Электрошлаковая сварка сущность процесса и область применения

Что такое электрошлаковая сварка

В промышленных масштабах для вертикального соединения металлов используют метод ЭШС. Электрошлаковая сварка позволяет при минимальных затратах получать качественное соединение. Флюс не только предохраняет расплав от окисления, но и обеспечивает прогрев деталей. Электрод или сварная проволока выступают легирующим металлом, в составе расплава до 20% присадки. Он заполняет зазор между соединяемыми элементами, образуется плотный шов однородной структуры. Об особенностях ЭШС, преимущества и недостатках стоит сказать подробнее.

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.

Виды электрошлаковой сварки

Разновидности ЭШС по виду присадки, способу ее подачи:

1. С использованием проволоки. Она подается в ванну расплава постепенно, сверху вниз, вслед за перемещающимися в одной горизонтальной плоскости электродами.
2. С использованием пластин и токоподающих электродов круглой или прямоугольной формы. Пластины опускаются к зазору по мере необходимости образования расплава. В отличие от проволоки одномоментно образуют большой объем расплава.
3. С использованием мундштука. По сути, это унификация первых двух способов. Токоподающие пластины фиксируются в определённом положении, флюс быстро прогревается. А к зазору по направляющему мундштуку подается проволока. Этот метод разработан для криволинейных швов.

Технология электрошлаковой сварки

Две свариваемые детали располагаются рядом с небольшим зазором, с торцов плотно фиксируются медными бегунами. От возбуждения электродуги слой флюса расплавляется, образуя горячий шлак. Он заполняет все ограниченное пространство. За счет хорошей электропроводности шлака дуга угасает, но движение тока при этом не прекращается, выделяется тепло, шлаковые частицы прогреваются до температуры плавления присадки и мягкости сплава. Расплав заполняет зазор, образуется однородный шов. Он защищен шлаковой ванной, разогретой свыше 1500°С. Во флюс можно одновременно опустить параллельно несколько присадок, все они будут равномерно разогреваться горячим шлаком. Подаются они всегда сверху вниз. При искусственном охлаждении ползунов (к ним подводится вода) нижние диффузионные слои твердеют постепенно и равномерно.

Виды сварных швов, образуемых методом ЭШС:

• стыковые прямой, криволинейной формы;
• тавровые, двутавровые;
• угловые односторонние, двухсторонние;
• вертикальные переменного сечения.

Оборудования и материалы для ЭШС

Технология предполагает использование ограничительных ползунов из чистых медных сплавов и шлакообразующих флюсов. Их химический состав зависит от марки стали. На флюсе типа АН-8, АН-22 или АН-47, содержащим до 40% кремния, 20% марганца и 15% алюминия, производится сварка низколегированных углеродистых сталей. Шлаковую ванну для высоколегированных сплавов, чугуна создают путем расплавления фторидных флюсов АНФ-1, АНФ-9 с оксидом титана. Для нержавеющего нужен состав АН-45 с зерном до 1,6 мм. Безмарганцевые флюсы применяют для бронированных сплавов.

Преимущества и недостатки

Логичнее начать с достоинств ЭШС:

1. Металл не окисляется под слоем шлаковой ванны, не нужно использовать газовое оборудование для создания безопасной атмосферы.
2. Соединяемые детали равномерно разогреваются и медленнее остывают. Нагрев начинается на уровне флюса. Благодаря «шубе» сохраняется стабильная температура в процессе образования шва. Это благотворно сказывается на качестве соединения.
3. Параметры токовой нагрузки меньше влияют на процесс образования шва, прогрев происходит за счет разогретого шлака. При прерывании подачи электричества процесс не прерывается.
4. За один проход проваривается металл толщиной до 200 мм, не нужно делать много проходов, сокращается время сварки. При двух электродах допустимо соединять металл толщиной свыше 200 мм.
5. Минимизируются затраты на расходные материалы, объем шлака составляет не более 5% от объема металла, затраты на электроэнергию небольшие, нет потерь, свойственных сварке на постоянном токе.
6. Высокий коэффициент полезного действия. При минусе временных и денежных затрат – большой объем работ хорошего качества.
7. Минимизируется человеческий фактор: автоматически выдерживается заданное расстояние электрода до детали.
8. Сокращается время подготовительного этапа, разделки кромок не требуется. Заплавляется зазор между деталями.

