Аппаратура и источники питания для электрошлаковой сварки и наплавки

Электрошлаковая сварка (ЭШС) применяется для массового вертикального соединения металлических деталей. Способ при невысокой себестоимости помогает получать качественные швы. Флюс защищает расплавленный материал от окисления, способствует лучшему прогреву металла. Плавящийся электрод или присадочная проволока являются легирующим компонентом.

ЭШС применяют для сварки вертикальных объектов.

Особенности электрошлаковой сварки

Отсутствие дуги – главный отличительный признак этого метода. Электроэнергия передается шлаку, считающемуся проводником. Это способствует выделению нужного для расплавления тепла. Перед началом работы специальный электрод помещают в емкость с побочными продуктами. Способ сварки имеет такие особенности:

• большое расстояние между деталями, расположенными вертикально;
• отсутствие контакта сварочной ванны с кислородом (вся площадь остается под шлаком);
• небольшой расход флюса, легирование соединения плавящимся электродом;
• длительное пребывание шва в жидком состоянии, способствующее испарению газов.

Суть процесса

Сущность технологии заключается в передаче тока шлаку, а от него – электроду и кромкам деталей. Стабильность процесса обеспечивается постоянной температурой, которая может достигать 1900-2000 °C.

Большая часть тепла попадает в сварочную ванну, далее энергия поступает к краям деталей.

Основные схемы

Электрошлаковый метод используют не только для соединения деталей, но и для отлива, наплавки. Сварку выполняют плавящимися электродами или мундштуками, присадочными прутками большого диаметра. Существует 6 основных схем работы, которые можно увидеть на изображении.

Стоит рассмотреть особенности каждого варианта:

1. Первые 2 способа считаются самыми распространенными. Их применяют для соединения заготовок высотой 2-4,5 см с помощью присадки диаметром 3 мм.
2. Третья схема может использоваться для сварки более массивных конструкций. Толщина каждой детали может достигать 12 см.
3. Четвертый вариант отличается высокой производительностью.
4. Пятая схема относится к категории узконаправленных методов. Ее используют при работе с низколегированными сталями. Высота листа может достигать 10 см.
5. Шестая схема предназначена для создания габаритных конструкций без дальнейшей термической обработки. Толщина свариваемых заготовок может составлять до 6 см. Способ помогает получить прочный однородный шов.

Схема процесса сварки.

Типы сварных швов и соединений

Технология ЭШС позволяет варить детали, находящиеся в разных пространственных положениях. Самыми используемыми считаются следующие виды швов:

1. Стыковые соединения. Между деталями оставляют небольшое расстояние, что считается главной особенностью электрошлаковой технологии. Порядок разделки кромок и формирования сварных швов регулируется ГОСТ 15164. При сварке встык разных по толщине деталей утончают более толстый край. Допускается приваривание металлической пластины к менее массивной заготовке.
2. Тавровые и угловые соединения. Применяются реже, чем стыковые. При использовании плавящегося мундштука сварные кромки разделывают K- или V-образным способом.
3. Прямолинейные соединения. Выполняются в вертикальном положении. Допускается небольшой наклон.
4. Кольцевые швы. Используются при работе со сферическими или цилиндрическими заготовками.

Рекомендуем к прочтению Что такое сварка TIG

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.

Сферы применения

Технология считается узкоспециализированной. Ее применяют в судо- и автомобилестроении, создании мостов и других массивных конструкций. С помощью ЭШС сваривают опорные элементы прокатных станков, вес которых достигает 100 т. Технология может применяться при электрошлаковом переплаве. Ток в этом случае поступает не к присадочной проволоке, а к расплавляемому материалу. ЭШС не используют для:

• работы с тонкостенными элементами, которые под шлаком полностью расплавляются;
• формирования разнонаправленных соединений;
• сварки слишком массивных деталей, которые невозможно охватить ползунами.

Термические классы

Дуговая

Именно этот вид сварочных технологий чаще всего «работает» на строительных площадках и на промышленных объектах. Электрический разряд прогревается до такой степени, которая совершенно недоступна даже самым лучшим газовым горелкам. Под влиянием дуги образуется сварочная ванна, при последующем застывании которой генерируется сварной шов. Но за этой кажущейся простотой стоит очень тщательная работа, а ошибка сварщика может привести к очень неприятным последствиям

Дуговая сварка бывает:

• ручной;
• частично автоматизированной;
• полностью автоматизированной (чем выше степень автоматизации, тем больше требования к квалификации исполнителей и качеству оборудования).

Газовая

Существуют различные методы сваривания горючим газом. Но все они, какой бы газ не использовался, и какая бы задача не решалась, однозначно опережают электросварку по мобильности и гибкости. Вести работу можно практически в любом месте, где удастся поставить баллоны, протянуть шланги. При этом, однако, даже самое массовое сочетание ацетилена и кислорода дороже, чем электричество. Другие газы стоят еще больше.

