Сущность процесса. Электрошлаковая сварка—принципиально новый способ соединения металлов, разработанный коллективом Института электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, — выдающееся достижение отечественной сварочной науки и техники пятидесятых годов нашего столетия.

В отличие от других способов сварки плавлением при электрошлаковой сварке источником нагрева служит тепло, выделяющееся в ванне расплавленного флюса при прохождении через нее тока от электрода к изделию,

Электрошлаковая сварка нашла применение при изготовлении конструкций из стали различных классов и марок, никелевых сплавов, титана, алюминия, меди и сплавов на их основе. Диапазон свариваемых толщин 8—2500 мм. В принципе электрошлаковым процессом можно соединять металл неограниченной толщины.

Электрошлаковая сварка послужила основой для разработки ряда новых тех­нологических процессов, выходящих за рамки сварочного производства: электро­шлаковая подпитка слитков и отливок, уменьшающая в несколько раз расход металла на прибыли; электрошлаковый переплав, резко улучшающий качество металла по сравнению с мартеновским и конверторным того же состава; электро­шлаковая отливка.

Описание процесса (рис. 115). Шлаковая ванна 3 образуется в ре­зультате расплавления сварочного флюса и находится в расплавленном состоянии

в течение всего процесса сварки. Сварочный ток, проходя через шлаковую ванну 3 между погружен­ными в нее электродами 1 и металлической ванной 4, поддерживает высокую температуру и электропро­водность шлака. Объем и глубину шлаковой ванны сохраняют, как правило, постоянными. Для этого зазор между свариваемыми кромками закрывают с боков формирующими водоохлаждаемыми устрой­ствами 2 (ползунами, накладками) или остающи­мися стальными пластинами. Металлическая ван­на 4, кристаллизуясь, образует сварной шов 5.

При электрошлаковой сварке большая часть тепла выделяется в шлаковой ванне. Вместе с тем часть электрической энергии превращается в тепло­вую в вылете электрода — на том его участке, который выступает за контактные точки токопод­водящего устройства. Выделение тепла в самой шлаковой ванне неравномерно в разных ее частях. Это объясняется прежде всего тем, что в шлаковой ванне электрический ток протекает между электродом и металлической ван­ной по усеченному конусу с основанием на металлической ванне и вершиной на электроде.

Другая причина. указанного явления состоит в том, что температура шлака не одинакова по глубине ванны. Она наименьшая на поверхности шлаковой ванны
и наибольшая вблизи торца погруженного в шлак электрода. Неравномерность температуры шлака настолько велика, что ее не выравнивает интенсивная кон­векция (рис. 116). В обратной зависимости от температуры находится активное сопротивление шлаковой ванны.

Полную тепловую мощность электрошлакового процесса определяют по формуле

Р с/с>

где Uc — суммарное падение напряжения на вылете электрода и в шлаковой ванне (напряжение сварки); /с — сварочный ток.

117. Схема потоков:

91 И <7г — тепло, выделяемое в омическом сопротивлении электрода между точкой то* коподвода и местом плавле­ния (для удобства измерения его разделяют на тепло qі, выделяемое в сухом вылете,

И тепло 92, выделяемое в по­груженной части электрода);

9з — тепло, выделяемое в шлаковой ванне при прохож­дении через нее тока, явля­ющееся основной статьей приходной части теплового баланса шлаковой ванны и общего баланса; ^ и qb — тепло, выделяемое соответ­ственно в расплавленном ме­талле при замыкании элек­трода с металлической ван­ной через капли и в сопро­тивлении растекания метал­лической ванны; qt — тепло, поступающее в электрод от шлаковой ванны путем теп­лопередачи; 9? — тепло, по­ступающее э расплавленный

металл (в капли) во время его переноса через шлаковую ванну; 9s — тепло, переда­ваемое от шлаковой ванны в металлическую ванну; 9» — тепло, передаваемое шлаком основному металлу выше места начала плавления кромок (между уровнями А и Б); 9ю — тепло, передаваемое основному металлу через оплавляемые кромки выше уровня начала кристаллизации, т. е. уровня максимальной ширины изотермы плавления (между уровнями Б н В); qlt — тепло, передаваемое через закристаллизовавшийся металл к основному металлу ниже уровня начала кристаллизации (ниже уровняВ); q 1г— потери тепла на излучение с поверхности шлаковой ванны; ql3 — отвод тепла в ползуны от шла­ковой ванны; qlt — отвод тепла в ползуны от шва и основного металла; q13 и q 1в — тепло, поступающее от металлической ванны к расплавляемому металлу через шлак и соот­ветственно кружным путем, через металл; q 17 — тепло, выделяющееся при кристал­лизации расплавленного основного металла; qu — тепло, рассеивающееся в основном металле выше уровня плавления и не участвующее в плавлении кромок

При установившемся процессе сварки количество теплоты, выделяемой в шла­ковой ванне, должно быть равно количеству теплоты, отдаваемой ванной. Расход­ная часть теплового баланса слагается из расхода теплоты на плавление электрод­ного и основного металлов и флюса, на теплоотвод в массу основного металла и в формирующие устройства, а также излучение от зеркала шлаковой ванны. В качестве примера на рис. 117 по данным Г. 3. Волошкевича приведена схема теплового баланса для случая электрошлаковой сварки металла толщиной 100 мм. Повышенный по сравнению с дуговой сваркой отвод тепла в основной металл обусловливается меньшей концентрацией нагрева, свойственной электрошлако — вому процессу. Это явление представляется для большинства случаев сварки нежелательным, так как вызывает увеличение длительности пребывания металла
шва и околошовной зоны выше температуры интенсивного роста первичного зерна (для стали — выше Ас3) и тем самым приводит к перегреву металла и ухудшению механических свойств.

При толщине свариваемого металла <300 мм увеличивается доля тепла, те­ряемого на теплоотвод в формирующие устройства. В связи с этим при электро — шлаковой сварке металла относительно малой толщины (<50 мм) существенно уменьшается перегрев основного металла и, следовательно, повышаются механи­ческие свойства сварного соединения.

Использование энергии для плавления электрода при электрошлаковой сварке более эффективно, чем при электродуговой сварке. Об этом свидетель­ствует меньшее количество энергии, расходуемой на расплавление равного коли­чества электродной проволоки при электрошлаковой сварке по сравнению с элек — тродуговой сваркой под флюсом и в струе углекислого газа (рис. 118). Указанную

закономерность можно объяснить сле­дующим.

При электрошлаковой сварке нет необходимости расплавлять вместе с элек­тродом все новые и новые порции свароч­ного флюса, так как заданное количество флюса расплавляют только в начале про­цесса. В дальнейшем объем шлаковой ванны сохраняют постоянным.

Параметры режима элек­трошлаковой сварки и их влияние на размеры и фор­му металлической ванны приведены на рис. 115. Влияние па­раметров режима при вертикальной электрошлаковой сварке на размеры и форму металлической ванны изу­чено достаточно подробно (табл. 44). Уста­новлено, что при увеличении силы сва­рочного тока (и соответственно — скоро­сти подачи электродов) ширина металли­ческой ванны Ьм вначале увеличивает­ся, а затем уменьшается. Максимальная ширина металлической ванны зависит от соотношения толщины свариваемого металла, зазора между свариваемыми кромками и параметров режима сварки. Уменьшение ширины металлической ванны связано с двумя процессами. Во-пер­вых, устанавливается динамическое равновесие между количеством тепла, поступа­ющего к свариваемым кромкам от перегретой металлической ванны, и количеством тепла, усваиваемого основным металлом. Во-вторых, увеличение скорости подачи электродной проволоки, а следовательно, и скорости сварки, опережает увели­чение мощности процесса (см. рис. 118), вследствие чего погонная энергия свар­ки Pjvc уменьшается.