Несколько минусов, которые нельзя скидывать со счетов:

1. Вариативность швов уменьшается, методом ЭШС выполняют только вертикальные или сильно приближенные к ним швы.
2. Процесс непрерывный, нельзя остановиться на середине шва, пострадает качество соединения.
3. Высокая зернистость диффузионного слоя, при минусовых соединениях пластичность металла существенно снижается, шов приобретает хрупкость.

В промышленных масштабах электрошлаковая сварка экономически целесообразна при соединении толстых элементов. Для тонкостенных деталей расходы на оборудование окажутся слишком большими.

Характеристика и применение электрошлаковой сварки. Методы, технология, достоинства и недостатки

Электрошлаковая сварка относится к термическому классу и является видом сварки плавления. Источник нагрева – теплота, выделяющаяся при прохождении энергоносителя в шлаковой ванне.

Рабочий процесс протекает в вертикальной плоскости и заключается в прохождении сварочной цепи электрического тока по электроду, основному металлу и жидкому шлаку. Происходит расплавление основного металла, присадочного материала за счет тепла от нагретой шлаковой ванны.

Классифицируют электрошлаковую сварку по виду, числу электродов и наличию колебаний электрода.

Требования, технические условия, типы соединений и другая информация, относящаяся к электрошлаковой сварке, содержится в ГОСТах, обязательных для выполнения. Некоторые стандарты:

1. Процессы сварки: ГОСТ 30482-97 – правила технологического процесса проведения работ проволочным электродом или плавящимся мундштуком низколегированных и углеродистых сталей.
2. Сварочные материалы: ГОСТ 9087-81, ГОСТ 30756-2001 – технические условия на флюсы сварочные плавленые для электрошлаковой сварки и технологий.
3. Сварные соединения: ГОСТ 15164-78 – типы, элементы, размеры.

Где применяется

Основная область применения – тяжелое машиностроение.

• соединение толстостенных листов и деталей (бронекорпусов кораблей, валов гидравлических турбин, станин мощных прессов и прокатных станов, брони танков, барабанов котлов высокого давления);
• сварка металлов, имеющих разный химический состав;
• сооружение кожухов домен;
• производство сварно-кованых и сварно-литых конструкций;
• изготовление металлургического оборудования, толстостенных цилиндров.

Метод также применяют для сварки металла небольшой толщины (14-30 мм), например, монтажных стыков корпусов судов на стапеле.

Способы сваривания

Методы электрошлаковой сварки зависят от типа применяемых электродов и подразделяются:

• электродными проволоками;
• электродами большого сечения;
• плавящимся мундштуком.

С помощью электродных проволок

Процесс выполняется с применением проволочного электрода с диаметром сечения 2-3 мм без поперечных колебаний.

Скорость подачи проволоки в шлаковую ванну должна быть постоянной. Метод применяется при сварке металла толщиной до 50 мм.

Для сваривания металла большей толщины используется несколько электродных проволок. Электроды перемещаются возвратно-поступательным способом в перпендикулярном направлении к продольной оси свариваемого шва.

Использование электродов большого сечения

Применяют стержни и пластины круглого, квадратного или другого сечения. Размеры и количество электродов зависят от размеров соединяемых деталей, формы и величины завариваемых отверстий и полостей.

Способ преимущественно используется при большой толщине свариваемых элементов и высоте шва до 1 м.

Пластинчатый электрод по мере его оплавления опускается в шлаковую ванну, глубина которой составляет 20-25 мм. Образование шва происходит в результате соединения расплавления основного металла с расплавленным материалом пластин.

Применение плавящегося мундштука

Метод соединяет в себе сварку электродными проволоками и электродов большого сечения. В зазор между соединяемыми деталями устанавливается неподвижно стальная пластина (мундштук). Она имеет трубки или пазы, через которые пропускаются электродные проволоки.

Мундштук в процессе сварки остается неподвижным. В шлаковую ванну подаются электродные проволоки, которые расплавляются и заполняют зазор между соединяемыми элементами. Одновременно с проволокой происходит оплавление той части мундштука, которая находится в шлаковой ванне.