Важно — газовая сварка гораздо результативнее дуговой по отношению к:

• медным;
• свинцовым;
• чугунным;
• латунным изделиям и конструкциям

Типы электрошлаковой сварки

Способы различаются видами присадочных материалов и способами их подачи.

С электродными проволоками

Материал выбирают с учетом типа сварочного аппарата, характеристик соединяемых металлов. Проволока поступает в пространство между деталями медленно. Ее подают сверху вниз, следуя за передвигающимися электродами.

Электрошлаковая сварка с электродными проволоками.

С электродами большого сечения

В процессе сварки используются круглые или прямоугольные элементы увеличенного диаметра. Их придвигают к зазору по мере формирования расплава. В отличие от проволоки, электроды увеличенного сечения быстро образуют большой объем шовного материала.

С плавящимся мундштуком

Технология объединяет 2 предыдущих способа. Токопроводящие пластины устанавливают в положение, способствующее быстрому нагреву флюса. По направляющему мундштуку в сварочную ванну поступает проволока. Способ предназначен для формирования криволинейных соединений.

Электрошлаковая сварка с использованием мундштука.

Разновидности

При соединении 2 деталей, между поверхностями зазора которых имеется зазор, производится сварка. Она разделяется на виды по типу токоподающего элемента, его формы и конструкции. Различают разновидности:

• одноэлектродная,
• многоэлектродная,
• с проволокой,
• пластинами,
• плавящимся мундштуком,
• плоские.

Сварка одной токоподающей проволокой применяется для соединения тонких листов на автоматах и полуавтоматах.

Плоские электроды применяются для наплавки металла на поверхность детали. Ток подающая грань у них плоская, широкая, расположены в шлаковой ванне параллельно плоскости детали. Плоский электрод за один проход закрывает наплавляемым металлом широкую полосу детали.

С проволокой

Проволочных электродов может быть от 1 до 3. Они с постоянной скоростью подаются в шлаковую ванну. При соединении стыка большой ширины могут совершать зигзагообразное перемещение перпендикулярно оси шва.

Ток подается непосредственно на саму проволоку и проходит через флюс, нагревая его и расплавляя сам провод-электрод.

С пластинами

Широкие пластины по размеру зазора применяют для сварки больших деталей. Присадочная проволока подается сбоку или прокладывается по дну шва. Электрод опускается в ванну и перемешается вдоль шва, погруженный в флюс.

С плавящимся мундштуком

Мундштук представляет собой пластину, погруженную в шлак, по каналам внутри которой подается проволока в плавильную ванну. Она движется с постоянной скоростью. В зависимости от ширины шва, отверстий для проволоки может быть 2 или 3.

Мундштук может быть широким только в нижней части и иметь любую форму. Проволока подается по стержню, установленному на основании плавящегося мундштука перпендикулярно. Внешне деталь представляет собой перевернутую букву Т с одной или несколькими ножками. Скорость сварки при этом не уменьшается.

Подготовительные работы

Сварку начинают с выбора присадочных материалов и оборудования. После этого подготавливают детали к соединению.

Выбор сварочных материалов

Типы используемых для ЭШС проволок можно изучить с помощью таблицы:

Вид стали	Марка присадочного материала
Конструкционная	СВ-08А, СВ-08ГА
Среднеуглеродистая литая	СВ-10Г2С, СВ-10Г2
Котельная	СВ-10Г2С, СВ-10Г2
Среднеуглеродистая кованая	СВ-10Г2
Низколегированная	СВ-10Г2С, 18ХМА, СВ-08-Г2С, СВ-08ХН2М
Среднелегированная	СВ-08Х3Г2СМ, СВ-20ХН3МФ
Высоколегированная	СВ-04Х19Н11М3

Все представленные в таблице материалы можно варить с применением флюсов АН-99, АН-8. При соединении сталей 08Х18Н10Т и 25ХН3МФА используют материал марки 48-ОФ-6.

Выбор режимов

Главными показателями являются:

• сила тока, I;
• снижение напряжения между шлаковой ванной и электродом, U;
• скорость поступления проволоки, Vе;
• скорость ведения электрода, Vсв;
• глубина шлаковой ванны, h;
• вылет проволоки, L;
• скорость колебаний электрода, Vk;
• число стержней, n;
• сечение электрода.

Формула для расчета силы тока

Для расчета силы тока применяют формулу I=(0,22Ve 90)n 1,2(Vсв 0,48Vп)ab, где a и b – высота и ширина заготовок. Скорость подачи присадки составляет: Vе= VсвF/S. Показатели Vk, L, h являются постоянными.

Выбор количества электродных проволок

Параметр зависит от габаритов свариваемых заготовок. Если толщина не превышает 5 см, работают с 1 проволокой. 2 электрода требуются, когда параметр составляет 5-12 см. При сварке более массивных элементов применяют 3 проволоки.

