С каждым годом увеличивается объем сварочных работ, совершенствуются способы электрической сварки, увеличивается их производительность. Большую роль в деле повышения производительности сварочных работ сыграл способ автоматической сварки под слоем флюса, который успешно внедрен на многих заводах нашей страны. При изготовлении некоторых сварных конструкций, например речных и морских судов, пролетных строений мостов, железнодорожных цистерн, резервуаров и др., объем сварочных работ, выполняемых с помощью сварки под флюсом, достигает 50—60%, а в некоторых случаях 70—80% объема всех сварочных работ.

Автоматическая сварка под флюсом обычно применяется для соединения листов толщиной до 30—40 мм. Наибольшая эффективность процесса достигается при однослойной сварке, проводимой односторонним или посторонним швом. При многослойной сварке кромок, применяемой обычно для соединения питон толщиной более 30 мм, производительность процесса значительно снижается, хотя и остается более высокой, чем при ручной сварке открытой дугой. При сварке металла толщиной 100 мм и более многослойная сварка под флюсом мало эффективна. Между тем в настоящее время заводы нашей страны изготовляют большое количество разнообразных крупногабаритных изделий, уникальных машин, мощных прессов, прокатное и другое оборудование. Сварные детали и узлы таких машин и механизмов изготовляются из металла толщиной до 300 мм и более.

Для соединения листов или деталей большой толщины и Институте электросварки им. акад. Е. О. Патона в творческом содружестве с Ново-Краматорским заводом им. Сталина и заводом «Красный котельщик» разработан новый способ электрической сварки, названный электрошлаковой сваркой.

Этот способ позволяет осуществлять однопроходную сварку металла практически неограниченной толщины. В настоящее время электрошлаковая сварка успешно применяется при изготовлении металлургического оборудования, тяжелых прессов, толстостенных цилиндрических сосудов и других изделий. Наряду с этим электрошлаковый процесс находит применение не только как способ соединения детален большой толщины, но также и для наплавочных работ, для отпиши слитков металла нужного состава, для исправления дефектов литья и других работ.

На сайте изложены основные сведения о способе электрошлаковой сварки, его особенностях и об аппаратуре, созданной для применения этого способа сварки, приводятся примеры промышленного применения, помимо этого способа. Приведенные в брошюре данные по технике и технологии сварки, сварочной аппаратуре и оборудованию помогут сварщикам, бригадирам и мастерам быстрее освоить и успешно внедрить этот новый, прогрессивный способ сварки.

Для получения швов высокого качества при ручной сварке применяют электроды, покрытые обмазками, при расплавлении которых образуются шлаки и газы, защищающие расплавленный металл от окисления и насыщения азотом и водородом. Кроме того, при расплавлении обмазок в сварочную ванну вводятся раскислители и легирующие элементы, придающие металлу шва требуемые механические свойства. Обмазки при расплавлении обеспечивают также устойчивое горение сварочной дуги и получение швов требуемой формы, без подрезов и других дефектов.

При сварке закрытой дугой аналогичные функции выполняются флюсом, который, расплавляясь под воздействием тепла дуги, образует шлак, плотно закрывающий сварочную ванну и шов.

Сварочные флюсы, применяемые для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом, в расплавленном состоянии являются проводниками электрического тока. Этим же свойством обладают обычные металлургические шлаки. Электрическое сопротивление расплавленных флюсов-шлаков зависит от их химического состава и во много раз больше, чем сопротивление металла (например, стали). Поэтому если в расплавленный шлак поместить два стержня-электрода и пропустить через них электрический ток, то в шлаке будет выделяться большое количество тепла. Эта особенность шлака была использована для разработки способа электрошлаковой сварки, являющегося новым способом неразъемного соединения металлов.

Тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак, при этом способе сварки используется для расплавления кромок свариваемых деталей и электродного металла.

Электрошлаковая сварка в большинстве случаев применяется для сварки вертикальных швов в сочетании v методом принудительного формирования. Поэтому свариваемые детали специально устанавливаются так, чтобы швы занимали вертикальное положение. Свариваемые детали, не имеющие скоса кромок, собираются с обязательным зазором, величина которого находится в пределах 25—30 мм.

Жидкий шлак и расплавленный металл,- образующиеся в процессе сварки, удерживаются от вытекания из зазора медными планками, охлаждаемыми водой. В пространство между двумя медными планками подается электродная проволока, которая в процессе сварки расплавляется и заполняет зазор между кромками деталей.