Глубина металлической ванны с увеличением силы тока увеличивается моно­тонно. При определенном значении силы тока глубина металлической ванны ста­новится критической, и в сварном шве могут появиться кристаллизационные трещины.

Причина таких трещин состоит в том, что при глубокой металлической ванне коэффициент формы ванны ф становится меньше допустимого, кристаллиты шва с обеих оплавленных кромок растут встречно к центру шва и соединяются там, образуя плоскость слабины. 3ta> место шва обладает наименьшей пластичностью в температурном интервале хрупкости, и вследствие деформаций растяжения при охлаждении шва и околошовной зоны здесь происходит образование несплош — ности — кристаллизационной трещины (рис. 119). Допустимая величина коэф­фициента формы, ванны а следовательно, и допустимая величина силы свароч —

ного тока /Сзависят от нескольких факторов: толщины свариваемого металла, его химического состава и состава сварочных материалов, жесткости закрепления деталей.

44. Влияние параметров режима при вертикальной электрошлаковой сварке на размеры и форму шва

Параметры размеров шва

Параметры режима сварки (ивменение в сторону увеличения)

Скорость подачи электрода V, м/ч, и ток /, А

Толщина ме­талла на электрод 6/п

Напряжение

сварки

Uc

V < 200 I < 400

v > 200 I > 400

Глубина металлической ванны А

Увеличивается

Уменьшается

Незначительно

увеличивается

Ширина металлической ванны А

м

Увеличивается

Уменьшается

Незначительно

уменьшается

Увеличивается

Коэффициент формы ванны ф = -~-

к

Незначительно

уменьшается

Увеличивается

Доля основного метал­ла в металле шва у. %

Незначительно

увеличивается

Незначительно

уменьшается

Параметры размеров шва

Параметры режима сварки (Изменение в сторону увеличения)

Скорость

поперечного

перемещения

электрода

Глубина

шлаковой

ванны

hs

Вылет

электрода

L

Зазор между кромками А

Глубина металлической ванны Ам

Не изменяется

Незначительно

уменьшается

Уменьшается

Не изменяется

Ширина металлической ванны А

м

Уменьшается

Уменьшается

Не изменяется

Увеличивается

Коэффициент формы А

ванны ф = —

hM

Незначительно

увеличивается

Доля основного метал­ла в металле шва у, %

Не изменяется

На практике величина ф= 1,25-г — 10 (среднее значение 1,5—4). Верхний предел соответствует наиболее неблагоприятным условиям сварки: большой толщине свариваемого металла (более 500 мм), жесткому закреплению, повышен­ному содержанию углерода в основном металле (более 0,21%) и т. д.

Зависимость коэффициента ф от силы тока определяют опытным путем. До­пустимая сила тока ограничивает и допустимую скорость сварки, поскольку по*
следняя прямо зависит от силы тока. Практически установлено, что из условия технологической прочности (предотвращения кристаллизационных трещин) ско­рость электрошлаковой сварки металла относительно малых толщин (менее 50 мм) не должна превышать 4 м/ч, относительно больших толщин (более 100 мм) — 0,5 м/ч.

Увеличение сварочного напряжения вызывает увеличение ширины металли­ческой ванны. Наоборот, при уменьшении напряжения ниже определенного зна­чения ширина металлической ванны может стать меньше ширины зазора между кромками, и образуется непровар. Глубина металлической ванны с изменением напряжения Uc изменяется незначительно. С увеличением ширины зазора между свариваемыми кромками ширина металлической ванны увеличивается, а глубина не изменяется. С увеличением глубины шлаковой ванны ширина металлической

Рис. 119. Образование кристалли­зационных трещин в металле шва в зависимости от коэффициента формы металлической ванны

а) > 1,25; б) я|> < 1,25 ванны уменьшается. В практике сварки глубина шлаковой ванны находится в пре­делах 30—70 мм. В зависимости от соотношения vcn/б при вылете 70 мм, зазоре 24 мм и скорости возвратно-поступательного перемещения электродов вдоль за­зора 40 м/ч глубина шлаковой ванны рекомендуется следующая:

Отношение vcn/Q, м/ч — мм…………………………………………………………………………….. 1 1,5 2 3 4 5

Глубина шлаковой ванны, мм……………………………………………………………………….. 35 40 45 50 55 60

Глубина металлической ванны с увеличением глубины шлаковой ванны не­значительно уменьшается. С увеличением числа электродов ширина шва заметно увеличивается, что объясняется увеличением мощности и рассредоточением источ­ника нагрева по толщине свариваемых кромок. Увеличивается и глубина метал­лической ванны.

С увеличением скорости возвратно-поступательного перемещения электродов вдоль зазора между кромками ширина уменьшается, однако чем больше скорость подачи электродов, тем большей, при прочих равных условиях, может быть ско­рость колебаний, не вызывающая появления непроваров. С увеличением скорости перемещения электродов и длительности их остановок в крайних положениях кромки оплавляются равномернее, с меньшими характерными уширениями ванны посредине ее длины и сужениями вблизи формирующих устройств.

Дополнительные параметры режима сварки воздействуют на размеры и форму металлической ванны следующим образом. С увеличением диаметра электрода при прочих постоянных параметрах незначительно уменьшается глубина метал­лической ванны и увеличивается ее ширина. Влияние вылета электрода опре­деляется его подогревом при прохождении тока. С увеличением вылета электрода уменьшается при постоянной скорости подачи сила сварочного тока. Вследствие этого ширина и глубина металлической ванны заметно уменьшаются. Подобным образом действует дополнительный подогрев электрода током от постороннего источника. Увеличение скорости подачи электрода действует аналогично увели­чению силы тока. Увеличение расстояния между электродами действует обратно увеличению их числа.

Уменьшение минимального расстояния Д2, на которое электрод приближается к формирующему устройству при возвратно-поступательном перемещении вдоль зазора между свариваемыми кромками, способствует выравниванию ширины и глубины металлической ванны вблизи формирующих устройств, и уменьшает тенденцию роста кристаллов к центру шва благодаря рассредоточению источников тепла и смещению его частей к формирующим устройствам. Технологический прием, заключающийся в размещении электродных проволок вблизи формирую­щих устройств, позволил существенно повысить скорость сварки.

Помимо коэффициента формы ванны, характеристикой формы шва служит высота усиления шва. Она зависит от величины углубления в формирующих канавках ползунов или накладок и принимается равной 1,5—2,0 мм при сварке изделий без последующей механической обработки и 8—10 мм при необходимости последней.

Условия устойчивости электрошлакового про­цесса. Электрошлаковый процесс протекает одинаково устойчиво как на по­стоянном, так и на переменном токе. Он устойчив в весьма широком диапазоне плотности тока (0,2—250 А/мм2). Высо­

кая устойчивость электрошлакового процесса обусловлена прежде всего большой тепловой инерцией шлаковой ванны.

Специфичность среды, в которой проте­кает процесс, накладывает на него опреде­ленные ограничения.