Рекомендуем к прочтению Описание процесса термитной сварки

Подготовка изделий

Перед началом работы торцы деталей очищают от ржавчины, оксидной пленки. Для этого используют специальные шлифовальные машины. Кромкам придают нужные формы и размеры. Рекомендуют устанавливать детали с клиновидным зазором, увеличивающимся кверху. Угол раскрытия выбирают с учетом способа сварки и фиксации заготовок. Показатель чаще всего составляет 1-2°. Детали закрепляют планками или скобами, привариваемыми вдоль стыка. После завершения сварки фиксаторы срезают газоплазменным способом.

Технология электрошлаковой сварки

Процесс расплавления кромок деталей начинается после подачи флюса в сварочную ванну. Обрабатываемая область нагревается до нужной температуры. Существуют 2 метода создания шлаковой ванны:

1. Твердый старт. Плавление начинается за счет горения электрической дуги. Нужные характеристики ванны поддерживают, подсыпая шлак.
2. Жидкий старт. В рабочую зону подают расплавленный флюс. Материал предварительно нагревают в печи.

Схема процесса ЭШС.

При использовании первого метода наблюдается повышенный расход электроэнергии из-за необходимости увеличения силы тока. Дно планки нужно засыпать металлическим порошком, требующимся для возбуждения дуги. В процессе нужно контролировать состояние расходных материалов, регулярно добавлять их.

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.

Применяемое оборудование

Чаще всего для сварки электрошлаковым методом используют станок А535. Он работает с переменным током, подходит для создания продольных или кольцевых швов шириной не более 30 см. Аппарат имеет такие технические характеристики:

• толщина свариваемых заготовок – до 45 см;
• способ питания – подключение к сети 380 В;
• число электродов – 3;
• частота тока – 50 Гц;
• диаметр присадочной проволоки – 3 мм.

Реже используется станок А550. Сварка ведется тем же способом, что и при работе с предыдущим агрегатом. Однако технические характеристики станков несколько отличаются. В А550 устанавливают высоту хода автоматических ползунов, зависящую от толщины деталей.

Контроль качества

Появление дефектов ухудшает качество сварного соединения, делая его менее прочным. Для обнаружения недостатков предназначены специальные методы.

Как проводится контроль качества сварных соединений

Характерные дефекты

При работе по технологии ЭШС сварные соединения могут приобретать такие недостатки:

1. Горячие трещины. Возникают при работе с любыми видами сталей. Однако наиболее подвержены трещинам высокоуглеродистые сплавы. Способствует появлению дефектов и высокая скорость сварки при жесткой фиксации деталей.
2. Холодные трещины. Появляются при соединении заготовок из среднелегированных сталей с ферритовой присадкой. Предотвратить появление дефектов помогает уменьшение глубины ванны, равномерный провар соединения.
3. Иные дефекты. К ним относятся посторонние включения, поры, непровары. Появляются при несоблюдении правил сварки.

Рекомендуем к прочтению Особенности импульсной сварки

Способы контроля сварных швов

Соединения, получаемые в результате ЭШС, требуют комплексного исследования. Применяют такие методы контроля:

• внешний осмотр;
• ультразвуковое сканирование;
• магнитная дефектоскопия;
• рентгенологический контроль;
• радиационная дефектоскопия.

Ультразвуковое сканирование швов.

Преимущества и недостатки

К положительным качествам технологии относятся:

1. Защищенность металла от окисления. Нет необходимости использовать аргон или другой газ.
2. Равномерный разогрев, медленное остывание деталей. Повышение температуры начинается с флюсового слоя. Шлаковое покрытие поддерживает стабильный уровень нагрева. Это положительно влияет на качество шва.
3. Минимальное влияние силы тока на процесс формирования соединения. Прогрев происходит не из-за дуги, а благодаря шлаку. Расплавление не прекращается после отключения станка от электросети.
4. Возможность сваривания толстых деталей за 1 проход. Необходимость формирования многослойных швов отсутствует. При использовании 2 электродов можно соединять заготовки толщиной более 20 см.
5. Минимальный расход шлака. Объем материала не превышает 5% от массы металла. Затрачивается небольшое количество энергии. Потери, свойственные другим технологиям сварки, отсутствуют.
6. Высокий КПД. При минимальных денежных вложениях можно выполнять объемные сварочные работы.
7. Автоматизация большей части сварочных процессов.
8. Сокращение длительности подготовительного этапа. Необязательно разделывать кромки. Зазор между деталями заполняется расплавом.

К недостаткам метода можно отнести:

• невозможность формирования некоторых видов швов (способом ЭШС выполняют лишь вертикальные или подобные им соединения);
• непрерывность процесса;
• зернистость корневого слоя, снижающая прочность шва.

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.

Дополнительная информация

Параметры шва (ширину, глубину, внешний вид) можно менять, используя тот или иной режим. Главными факторами считаются:

• места установки электродов;
• скорость ведения сварки;
• число электродов;
• электрические параметры.

Дополнительные величины должны устанавливаться в соответствии с основными. Малейшие изменения отражаются на свойствах шва. При небольшой удельной силе тока электрошлаковая сварка протекает стабильно. С ее помощью можно соединять стержни с металлическими листами.

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.