Размер мундштука и количество проволок выбираются в соответствии с размерами свариваемых деталей. Этот метод применяют при соединении элементов со сложным сечением и небольшой высотой швов. Плавящийся мундштук изготавливают с сечением такой же формы, как у соединяемых частей.

Технология сварки

Свариваемые детали устанавливают вертикально, оставляя достаточный зазор между кромками. Формирование металла шва происходит принудительно. В зону сварки подается проволочный электрод или стальная пластина (стержень) и флюс. Между проволокой и металлом в начале процесса горит дуга. После образования достаточного слоя жидкого флюса (шлаковой ванны) дуга гаснет, и прохождение электрического тока происходит только через флюс. Выделяющееся тепло способствует дальнейшему расплавлению флюса, проволочного электрода и кромок свариваемых материалов. Расплавленный металл образует сварочную ванну, стекая на дно шлаковой ванны.

Сварочная головка вместе с медными ползунами-кристаллизаторами перемещается по соединяемым деталям снизу вверх, удерживая их. Ползуны, формующие металл шва, охлаждаются через каналы, по которым циркулирует вода. Цель – обеспечение нормального формирования шва и предотвращение вытекания из плавильного пространства жидкого шлака и металла. По мере заполнения зазора пластины ползуна перемещаются вверх. Металл ванны охлаждается, происходит кристаллизация и образование сварного шва по всей высоте кромок соединяемых материалов.

Оборудование

Метод требует применения оборудования – сварочных аппаратов автоматического и полуавтоматического типа, станков и установок.

Сварочный автомат для шлаковой сварки содержит:

• источник питания;
• сварочную головку;
• устройства (ползуны) для принудительного удержания сварочной ванны;
• механизмы перемещения сварочного аппарата и электродов;
• элементы управления;
• катушки для проволоки;
• бункер для флюса;
• приборы контроля положения сварочной ванны.

Примерная стоимость сварочных аппаратов на Яндекс.маркет

Преимущества и недостатки

К положительным качествам способа относятся:

1. Возможность однопроходной сварки изделий, имеющих неограниченную толщину. Следствие – уменьшение трудоемкости сварочного процесса, удешевление производства, улучшение качества швов.
2. Отсутствие необходимости в специальной подготовке кромок деталей, что уменьшает объем подготовительных работ.
3. Расход флюса в 15-20 раз меньше по сравнению с электродуговой сваркой под флюсом.
4. Вертикальное положение процесса сварки не требует частой кантовки изделий.
5. Обеспечение равномерного провара кромок соединяемых элементов.
6. Отсутствие угловых деформаций на листах после сварки.
7. Высокая производительность.

• обязательная вертикальная ориентация шва;
• недопустимость прерывания сварочного процесса во избежание дефектов;
• необходимость установки дополнительного оборудования (ползуны, планки);
• крупнозернистая структура шва;
• необходимость термообработки готового изделия с целью улучшения прочности.

Электрошлаковая сварка

Аналоги подобных работ стали появляться вместе с развитием металлургической отрасли. Металлические изделия применялись в создании угольных и железных шахт, и в местах добычи полезных ископаемых. Однако удобного оборудования в то время не было, и части соединяли кузнечным методом.

В современном мире есть множество аппаратов, которые используют различные источники энергии. Однако, ввиду специфики, большинство из них используется редко. И шлаковый вариант попадает в эту категорию. Нет, низкая популярность не говорит о плохом качестве готовой продукции, просто процедура обладает своим своеобразие.

Особенности процесса сваривания и типы ЭШ сварки

Здесь к главному отличию относится отсутствие электрической дуги. Вся электроэнергия поступается в шлак, являющийся проводником. Благодаря такой реакции выделяется нужное для расплавки количество тепла. Специальный электрод погружают в подготовленную ёмкость с побочными продуктами. Здесь отсутствует горение дуги, но ток продолжает поступать через расплавленный шлак. Следует отметить, что у данных работ есть отличительные черты:

• расстояние между плитами, которые находятся в вертикальном положении;
• активная плоскость не контактирует с кислородом, поскольку вся площадь закрыта шлаком;
• электрошлаковая сварка сопровождается малым расходом флюса, и шов легируется электродной проволокой;
• сплав долго пребывает жидким, благодаря чему из состава испаряются лишние газы.