Устойчивость электрошлакового процес­са обусловливается факторами, которые могут быть отнесены к двум категориям: первая охватывает условия протекания элек­трических и тепловых процессов в шлаковой ванне; вторая касается плавления электрода.

Электрошлаковый процесс будет устой­чивым, если он в течение значительного вре­мени существует непрерывно при заданных значениях тока и напряжения. Естественно поэтому заключить, что одним из основных условий устойчивости ЭШС является сохранение постоянства напряжения свар­ки при заданной силе тока. Графически это условие выражается пересече­нием вольт-амперных характеристик шлаковой ванны, источника питания и сварочной головки в заданной точке, соответствующей параметрам режима сварки (рис. 120).

Вольт-амперная характеристика шлаковой ванны 2 представляет собой па­дающую кривую, характер которой обусловливается резкой зависимостью про­водимости шлака от его температуры.

Вольт-амперная характеристика источника тока 1 может быть возрастаю­щей, жесткой, пологопадающей и крутопадающей. Характеристика источника тока принимается в зависимости от различных факторов: диаметра электрода или площади его поперечного сечения, мощности процесса, необходимости регу­лировать температуру шлаковой ванны и т. д. На рис. 120 приведена жесткая вольт-амперная характеристика источника тока.

Вольт-амперная характеристика сварочной головки с постоянной скоростью подачи электрода (при электрошлаковой сварке применяется в настоящее время только такой тип головок) имеет вид прямой 3, которая означает почти постоян­ную величину тока при данной скорости подачи электрода в широком диапазоне напряжений на шлаковой ванне.

Точка А определяет устойчивый режим электрошлаковой сварки: напря­жение Uc и силу тока /с. Уменьшение напряжения шлаковой ванны, свидетель­ствующее, в частности, об уменьшении расстояния от торца электрода до метал,-
лической ванны, вызывает кратковременное увеличение тока AJ. В результате скорость плавления электрода увеличивается, а напряжение Uci шлаковой ванны восстанавливается. При увеличении напряжения шлаковой ванны происходит обратный процесс.

Другим возмущением является возможность появления дугового разряда между электродом и свободной поверхностью шлаковой ванны либо в глубине шлаковой ванны между электродом и металлической ванной. Такой разряд, как правило, неустойчив, но его появление может привести к образованию дефектов сварного шва. Для предупреждения дугового разряда сварку нужно вести в усло­виях, противоположных условиям, необходимым для устойчивого протекания дугового разряда: в глубокой шлаковой ванне, с использованием шлаков, обла-

т — температура плавлення шлака; %KS — температура ки­пения шлака

дающих низкими стабилизирующими свойствами, на переменном токе, при низ­ком напряжении холостого хода источника питания.

Условия устойчивости теплового режима можно записать

Рс—Р пї

‘ др1 ^ дРп. дт5 дт5 ‘

где Рс — мощность, выделяемая в шлаковой ванне при прохождении через нее электрического тока, Вт; РП — расход тепла на плавление основного и присадоч­ного металла, теплоотвод в основной металл, формирующие устройства и т. д., Вт; xs — температура шлаковой ванны, °С.

Равенство выражает равновесие между «приходными» и «расходными» статьями баланса зоны сварки. Если мощность Рс, выделяемая в шлаковой ванне, превысит потери Рп, шлаковая ванна перегреется, начнет кипеть, и устойчивость процесса нарушится. Наоборот, в случае превышения потерь Рп над выделяемой мощностью Рс шлаковая ванна необратимо охлаждается, шлак теряет электро­проводность, и процесс прекращается.

Графически равенство выражается пересечением кривых Рс = / (т5), Pn — f (Ь) (см — Рис — 124)-

Поскольку потери тепла из шлаковой ванны происходят через ее поверх­ность, величина Рп зависит от геометрических размеров шлаковой ванны и ее объема. Поэтому с увеличением объема шлаковой ванны увеличивается допусти­мая мощность процесса электрошлаковой сварки (рис. 121).

Шлак сохраняет высокую электропроводность и обеспечивает устойчивый электрошлаковый процесс в значительном интервале температур: выше темпе­ратуры плавления и ниже температуры кипения. Поэтому, как следует из рис. 121, существует значительный интервал допустимой мощности процесса при данном
объеме шлаковой ванны. Рс тах соответствует максимальной температуре шлако­вой ванны, Рс min — минимальной.

Неравенство выражает условие теплового равновесия в шлаковой ванне, заключающееся в том, что при повышении температуры шлаковой ванны увели­чение потерь Рп должно превышать вызывающее его увеличение мощности Рс, выделяемой в шлаковой ванне. И наоборот.

Характер кривой Рп = f (т5) не зависит от типа источника тока, но зависит от темпе­ратуры шлака (рис. 122). Кривая Рс = f (т5) имеет различный характер в зависимости от того, какова вольт-амперная характери­стика, какой тип электрода — плавящийся или неплавящийся, каково сечение электро­да и т. д. Характер кривой Рс~ / (т5) опре­деляется прежде всего кривой полезной мощ­ности в функции проводимости нагрузки.

Например, для источников тока с полого­падающей и падающей характеристиками кривая полезной мощности Р = f (GH) имеет максимум, соответствующий равен­ству сопротивлений нагрузки и источника питания (рис. 123).

Рабочий диапазон проводимости нагрузки для источника питания с полого­падающей вольт-амперной характеристикой лежит значительно левее максимума мощности, т. е. в той части кривой Р = / (GH), где между Р и G наблюдается почти пропорциональная зависимость.

Рабочий диапазон проводимостей нагрузки для источников питания с падающей характеристикой охватывает обычно область максимума и рас­пространяется вправо от него.

За проводимость нагрузки при электрошлаковой сварке принимается проводимость шла­ковой ванны. Известна прямая зависимость проводимости шла­ковой ванны от ее температуры. Поэтому кривую Р — f (GH) можно преобразовать в кривую Рс — / (т5), откладывая по оси абсцисс значения GH — f (ts), полученные по данным зависи­мости проводимости от темпера­туры и рассчитанные в соответ­ствии с геометрическими разме­рами шлаковой ванны и электро­да. График Рс = / (Ts) (рис. 124) можно построить в результате такого преобразования.

Условия устойчиво­го возбуждения элек — трошлакового процесса. Всякий электрошлаковый процесс протекает в две стадии: наведение шлаковой ванны и собственно электрошлаковый процесс. В большинстве случаев сварки шлаковую ванну наводят с помощью дуги, воз­буждаемой между плавящимся электродом и свариваемыми кромками. Основная задача, решаемая в первой стадии, заключается в том, чтобы навести шлаковую ванну как можно скорее и с минимальным расходом плавящегося электрода. Поскольку в период наведения шлаковой ванны металлическая ванна только возникает и развивается и свариваемые кромки еще недостаточно прогреты, на начальном участке шва образуются дефекты: непровары, шлаковые включения,
поры. Поэтому электрошлаковую сварку начинают в специальном технологиче­ском «кармане», который после сварки удаляют.

Так как условия устойчивого горения дуги противоположны условиям устой­чивого электрошлакового процесса, первую стадию выполняют на параметрах режима, отличающихся от таковых в период собственно сварки. Сила тока на пер­вой стадии существенно ниже, чем на второй, в то время как напряжение сварки значительно выше. Для легкости возбуждения дуги используют металлические порошки.

