрішніх дефектів у зварних швах труб газо- та нафтогонів використовують просвічування промінням, яке випромінюють радіоактивні елементи. Найчастіше використовують ізотопи кобальту.

Є багато різних видів та способів контролю. Від контролю, самим простішим, візуальним оглядом, до самих складних, які потребують високотехнологічного обладнання.

Для перевірки електрошлакового з'єднання краще застосовувати ультразвуковий контроль. Цей спосіб контролю являється одним із новітніх і самих кращих, тому його краще застосовувати, так як цей вид зварювання використовують для відповідальних з'єднань конструкцій.

9. Охорона праці

1. Зварювальні роботи повинні проводитися в електрозварювальних цехах або на спеціально обладнаних майданчиках.

2. Зварювальний пост що знаходиться як в приміщенні, так і на відкритому повітрі, повинен бути захищений щитами або ширмами для захисту оточуючих від шкідливої дії електричної дуги.