Сварные соединения, выполняемые электрошлаковой сваркой

Также присоединение звеньев протекает при помощи плоского электрода. Цилиндрические тоже можно эксплуатировать, но он доставит дополнительных трудностей. Чаще шов наносят сверху в низ, а между обоими предметами допускается наличие зазора. Но для правильности припайки в пустой промежуток помещаются медные ползунки имеющие свойства кристаллизации.

Важный момент! Сущность проведения электрошлаковой сварки заключается в расплавлении и последующем быстром охлаждении листов.

И если проводить такие манипуляции на открытом воздухе, то на поверхности способны появиться трещины. Но шлаковая субстанция защищает от подобных неприятностей.

Такая методика даёт возможность скреплять полосы неограниченной толщины, однако, исполнение работы невозможно в домашних условиях. Ведь весь механизм имеет большие габариты, а способы перемещения оборудования для электрошлаковой сварки подразумевают эксплуатацию рельсовых установок. А главным узлом является агрегат, подающий проволоку в соединительную зону.

Что касается дополнительных тонкостей, то жар, исходящий от ванны, оказывает влияние на прилегающие ко шву участки. Происходит такое из-за сильных перепадов температуры. Околошовные зоны делятся на несколько классов:

1. Перегрева. В этом месте зёрна основного металла значительно увеличиваются.
2. Участок полной перекристаллизации. Здесь протекают фазы превращения, но нагрева недостаточно для роста зерна.
3. Самая дальняя зона. Тут происходит снижение прочности зоны, которое можно исправить грядущей термообработкой.

Да, такая автоматическая сварка невозможна в частном хозяйстве, но человек может обзавестись электрошлаковой плавильней. Она не занимает много пространства, проста в использовании, а для исходного сырья можно использовать всё что угодно: ржавые железки, чистые куски сплавов, стружку и прочее.

Чтобы правильно пользоваться таким устройством, необходимо получить важные знания. В частности, про характеристики металлопроката. Например, пластины повышенной толщины, сделанные из чугуна, титана, меди, алюминия и их аналоги, отлично подходят для такой процедуры. Однако такой вариант не годиться для спайки тонких объектов. Что касается использования, то его проще понять по зарисовкам. Схема всего процесса электрошлаковой сварки позволяет понять всю технику и особенности применения агрегата.

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.

Способы сваривания

Все действия направлены на соединение узкого круга металлов, которые попадают под класс низкоуглеродных и среднеуглеродных. В исключительных случаях допускаются легированный тип. Также все плиты должны иметь достаточную толщу. Всего есть три разновидности современной электрошлаковой сварки:

• С применением непрерывной подачи присадочного электрода, направляющегося слева на право. Ход контакта носит возвратно-поступательный характер, что даёт высокую плотность взаимодействия;
• С эксплуатацией плоских контактов, заменяющих ползуны из медной материи. Этот подход сопровождается меньшим расходом присадок, но электроды повинны идеально подходить под форму заготовок;
• Третий – комбинация двух предыдущих видов. Здесь участвую сразу два вида контактов, где плоский зафиксирован на месте, а плавящийся подаётся в активную среду.

Каждый тип используется в зависимости от показателей будущего предмета и характеристик сплавляемой материи.

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.

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.

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.

Скачать ГОСТ 15164-78

Материалы и оборудование при проведении ЭШС

Одним из популярных станков для данной процедуры является А535. Он предназначен для однопроходной ЭШС с переменным электричеством. Но эта установка подойдёт для ограниченной электрошлаковой сварки.

Важно добавить, что приспособление отлично справится со спайкой кольцевых и продольных швов, диаметр которых будет не более 300 мм.

• напряжение сети – 380 В;
• частота тока – 50 Гц;
• количество стержней – 3 шт;
• диаметр проволоки – 3 мм;
• толщина металла – до 450 мм.

Аппарат для электрошлаковой сварки А535

Другое оборудование — А550. Электрошлаковая сварка с его помощью проходит по аналогичному сценарию, но тут отличаются его некоторые параметры и свойства. Некоторые производители предлагают изготовить модель по индивидуальному заказу, где его напряжение будет составлять 380 В, 415 В с частотой 50 Гц. Также можно задать высоту хода автомата, в зависимости от размеров заготовки.