При сварке металла относительно малой толщины (> 20 мм) возбуждение дуги и наведение шлаковой ванны особенно затруднительно. Здесь плотность тока настолько мала, что не обеспечивает при жесткой вольт-амперной характе­ристике источника устойчивого горения дуги. Увеличение скорости подачи электродной проволоки с целью повышения устойчивости дуги невозможно из-за того, что проволока может коснуться формирующего устройства. При этом возбуждается электрическая дуга между проволокой и формирующим устрой­ством и последнее выходит из строя.

Существует способ стабильного наведения шлаковой ванны, который заклю­чается в следующем. На первой стадии процесса электрод подключен к источ­нику тока через дополнительное сопротивление, которое обеспечивает падаю­щую вольт-амперную характеристику. Скорость подачи электродной проволоки при этом поддерживают не более 160 м/ч, напряжение между токоподводящим мундштуком и образующейся шлаковой ванной составляет 42—46 В и превышает номинальное напряжение дуги.

Большое напряжение способствует быстрому расплавлению флюса, а малая скорость подачи электродной проволоки — сокращению длины начального де­фектного участка шва.

После наведения шлаковой ванны скорость подачи электрода увеличивают, а дополнительное сопротивление шунтируют силовым контактором.

Для случая электрошлаковой сварки электродами большого сечения при­меняют способ сварки, заключающийся в том, что шлаковую ванну наводят за­ранее с помощью неплавящегося электрода, используя для этого вспомога­тельный тигель, и заливают затем в пространство между свариваемыми кром­ками.

Разновидности электрошлаковой сварки и техника ее выполнения. Спо­собы получения соединения электрошлаковой свар­кой: сварка; наплавка; наплавка пайкой; сварка с использованием дополни­тельных источников нагрева (электродной проволоки Джоулевым теплом, элек­тродной проволоки индуктором, шлаковой ванны теплом, выделяемым в резуль-

Приемы г, е и ж имеют целью увеличить производительность сварки при одновременном уменьшении перегрева металла околошовной зоны.

Число электродных проволок выбирают в зависимости от толщины сваривае­мого металла. От правильности решения этой задачи зависит качество сварного соединения, производительность сварки и выбор типа сварочного аппарата. Металл толщиной до 50 мм обычно сваривают одним неподвижным электродом. При сварке металла толщиной более 50 мм электроды совершают в сварочном

Рис. 132. Общий вид плавя­щегося мундштука

Рис. 133. Схема расположе­ния плавящегося мундштука в зазоре

зазоре колебательные движения. На рис. 131 приведены возможные соотноше­ния между толщиной свариваемого металла и числом электродов.

Сварка плавящимся мундштуком (рис. 132—133) — наиболее универсальный способ. Этим способом можно соединять детали толщиной 20—2500 мм. Плавя­щийся мундштук представляет собой набор пластин или стержней, которые снабжены каналами для подачи электродной проволоки. В частном случае пла­вящийся мундштук представляет собой толстостенную трубку. Его форма опре­деляется конфигурацией свариваемого стыка, а способ изготовления зависит от числа стыков. Материал мундштука, как правило, подобен основному. Его химический состав выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к ме­таллу шва. Широкое распространение получил мундштук с каналами для подачи электродной проволоки в виде спиралей, навитых из сварочной проволоки диа­метром 3—5 мм.

Плавящийся мундштук должен быть надежно изолирован от свариваемых кромок. В качестве изоляторов используют обычно стеклоткань или таблетки, изготовленные из измельченного сварочного флюса, замешенного на жидком стекле. Диаметр электродной проволоки при сварке плавящимся мундштуком стали и титана принимают обычно 3 мм, при сварке алюминия и сплавов на его основе 5—6 мм.

Сварка электродами большого сечения включает сварку одной, двумя или тремя пластинами сплошного сечения, подключенными к общему или разным источникам сварочного тока (рис. 134); сварку одной, двумя или тремя пласти­нами, имеющими продольные разрезы (рис. 135); сварку с бифилярной схемой подключения электродов к источнику питания (рис. 136).

Пластинчатые электроды обычно применяют для сварки прямолинейных швов длиной не более 1500 мм металла толщиной 30—1000 мм. Толщина пластин­чатых электродов составляет 10—15 мм при сварке стали, меди, титана и 20—25 мм

при сварке алюминия и сплавов на его основе. Бифилярная схема подключе­ния позволяет сваривать металл толщиной до 2000 мм. Продольные разрезы в пластинчатых электродах делают для увеличения равномерности провара. Сварку электродами большого сечения применяют большей частью для соеди­нения компактных сечений.

Близка к способу сварки пластинчатым электродом электрошлаковая сварка ленточным электродом. В отечественной промышленности этот способ не получил распространения.

В качестве плавящегося электрода может быть использована порошковая проволока и порошковая лента. Порошковая шихта, составляющая наполнение такой проволоки или ленты, может содержать разнообразные компоненты, наз­начение которых состоит в воздействии на металлургические процессы (раскисле­ние, обессеривание, легирование, модифицирование). Компоненты шихты могут также восполнять расход сварочного флюса на образование гарниссажной корочки, испарение и т. д.

Аналогичной цели служат порошковые компоненты, подаваемые в сварочную ванну через комбинированный электрод; полости, выполненные в стыкуемых кромках; в виде покрытия (пасты), наносимого на поверхность свариваемых кромок. В последних двух случаях покрытие служит также для электроизоля­ции электродов от кромок.

Помимо плавящихся электродов возможно использование при электрошла — ковой сварке неплавящихся электродов, например, из вольфрама. Последние

применяются в комбинации с плавящимися электродами и выполняют вспомога­тельные технологические функции: поддержание шлаковой ванны в нагретом состоянии в период, когда плавящиеся электроды не подают в сварочную ванну, для циклического изменения мощности при сварке, в качестве датчика для ста­билизации режима сварки и т. д.

Электрошлаковый процесс наплавки (рис. 137): плоских поверхностей в вер­тикальном положении (рис. 137, а); плоских поверхностей в нижнем положении (рис. 137, б); цилиндрических поверхностей (рис. 137, в, д); инструмента (рис. 137, г).

Техника электрошлаковой сварки и сварочные электроды, применяе­мые при электрошлаковой наплавке в вертикальном положении, не отли­чаются от электрошлаковой сварки.

Контактно-шлаковая сварка (рис. 138) отличается простотой технологии. Сущность ее заключается в том, что свариваемые поверхности занимают го­ризонтальное положение; шлаковая ванна находится между нижней и верхней деталями. При пропускании тока через шлак свариваемые поверх­ности оплавляются, а на нижней по­верхности образуется ванна распла­вленного металла (рис. 138, а). После этого свариваемые части сближаются; шлак вытесняется из пространства между ними, расплавленный металл затвердевает, и детали оказываются сваренными между собой (рис. 138, б).

Типы сварных соедине­ний и виды швов. Электрошла — ковая сварка позволяет выполнять все существующие типы сварных соединений и виды швов.

Наиболее распространенными и простыми с точки зрения техники сварки являются стыковые соединения (рис. 139 и 140). Исходя из возможностей сва­рочной аппаратуры, к этому типу швов можно свести большинство свариваемых соединений. Стыковое соединение имеет зазор в (табл. 45) между двумя прямыми

кромками (рис. 139, а—г и з). В некоторых случаях допускается фасонная раз­делка кромок (рис. 139, д—ж).

Для надежной компенсации деформаций соединяемых частей и сохранения в процессе сварки заданной величины сварочного зазора сборка деталей осу­ществляется, как правило, с клиновидным зазором, расширяющимся кверху.