Для улучшения качеств изделия могут добавляться различные присадки. Они также подаются напрямую в резервуар, где смешиваются с главным веществом и помогают на протяжении всего действия.

Преимущества и недостатки способа ЭШС

Ведущей положительной чертой этого воздействия является возможность сваривания предметов огромных габаритов. Благодаря открытию этой методики стало проще конструировать и ремонтировать массивные объекты. Другие положительные особенности процесса электрошлаковой сварки:

• высочайшие показатели производительности при работе с крупногабаритными пластинами;
• консервативное потребление электроэнергии и вспомогательных веществ из расчёта на 1 кг;
• прекрасное качество скрепления, которое наделено схожестью со структурой основного материала;
• нет нужды в разделывании кромок, что сильно облегчает подготовительные действия.

К описанию настоящих характеристик можно добавить, что эта манера является более экономной, и в теории можно сделать шов любой толщины за один проход.

Область применения

Область применения любой электрошлаковой сварки имеет узкий круг специализации. Чаще к ней прибегают в строительстве крупного транспорта, например, торговых судов. Также ЭШС помогает в строительстве массивных мостов, где качество соединения и прочность играют жизненно важную роль.

Конструкции, сваренные электрошлаковой сваркой

Именно такой манерой сваривают опорный волок толстолистового прокатного стана, вес которого составляет более 100 тонн, а сечение в несколько квадратных метров. В ходе исследования и совершенствования оказалось, что ЭШ сварку можно использовать в различных металлургических манипуляциях: электрошлаковый переплав. Отличие здесь в том, что ток подводится не к проволоке, а к электроду из переплавляемого материала. Само расплавленное вещество скапливается в ёмкости, которая охлаждается путём циркуляции воды.

Электрошлаковая сварка

Электродная сварка, получившая широкое распространение благодаря своей относительной простоте, не всегда способна обеспечить стабильное качество структуры сварного шва. Между тем, при изготовлении некоторых видов продукции именно эта характеристика имеет важное значение. Для того чтобы устранить существующий технологический недостаток, была разработана методика электрошлаковой сварки. Сокращённо её называют ЭШС.

Зри в корень

Сущность процесса заключается в том, что в подготовленный зазор между соединяемыми деталями помещают специальный химический состав – сварочный флюс, на который воздействуют с помощью электрической дуги. В результате нагрева флюс расплавляется, превращаясь в шлак, который защищает зону обработки от воздействия атмосферного воздуха. При использовании этой технологии расплавленный металл остывает медленно, что создаёт благоприятные условия для формирования качественной структуры соединительного шва. Понять, что такое электрошлаковая сварка, посмотрев видео, довольно сложно. Ведь в этом случае зрители получают представление лишь о внешней стороне процесса.

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.

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.

Достоинства

У электрошлаковой сварки есть ряд несомненных достоинств, которыми нельзя пренебрегать при организации производственных процессов.

• Возможность обеспечения стабильной и качественной структуры шва при соединении деталей, имеющих значительную массу и толщину.
• Нет нужды в предварительном снятии фасок на кромках и последующей обработке готового изделия для удаления шлака.
• В случае одновременного использования нескольких электродов появляется возможность наложения сварочного шва по всей длине за один проход, что существенно сокращает сроки работ и ускоряет производство.

Недостатки

Более широкому распространению технологии мешают её недостатки, а точнее – специфические особенности процесса.

• Таким способом удаётся сваривать только вертикальные швы, что допустимо только при изготовлении деталей относительно простой формы.
• Для создания необходимых условий плавления флюса и поддержания температуры шлака на заданном уровне требуется специальное оборудование.
• Метод не применим, если толщина листов соединяемого металла менее 16 мм. На самом деле, даже в этом случае экономическая эффективность электрошлаковой сварки остаётся под вопросом. Действительно оправданной она становится при работе с металлом толщиной 40 мм и более, а наивысшей эффективности достигает, когда этот показатель превышает 100 мм.

Важно знать!

Собираясь использовать эту технологию, нужно сначала здраво оценить все её достоинства и недостатки. Обязательно следует учесть ряд важных моментов.

• Поверхность металла в месте соединения необходимо тщательно очищать от грязи и окислений. В противном случае процесс плавления внутри шлаковой ванны будет протекать нестабильно.