В зависимости от марки стали, способа электрошлаковой сварки, ее режима и условий закрепления угол раскрытия зазора а при сборке может составлять 1—2° (0,02—0,03 рад). Если необходимо получить высокую точность геометри­ческих размеров готового сварного изделия, то сборочный зазор и условия сварки определяют по специальной методике.

Угловые и тавровые соединения (рис. 141, а—в) встречаются реже, чем сты­ковые, из-за сложности их выполнения; V-образную (рис. 141, г) и К-образную (рис. 141, д) разделки выбирают в случае использования трубчатого плавящегося мундштука. Трубчатый плавящийся мундштук позволяет выполнять также крестообразные соединения (рис. 141, ж, з). Если возможно, угловые и тавровые соединения заменяют стыковыми (рис. 141, ё).

Выполняемые электрошлаковой сваркой прямолинейные швы (рис. 142, а, 6) встречаются на практике в сочетании с соединениями всех типов. Как правило, прямолинейные швы сва­ривают в вертикальном положении. Возможно

45. Сборочный зазор между параллельными кромками о зависимости от толщины свариваемого металла и расчетного зазора

Толщина свариваемого ме­талла, мм

16-30

30—80

80—500

Расчетный зазор, мм

18

22

26

Сборочный зазор, мм

19—20

21—25

28—32

Толщина свариваемого ме­талла, мм

500—1000

1000-2000

Расчетный зазор, мм

30

30

Сборочный зазор, мм

36-40

40-42

наклонное положение, допускающее отклонение продольной оси шва от верти­кали не более чем на 15—20° (рис. 142, б).

Дальнейшее увеличение угла приводит к увеличению площади поверхности шлаковой ванны и уменьшению глубины ванны, вследствие чего устойчивый

шлаковый процесс становится невозможным. Разработано формирующее устрой­ство для электрошлаковой сварки в наклонном положении, позволяющее уве­личивать угол наклона оси шва и вести сварку в переменном наклонном положе­нии, сохраняя объем и глубину шлаковой ванны постоянными.

В нижнем положении удается в настоящее время выполнять только электро — шлаковую наплавку (рис. 137, б).

Кольцевые швы выполняют на цилиндрических (рис. 142, в), конических (рис. 142, г) и сферических (рис. 142, д) деталях. Обычно кольцевые швы встре­чаются со стыковыми соединениями.

При сварке швов сложного профиля в некоторых случаях, исходя из воз­можностей технологии сварки, существующее сечение дополняют до прямоуголь­ного специальными планками (рис. 142, ж).

Применение плавящегося мундштука позволяет сваривать швы сложной пространственной формы, например кольцевые швы неповоротных соединений (рис. 142, в). Длина швов от 100—150 мм до 20 м и более.

Подготовка деталей к сварке. С точки зрения технологии сварки наиболее важными факторами в подготовке деталей к сварке являются форма и шероховатость торцовых поверхностей свариваемых кромок, состояние боковых поверхностей кромок, по которым будут перемещаться или на которые будут установлены формирующие устройства, взаимное расположение примыкаю­щих участков после сварки.

Способ обработки торцовой поверхности кромок зависит от толщины свари­ваемого металла, его химического состава, точности геометрических размеров, требуемой от сварного изделия, и ответственности конструкции.

При сварке металла толщиной до 200 мм торцовую поверхность кромок обра­батывают обычно газорезательными автоматами, при этом величина отдельных гребешков и выхватов не должна превышать 2—3 мм, а максимальное отклонение

Рис. 143. Типы сборочных скоб

от прямоугольности реза 4 мм. При толщине металла > 200 мм применяют меха­ническую обработку кромок; в случае необходимости можно применять и ма­шинную огневую резку.

Подготовку кромок деталей из легированной стали осуществляют в большин­стве случаев механическим способом. В литых и кованых заготовках поверхности, по которым будут перемещаться ползуны, подвергают механической обработке до 3—4-го классов шероховатости поверхности на ширину 60—80 мм от торца кромки. Если заготовки выполнены из проката, поверхность под ползуны может быть очищена от окалины и заусенцев переносным наждачным кругом. Кромки кольцевых швов обрабатывают, как правило, механическим способом.

Для фиксации соединяемых частей при сборке применяют обычно скобы (рис. 143) или прямоугольные планки, привариваемые поперек стыка к соединяе­мым деталям на расстоянии 500—800 мм одна от другой вдоль стыка. В нижней части стыка прикрепляют, входной «карман» (начальную технологическую планку), а в верхней — конечные технологические планки для вывода усадочной раковины. После окончания сварки начальную и конечную технологическую планки удаляют.

При сборке прямолинейных стыков превышение наружной плоскости одной свариваемой кромки над другой (смещение кромок) не должно превышать 1—3 мм, а изменение смещения и волнистости не должны выходить за пре­делы 1 мм на длине 200—250 мм. Заметим, однако, что современная технологи­ческая оснастка и сварочная аппаратура позволяют выполнять при необходи­мости некоторые типы стыковых соединений со смещением кромок до 10 мм и изменением смещения в пределах ±10 мм на протяжении 0,5—0,7 м стыка. При применении специальной оснастки допускается смещение кромок до 25—30 мм.

Выполнение кольцевых швов значительно сложнее, чем прямолинейных, * поэтому допуски на смещение кромок для них меньше. Максимальная разность диаметров соединяемых частей не должна превышать ±0,5 мм, а максимальное смещение кромок при сборке 0,5—1,0 мм. При сварке кольцевых швов цилиндри­ческих изделий большого диаметра с малой толщиной стенки (до 100 мм), сваль­цованных из проката без механической обработки кромок, смещение соединяемых частей не должно превышать 3 мм.

Рекомендуемый зазор между соединяемыми кромками кольцевого стыка (рис. 144) приведен в табл. 46.

В месте начала сварки устанавливают начальные технологические планки («карман»), приваривая их к торцовой поверхности одной из свариваемых частей.

46. Рекомендуемый зазор между

соединяемыми кромками кольцевого стыка

Толщина

металла,

мм

Зазор между кром­ками в местах уста­новки дистанционных прокладок, мм

/

и

Ш

20-50

25

29

27

50-100

28

32

30

100—150

30

34

32

150—230

32

35

34

200—250

33

37

35

250—300

34

38

36

300—450

36

41

38

Затем укрепляют дистанционные прокладки /, II, III, фиксирующие требуемую величину зазора (см. табл. 46). Собранные части фиксируются с помощью шести или восьми планок, привариваемых равномерно по всей окружности кольцевого стыка.

Способы формирования поверхности шва: свободное; с помощью остающихся накладок и вкладышей; с помощью передвигаемых или переставляемых формирующих устройств, охлаждаемых или неохлаждаемых.

Идеальным может быть признан способ свободного формирования поверх­ности шва. Однако вследствие жидкотекучести металлической и шлаковой ванн и большого их объема этот способ может быть осуществлен только при электро — шлаковой наплавке в нижнем положении.

Наибольшее распространение получили формирующие устройства, охлаж­даемые водой (ползунов, накладок и др.).

Типы защиты металлической ванны: шлаковой ванной (окислительной по отношению к компонентам металла шва, нейтральной, раскис — лительной); шлаковой ванной с дополнительной защитой струей газа (инертного, активного —С02, N2 и др.).

Наибольшее распространение получила электрошлаковая сварка без до­полнительной защиты струей газа. Окислительные шлаки (АН-8, АНФ-7, АНФ-8, АНФ-23, АН-348А, ФЦ-7 и др.) используют при электрошлаковой сварке стали и меди. Нейтральные шлаки (АНФ-1П, АН-301, АН-Т2 и др.) применяют при

сварке высоколегированной стали, алюминия, титана и других химически актив­ных металлов.

Раскислительные шлаки применяют при электрошлаковой наплавке пайкой нержавеющей стали, меди и ее сплавов на сталь.

Дополнительную защиту шлаковой ванны инертными газами используют при электрошлаковой сварке активных металлов, например титана и высоколе­гированной стали.

Известна также дополнительная защита разогретых частей свариваемого металла газом, подаваемым через штуцеры ползуна.

Техника электрошлаковой сварки. Электрошлаковая сварка — специфический технологический процесс, где обеспечение устойчивой работы аппарата и технологической оснастки и получение сварного соединения гарантированного качества зависит не только от правильного выбора техноло­гических параметров режима (скорости подачи электрода, напряжения сварки и т. д.), но и от точного выполнения оператором-сварщиком всей совокупности операций по обеспечению процесса (правильной установки аппарата, укрепления ползунов и корректировки их положения в процессе сварки, соблюдения опти­мального положения токоподводящего мундштука в зазоре, предотвращения про­текания шлака через случайные зазоры между поверхностью детали и ползуном ит. д.), что в совокупности получило название техники электрошлаковой сварки.

Техника электрошлаковой сварки прямолинейных швов. Собранное изделие устанавливают на сварочном стенде в зоне действия сварочного аппарата либо аппарат крепят на изделии. Устанавливают требуемый вылет электрода, прове­ряют параллельность формирующих ползунов свариваемым кромкам. Выстав­ляют в зазоре электроды и, если необходимо, добиваются нужного размаха их колебаний (возвратно-поступательного перемещения вдоль зазора). После этого опускают аппарат вниз по стыку, к началу шва, чтобы мундштуки находились от дна «кармана» на расстоянии ПО—120 мм, и плотно прижимают ползуны к стыку. Усилие прижатия должно быть 50—80 кг. По контуру прилегания ползунов делают уплотнение зазоров глиной. На дно начальной планки насы­пают металлический порошок или стружку слоем толщиной около 10 мм, затем слой сварочного флюса толщиной 3—5 мм. В нижней части изделия приваривают пластину 150 х Ю0 х 10 для крепления кабеля заземления.

Включают подачу охлаждающей воды в ползуны. На пульте управления аппа­рата и на источнике питания устанавливают заданные параметры сварки. Про­верив наличие необходимого количества электродной проволоки, флюса, а также инструмента, нажимают кнопку «пуск». После возбуждения дуги досыпают флюс до заданного количества. Если необходимо, изменяют скорость подачи электрод­ной проволоки. По мере увеличения глубины шлаковой ванны сообщают элек­тродам возвратно-поступательное перемещение в зазоре. При необходимости корректируют напряжение сварки.

Время наведения шлаковой ванны и перехода к электрошлаковому процессу составляет 3—5 мин. Нормальный электрошлаковый процесс должен устано­виться в пределах начальной технологической планки.

При подходе зеркала шлаковой ванны к верхнему срезу ползунов включают механизм вертикального перемещения сварочного аппарата. При ручном управ­лении аппарата механизм ее вертикального перемещения включают периоди­чески, чтобы высота подъема за одно включение составляла 2—3 мм. Средняя скорость vc и напряжение Uc сварки зависят от толщины свариваемых деталей. Первая с увеличением толщины деталей уменьшается, вторая — увеличивается (рис. 145).

В процессе сварки необходимо наблюдать за расположением электродов в зазоре и при необходимости производить их корректировку, а также периоди­чески обстукивать ползуны.

После выполнения шва нажимают кнопку «стоп», а затем кнопку «вверх» для вывода электродов из шлаковой ванны. Снимают ползуны и отключают подачу охлаждающей воды.

Техника сварки кольцевых швов (рис. 146) сложнее, чем стыковых, вследствие необходимости совмещения конца (рис. 147, а) шва с его началом (рис. 147, б). Электрошлаковая сварка кольцевого шва имеет три этапа: начало (заполнение «кармана»); выполнение погонной части; замыкание кольцевого шва. Каждому этапу соответствует свой режим. Следует заметить, что скорость сварки кольце­вого шва выбирают на 10—15% ниже той, которая рекомендуется для соответ­ствующей толщины при сварке прямолинейных швов.

На первом этапе заваривают «карман» или его большую часть: начало — без вращения изделия, но с подъемом аппарата, конец кармана — при вращении изделия и неподвижном аппарате. Последовательность операций при наведении

шлаковой ванны такая же, как и при сварке прямоли­нейных швов. При достиже­нии шлаковой ванной глу­бины 20—30 мм включают подачу второго электрода и доводят глубину шлаковой ванны до 40—50 мм, посте­пенно увеличивая скорость подачи электродов. При уменьшении вылета электро­дов до 70 мм включают подъем аппарата. По мере увеличения длины зазора между кромками в результате заполнения «кармана» вклю­чают механизм колебания электродов, постепенно уве­личивая размах колебаний. При этом необходимо тща­тельно контролировать вели­чину Ді (рис. 115). Она должна составлять 15—18мм. Одновременно увеличивают расстояние между электро­дами d, раздвигая мундшту­ки. Особое внимание следует уделить контролю за глуби­ной шлаковой ванны, по­скольку длина зазора в «кар­мане» все время увеличивается. Измеряют глубину шлаковой ванны, как и при сварке прямолинейных швов, с помощью металлического щупа, изго­товленного, например, из электродной проволоки диаметром 4—8 мм. Щуп по­гружают в шлаковую ванну у ползуна до упора в кристаллизующийся металл и быстро вынимают. Перед подходом шлаковой ванны к верхней части кармана устанавливают передний ползун и прижимают его к кромкам таким образом, чтобы верхний срез его возвышался над верхней частью кармана. Подъем аппа­рата должен быть прекращен, когда верхний срез ползуна поднимается на 50—60 мм над горизонтальным диаметром кольцевого шва. Тогда же включают механизм вращения изделия. К этому времени режим сварки соответствует вто­рому этапу — выполнению погонной части.

На втором этапе сварки (см. рис. 146, б) периодически контролируют поло­жение электродов в разделке, параметры режима сварки, глубину шлаковой ванны, плотность прилегания ползунов к карманам, величину Д*. После того как заварена 1/3 длины шва, начальный участок шва вырезают газовой резкой, контролируя форму выреза с помощью шаблона. Вырез тщательно зачищают механическим способом, не оставляя дефектов и окалины.

Третий этап является наиболее трудоемким и ответственным. Сложность сварки на замыкающем участке обусловлена не только необходимостью [выпол­нения специальных приемов, но и применением особых предосторожностей для предотвращения трещин, опасность возникновения которых резко возрастает в связи с увеличивающейся жесткостью свариваемого соединения. На третьем этапе скорость подачи электродов и напряжение сварки постепенно уменьшают,

Рис. 146. Схема сварки кольцевого шва

а начальный участок предварительно подогревают газопламенными горелками. Как только прямолинейный участок выреза займет вертикальное положение, прекращают вращение изделия и включают подъем аппарата. В это время уби­рают тягу, на которой крепится внутренний (задний) ползун. Перед этим, как только сократится расстояние между зеркалом шлаковой ванны и вырезом до 20—25 мм, внутренний ползун направляют на начало и поднимают на 50—60 мм, не допуская вытекания шлака (рис. 147, а).