• Для обеспечения наилучшего качества сварного соединения температура металла должна быть максимально приближена к температуре плавления.
• Появление дугового разряда в глубине шлаковой ванны или между её свободной поверхностью и электродом является распространённой причиной дефектов шва. Именно поэтому следует уделять особое внимание регулированию дуги.

Новые возможности

Нетрудно догадаться, что требующая наличия квалифицированного персонала, использования специального оборудования и имеющая ряд жёстких технологических ограничений, электрошлаковая сварка не может быть осуществлена в домашних условиях. Тем не менее, многие предприятия активно и вполне успешно применяют эту методику. Причин этому несколько.

• При правильной организации процесса структура соединительного шва максимально приближается к структуре соединяемого материала, благодаря чему обеспечивается высокая прочность готовых изделий.
• Эта прочность настолько велика, что во многих случаях технология электрошлаковой сварки позволяет отказаться от использования сложного оборудования, необходимого для отливки и ковки заготовок, а также их последующей обработки.
• По сравнению с другими способами сварки существенно снижается расход материалов. Это важно, поскольку именно стоимость материалов составляет значительную часть стоимости конечного продукта.

Станки точны, броня крепка!

Даже с учётом всех специфических особенностей, достоинств и недостатков, область применения ЭШС широка. Более того, благодаря разработке современного оборудования этой технологии находят даже в тех областях производства, где об этом ранее не помышляли.

• В тяжёлом машиностроении, где благодаря электрошлаковой сварке удаётся упростить производство сложных фундаментов и оснований. Раньше станину паровой турбины или высокоточного станка приходилось отливать, а иногда и ковать, тратя драгоценное время на длительную последующую обработку, при которой шла в отходы значительная часть материала. Сегодня подобную деталь можно заранее разбить на несколько более простых для изготовления и обработки частей, соединив их воедино с помощью ЭШС.
• В строительстве, когда необходимо надёжно срастить массивные балки несущих конструкций. Возведённые с помощью такой методики небоскрёбы стоят долго.
• При производстве бронетехники. Ведь, как уже было отмечено выше, именно электрошлаковая сварка используется для сваривания толстых броневых листов, защищающих экипажи и агрегаты боевых машин. Прочность такого соединения практически не отличается от прошедшего сложную обработку материала, способного противостоять различным средствам поражения.

Проверенная годами технология постоянно совершенствуется и, вполне возможно, что когда вы прочитаете эту статью, она уже выйдет на новый уровень!

Свойства и применение электрошлаковой сварки

Достаточно оригинальный и не всем известный метод сварного соединения металлических деталей – электрошлаковая сварка. Она предназначается для изготовления вертикальных (преимущественно) сварных швов. Вертикальный шов, особенно на толстом металле, в силу многих причин требует особого подхода.

Понятие процесса

Сущность процесса электрошлаковой сварки (ЭШС) состоит в том, что в зазор между торцами соединяемых деталей помещают шлаковую массу, которую расплавляют путем включения электрической дуги между электродом и самой деталью.

В расплавленную массу шлака подается присадочный металл, который, в свою очередь, начинает плавиться вместе с металлом по краям соединяемых деталей.

Жидкий металл тяжелее жидкого шлака, поэтому он опускается вниз, вытесняя шлаковую массу. В нижней части зазора он застывает, а расплавленная масса поднимается вверх — так заваривается вертикальный шов.

В отличие от более традиционных видов электросварки здесь первоначальному нагреву и расплавлению электрической дугой подвергается именно шлак, а не присадочный и основной металл. Температура плавления шлака должна быть существенно выше температуры плавления металла.

После того, как шлак расплавляется, он шунтирует (гасит) электрическую дугу, но подача тока не прекращается. Прохождение тока через шлаковую массу с оптимально подобранными параметрами тепло- и электропроводности вызывает стабильный и равномерный прогрев ее до высоких температур.

Отличить шлак от металла очень легко по его цвету и консистенции. В конце процесса сварки он легко отделяется от монолитного соединения.

Во избежание вытекания расплава на зазоры ставят защитное ограждение — ползуны, постоянно охлаждаемые водой. Во время электрошлакового сварочного процесса они медленно поднимаются вверх.