а) 6) В) е)

На протяжении всего этапа необходимо внимательно следить, чтобы верхний мундштук, с одной стороны, не касался выреза, иначе он обгорит; с другой сто­роны, чтобы он подходил к вырезу достаточно близко (10—12 мм), что необходимо для нормального провара. Эго достигается манипуляцией концевыми выклю­чателями и сближением мундштуков (рис. 147, б). После заварки вертикальной части аппарат останавливают и включают вращение изделия (рис. 147, в). Ско­рость сварки снижают до 0,3—0,35 м/ч, а напряжение сварки снижают на 3—5 В. Как только амплитуда колебаний уменьшится до 30 мм, нижний электрод отклю­
чают, и сварку заканчивают одним электродом (рис. 147, г). Сварку кольцевых швов можно осуществлять с применением одного, двух и трех электродов.

Число слоев шва: однопроходная сварка; многопроходная сварка. Наибольшее распространение получил способ однопроходной сварки. Он самый производительный по количеству наплавленного металла, однако характерен высокой погонной энергией сварки, вызывающей снижение механических свойств сварного соединения.

При многопроходной сварке указанный недостаток проявляется в меньшей степени. Этот способ имеет несколько вариантов. Один из них заключается в том, что сварку выполняют сначала с одной, а затем с другой стороны стыка; перед сваркой в зазор между свариваемыми кромками устанавливают вкладыши, ко­торые при сварке сплавляют с обеих сторон с металлом шва.

Другой вариант состоит в многопроходной сварке стыка с одной стороны, при этом используют специальный ползун, который помещается в зазоре между свариваемыми кромками.

Возможно использование автоматической сварки под флюсом для выполне­ния облицовочного шва.

Сварка многослойного шва в отличие от однослойного позволяет дробить один мощный источник тепла на несколько менее мощных и тем самым уменьшить погонную энергию сварки. Кроме того, выполнение каждого последующего слоя шва вызывает повторный нагрев предыдущего, что способствует его термообработ­ке и повышению механических свойств сварного соединения.

Род тока: постоянный; переменный (однофазный, трехфазный); модули­рованный (с периодическим отклонением тока — с дозированной подачей мощ­ности, с периодическим уменьшением силы тока или напряжения).

Электрошлаковую сварку ведут преимущественно на переменном токе. Постоянный ток используют при сварке металла малой толщины (40 мм и менее). Установлено, что при сварке на постоянном токе происходит электролиз шлака.

Однофазный переменный ток применяют при сварке одним электродом. С целью равномерной загрузки сети при числе электродов два и более используют трехфазный ток. Каждый электрод подключают, как правило, к отдельному ис­точнику тока. Возможно групповое подключение электродов — по нескольку на каждый источник.

Сущность способа сварки с дозированной подачей мощности заключается в том, что сварочный ток периодически отключают с заданной частотой, сохраняя скорость подачи электродной проволоки постоянной. Преимущество этого спо­соба заключается в уменьшении погонной энергии сварки и одновременно повы­шении допустимой скорости сварки.

Разработаны различные варианты модуляции сварочного тока, заключаю­щиеся в периодическом изменении вылета электрода, изменении скорости подачи электродной проволоки, сопровождающемся одновременно и изменением напря­жения сварки. Такие способы модулирования тока и напряжения существенно расширяют технологические возможности электрошлаковой сварки и позволяют повысить качество сварного соединения.

Особенности структуры и свойства сварного соединения. Особенности термического цикла. При электрошлаковой сварке однослойного шва имеет место простой термический цикл (рис. 148, а); при сварке многослой­ного шва — сложный термический цикл (рис. 148, б).

В табл. 47 приведены данные о мгновенных скоростях охлаждения при 500° С и длительностях выдержки металла (в рассматриваемом участке около — шовной зоны Ттах = 1300° С) при температурах выше 1000° С для указанных

способов сварки.

Особенности структуры и механических свойств металла шва и околошовной зоны сварного соеди­нения. Процесс первичной и вторичной кристаллизации металла шва при элек­трошлаковой сварке не имеет принципиальных отличий от кристаллизации при электродуговой сварке под флюсом. В примыкающих к ползунам участках метал­
лической ванны кристаллиты растут перпендикулярно к их поверхности, про­растая на 10—20 мм в глубь шва. Первичная кристаллизация носит прерывистый характер, швы имеют слоистое строение. При электрошлаковой сварке толщина кристаллизационных слоев в несколько раз больше* чем при дуговой. Металл шва имеет столбчатое строение. Столбчатые кристаллы отличаются сравнительно крупными размерами, достигая в поперечнике 3—7 мм, и легко различимы при изучении макроструктуры.

Способ сварки

Мгновенная скорость

Длительность вы-

охлаждения при

держки при темпе-

500 °С, °С/с

ратурах > 1000 °С, с

Электрошлаковая………………………………………………

0,4

175

Дуговая под флюсом…………………………………………..

4,3

14,5

Электронно-лучевая…………………………………………….

40

1,5

47. Мгновенные скорости охлаждения

При электрошлаковой сварке в зависимости от ее режима, химического состава и толщины свариваемого металла наблюдаются макроструктуры металла шва четырех типов. Макроструктура первого типа характерна наличием трех участков. У границы сплавления и у ползунов располагается участок толстых столбчатых кристаллитов. Каждый такой кристалл является колонией дендри — тов, имеющих стволы и слабовыраженные оси первого порядка. На некотором расстоянии от границы сплавления толстые столбчатые кристаллиты переходят в более тонкие кристаллиты, представляющие собой колонии развитых, имеющих

оси второго и третьего порядка дендритов. Прорастая в глубь шва, они доходят до участка равноосных кристаллитов, занимающего полосу шириной 0,5—10 мм по оси шва. Равноосные кристаллиты имеют дендритное, значительно [разветвлен­ное строение. Макроструктура второго типа наиболее распространена. Она характеризуется наличием только участка толстых и тонких столбчатых кристал­литов. В макроструктуре третьего типа имеется только участок тонких столбча­тых кристаллитов, прорастающих от границы сплавления до оси шва (аналогично строению швов при дуговой сварке). Макроструктура четвертого типа отличается наличием только толстых столбчатых кристаллитов. Во всех случаях металл участка толстых кристаллитов обладает более высокой однородностью и плот­ностью, чем металл других участков.

С целью повышения пластичности металла шва целесообразно измельчение первичной столбчатой структуры. Это возможно путем применения специальных элементов — модификаторов (титан, цирконий и др.); возбуждения в сварочной ванне ультразвуковых или механических инфразвуковых колебаний; электро­
магнитного перемешивания; искусственного уменьшения погонной энергии сварки или увеличения интенсивности искусственного охлаждения металла шва со сто­роны формирующих устройств.

Вторичная кристаллизация происходит у металлов, претерпевающих при охлаждении аллотропические превращения (например, сплавыжелеза суглеродом). Характер вторичной микроструктуры зависит от химического состава металла шва, термического цикла и других причин.