Уникальные свойства

Примененный принцип «косвенного расплава» определяет уникальные свойства процесса. Особенности, являющиеся преимуществами, состоят в следующем:

• защита шва от атмосферного воздуха жидким шлаком, заключенная в самом принципе электрошлаковой технологии;
• изменение плотности тока при сварке этим способом меньше влияет на качество шва, чем при сварке дугой;
• некритичность кратковременного прерывания подачи тока в процессе;
• возможность варить швы любой толщины за один проход;
• возможность подвергать сварке необработанные края деталей;
• малый расход электроэнергии;
• небольшая стоимость расходников — шлаков;
• высокий КПД.

Кроме того, стоит отметить, что электрошлаковая сварка производится на переменном, а не постоянном токе.

Но у ЭШС есть и недостатки. Этим способом варят только вертикальные швы, либо швы под острым углом к вертикали (основная причина малой распространенности электрошлакового метода).

Начатый процесс нельзя прекращать на середине, иначе возникают дефекты, которые могут быть устранены только разрывом шва и проведением работ заново.

Металл шва имеет крупнозернистую структуру, поэтому детали с таким соединением не предназначены для использования при отрицательных температурах — они становятся ломкими.

Сварочный электрошлаковый процесс требует большого количества оборудования, начиная от медных ползунов, которые должны максимально плотно прижиматься к шву (их отхода допускать нельзя) до иных вспомогательных деталей стартового кармана. Минимальная толщина стыков составляет 20 мм.

Способы сваривания

Электрошлаковая сварка подходит не для всех металлов, но ее область применения нельзя назвать узкой. Ее используют обычно для соединения низкоуглеродных и среднеуглеродных сталей, чугуна, цветных металлов (вплоть до титана и алюминия), реже — для легированных сталей.

Применяют при производстве массивных, крупногабаритных деталей (толщина порядка 100-600 мм), переплавке отходов.

На практике используется 3 основных методики сварки. Первая подразумевает непрерывную подачу в расплав присадочного электрода, направляемого в горизонтальной плоскости. Движение электрода носит возвратно-поступательный характер, чтобы обеспечивалась максимальная плотность контакта.

Вторая электрошлаковая методика — это сварка габаритными пластинчатыми электродами, которые фактически заменяют собой медные ползуны.

В этом случае присадка используется в меньшей степени — электроды сами плотно перекрывают зазор и обеспечивают эффективный расплав: торцы деталей соединяются без присадки. Но в этом случае электроды должны быть подогнаны по форме к деталям, это узкоспециализированный способ.

Третья методика основана на соединении первых двух. В ней присутствует и пластинчатый электрод, и особый плавящийся электрод. Первый во время всего процесса электрошлаковой сварки остается неподвижным, второй подается в зону расплава и является, по сути своей, присадкой.

Обратите внимание, что химический состав присадки должен быть аналогичен составу основных металлов.

Также существуют два разных принципа работы установок электрошлаковой сварки. Устройства, в которых реализован первый способ, работают с твердой шлаковой смесью, которую самостоятельно расплавляют. Установки, работающие по второму принципу, используют жидкую, предварительно расплавленную в печи смесь.

Первым для начала работы необходим более мощный пусковой ток, потому что много энергии тратится на доведение шлака до жидкого состояния. Вторым, соответственно, требуется находящаяся неподалеку плавильная печь.

Какие применяют флюсы

Флюс — это, собственно, и есть шлак, основное рабочее вещество электрошлаковой сварки. К нему выдвигаются определенные требования. Флюсы должны обеспечивать:

• максимально быстрый запуск процесса электрошлаковой сварки при любом напряжении (спектр рабочих напряжений достаточно широк);
• максимально эффективное проплавление кромок;
• максимально прочный шов;
• легкое удаление с поверхности после окончания варки.

Для каждого вида металлов предназначены свои флюсы. Так, низколегированные стали и стали с повышенным содержанием углерода варятся с помощью флюсов АН-8, АН-22 или АН-47. Для нержавейки — АН-45.

Для высоколегированных стальных сплавов применяется АН-9, АНФ-1 и АНФ-7. Чаще всего рассматриваемый вид сварки применяют на производстве, в бытовых условиях он встречается редко.