Поскольку при электрошлаковой сварке скорость остывания металла шва и околошовной зоны существенно меньше, чем при других способах сварки плав­лением (см. табл. 47), здесь распад первичного зерна происходит наиболее полно, и вторичная структура более равновесна. Вместе с тем большая длительность пребывания металла околошовной зоны при высокой температуре вызывает явле­ние перегрева, которое характеризуется крупными Зернами вторичной струк­туры с пластинчатым ферритом (видманштеттова структура). На участке пере­грева околошовной зоны наблюдается ухудшение механических свойств (пластич­ности, стойкости против перехода в хрупкое состояние) по сравнению с исход­ными свойствами основного металла.

Ответственные сварные конструкции, выполненные электрошлаковой свар­кой, подлежат последующей термообработке — как правило, нормализации с высоким отпуском. Целью нормализации является измельчение вторичного зерна, устранение явления перегрева. Цель высокого отпуска — уменьшение остаточных напряжений в сварном соединении.

Как уже отмечалось ранее, благодаря специфическим особенностям электро­шлаковой сварки металл шва отличается повышенной стойкостью против обра­зования пор и других неплотностей, меньшей чувствительностью к влажности шлака, ржавчине и загрязнениям кромок, а также имеет низкую склонность к образованию кристаллизационных трещин, поэтому сварное соединение прак­тически равнопрочно основному металлу.

Для повышения пластических свойств сварного соединения (особенно удар­ной вязкости) применяют высокотемпературную обработку (табл. 48).

В последнее время разрабатываются приемы, позволяющие уменьшить перегрев околошовной зоны при электрошлаковой сварке или устранить его мето­дами, более простыми и дешевыми, чем последующая термообработка в печи. К первым относятся способы сварки модулированным током и с интенсивным охлаждением поверхности сварного шва.

48. Результаты испытаний образцов после термической обработки

Результаты испытаний образцов

Материал

Виды термической обработки

ав

ат

6

Ф

®н*

кгс/мм2

%

кгс-м/см2

Основной

Без термической обработки

49,05

27,6

15,6

28,4

4,75

металл

Отпуск………………………………………

49,7

26,5

20,5

22,8

6,27

(35 л)

Нормализация……………………………

54,6

31,8

11,3

21,4

7,30

Нормализация с отпуском

52,5

26,1

24,4

30,5

5,30

Зона терми-

Без термической обработки

55,8

33,2

12,8

23,1

5,10

ческого

Отпуск

46,9

24,8

20,9

41,5

5,15

влияния

Нормализация

49,4

26,4

17,3

20,7

7,29

Нормализация с отпуском. .

55,4

26,8

22,8

34,5

5,79

Без термической обработки

56,3

32,9

11.1

17,2

1,51

Отпуск

53,7

29,8

24,7

40,5

2,95

Металл шва

Нормализация…………………………..

55,9

32,1

20,5

25,9

5,10

Нормализация с отпуском

53,]

27,5

15,8

34,1

8,32

К числу вторых можно отнести способ электрошлаковой сварки с сопут­ствующей нормализацией сварного соединения, осуществляемой с помощью источника нагрева, перемещаемого вдоль шва вслед за сварочной головкой.

Одной из важных мер улучшения механических свойств околошовной зоны является разработка свариваемых материалов, нечувствительных к термическому циклу электрошлаковой сварки.

Преимущества и недостатки. Перспективы развития электрошлаковой сварки.

Преимущества электрошлаковой сварки: металл практи­чески любой толщины сваривается за один проход;

не требуется (как правило) разделка кромок под сварку (сварочный зазор образуется прямыми кромками);

сварка вертикальных швов требует значительно меньше производственных площадей;

расход флюса составляет 0,2—0,3 кг на погонный метр шва, независимо от толщины свариваемого металла;

благодаря малому количеству расплавляемого флюса на погонный метр шва электрическая энергия расходуется более рационально; этому же способствует применение сварочных трансформаторов с жесткой внешней характеристикой;

вертикальное расположение оси шва в значительной степени облегчает всплы­вание газовых пузырей, частиц шлака и удаление их из металла;

симметричность разделки и положения в ней электродов позволяют избежать угловых деформаций.

Недостатки электрошлаковой сварки: необходимость

проведения (как правило) последующей высокотемпературной термической обра­ботки для получения требуемых механических свойств сварного соединения, особенно в конструкциях, работающих при отрицательных температурах.

Отсутствие возможности сварки с остановками. Шов следует от начала до конца выполнять без остановок, так как при вынужденных перерывах процесса сварки в шве возникает неисправимый или трудноисправимый дефект.

Устранение указанных недостатков электрошлаковой сварки и наплавки является предметом систематических поисков исследователей не только в СССР, но и за рубежом. Следует отметить, что в этом направлении уже много сделано, особенно по повышению надежности осуществления электрошлакового процесса. Что же касается отказа от высокотемпературной термической обработки сварных изделий, выполненных электрошлаковой сваркой, то многочисленные работы, проведенные в этом направлении, показывают, к сожалению, на отсутствие ка­кого-либо общего решения. По-видимому, различные случаи потребуют различ­ных решений. Одно ясно, что вопросы необходимости применения высокотемпе­ратурной обработки, повышения стойкости соединений против трещин и увели­чения производительности процесса следует решать комплексно путем ра­ционального выбора свариваемых и сварочных материалов, приемов и режимов сварки.

Это актуальная и крайне необходимая проблема, от успешного решения которой будет во многом зависеть в будущем объем применения электрошлаковой сварки.

Из других задач и проблем, решение которых значительно повысит эконо­мичность и эффективность электрошлаковой сварки, можно назвать дальнейшее повышение производительности процесса в результате разработки новых спо­собов и приемов сварки, совершенствование техники ее выполнения, а также резкое сокращение продолжительности сборочных и вспомогательных операций; разработку наиболее рациональных способов легирования и модифицирования металла шва оптимального состава; создание флюсов, обеспечивающих минималь­ное окисление легирующих элементов; разработку новых принципов конструи­рования изделий, наиболее полно учитывающих особенности электрошлаковой сварки; решение задач, связанных с сочетанием электрошлаковой отливки с электрошлаковой сваркой; создание новых сварочных аппаратов, обладающих широкими технологическими возможностями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бельчук Г. А. Сварные соединения в корпусных конструкциях. Л., «Судострое­ние», 1969. 279 с.

2. Ерохин А. А. Основы сварки плавлением. М., «Машиностроение», 1973, 448 с.

3. Лесков Г. И. Электрическая сварочная дуга. М., «Машиностроение», 1970, 336 с.

4. Мацкевич И. Р. и Деев Г. Ф. Поверхностные явления в сварочных процессах. М., «Металлургия», 1974. 121 с.

5. Новожилов Н. М. Основы металлургии дуговой сварки в активных защитных газах. М., «Машиностроение», 1972. 168 с.

6. Петров Г. Л. Сварочные материалы. Л., «Машиностроение», 1972. 280 с.

7. Потапьевский А. Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. М., «Машиностроение», 1974. 240 с.

8. Теоретические основы сварки. М., «Высшая школа», 1970, 392 с. Авт. В. В. Фро­лов, В. А. Винокуров, В. Н. Волченко и др.

9. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. Б. Е. Патона, М., «Машиностроение», 1974. 768 с.

10. Шоршоров М. X., Чернышева Т. А., Красовский А. И. Испытание металла Яв свариваемость, 1972. 240 с.

11. Хренов К. К. Сварка, резка и пайка металлов. М., «Машиностроение», 1974.

408 с.