Подача электродной проволоки в зону сварки и передвижение медных охлаждаемых планок осуществляется специальным сварочным аппаратом. По мере заполнения зазора расплавленным электродным металлом сварочный аппарат передвигается вверх. Поэтому уровень шлаковой и металлической ванны относительно медных планок, перемещающихся вместе с аппаратом, остается постоянным. Однако это обстоятельство действительно только в тех случаях, когда при постоянной скорости передвижения аппарата и постоянной скорости подачи проволоки зазор между кромками сохраняется по высоте строго постоянным. При колебаниях зазора уровень шапочной ванны относительно медных планок может изменяться. Значительные колебания уровня ванны могут привести к нарушению процесса сварки. Для предупреждения этого аппараты для электрошлаковой сварки снабжаются схемой автоматического регулировании уровня ванны.

Наиболее распространенным в настоящее время является способ электрошлаковой сварки с помощью электродных проволок. При этом способе сварка может выполняться одним или несколькими (обычно не более трех) электродами, имеющими возвратно-поступательное перемещение в направлении, перпендикулярном продольной оси свариваемого шва. Количество электродов выбирается в зависимости от толщины свариваемых листов. Подробно об этом будет сказано ниже.

Электрошлаковая сварка электродами большого сечения принципиально не отличается от электрошлаковой сварки электродными проволоками. В качестве электродов могут применяться пластины и стержни круглого, квадратного и других сечений.

Размеры электродов и их количество выбираются в зависимости от размеров свариваемых деталей, формы и размеров завариваемых полостей и отверстий. Электроды большого сечения применяются главным образом при значительной толщине свариваемых деталей и сравнительно небольшой высоте швов (до 1 м). Во многих случаях там, где высота швов небольшая, более целесообразно применение электрошлаковой сварки электродами большого сечения, чем способа, основанного на применении электродных проволок. Преимуществом электрошлаковой сварки электродами большого сечения по сравнению с электрошлаковой сваркой электродными проволоками является упрощение техники сварки и сварочной аппаратуры.

Электрошлаковая сварка плавящимся мундштуком является как бы соединением способов сварки электродными проволоками и электродами большого сечения. Как видно, в зазоре между свариваемыми деталями неподвижно устанавливается стальная пластинка. имеющая пазы или трубки для пропуска электродных проволок. В процессе сварки пластина, являющаяся мундштуком, остается неподвижной. Электродные проволоки подаются в шлаковую ванну и там расплавляются, заполняя зазор между деталями. Одновременно с расплавлением электродных проволок оплавляется и сам мундштук, вернее часть мундштука, погруженная в шлаковую ванну. Размеры плавящихся мундштуков и количество электродных проволок выбирается в зависимости от размера свариваемых деталей. Электрошлаковая сварка плавящимся мундштуком применяется главным образом при сварке деталей, имеющих сложное сечение и небольшую высоту швов. Для сварки таких сечений плавящиеся мундштуки изготовляются такой же формы, как и сечение свариваемых деталей. В начале сварки производится подача только электродных проволок, расположенных в нижней части плавящегося мундштука. По мере заполнения зазора электродным металлом шлаковая ванна поднимается выше и достигает каналов соседних электродных проволок, подача которых начинается после сближения со шлаковой ванной.

При электрошлаковой сварке кромки деталей не требуют специальной подготовки. Поэтому отпадают такие трудоемкие операции, как строжка кромок, вследствие чего объем подготовительных работ значительно уменьшается.

Электрошлаковая сварка производится в один проход. Это значит, что не требуется зачистка шлака после наложения каждого слоя, как при многослойной сварке в нижнем положении. Вследствие этого уменьшается трудоемкость сварочных работ, а также улучшается качество швов, так как при недостаточно тщательной зачистке шлака в многослойных швах часто встречаются дефекты в виде шлаковых включений.

При электрошлаковой сварке расход флюса примерно в 15—18 раз меньше, чем при обычной электродуговой сварке под флюсом. Подача флюса в шлаковую сварку и процессе сварки необходима только для того, чтобы компенсировать его расход на образование шлаковой корочки, покрывающей поверхность сварного шва. Витима такой корочки равна примерно 1,0—1,5 мм.

В отличие от многослойной сварки под флюсом, при электрошлаковой сварке не требуется частая кантовка, так как процесс сварки производится в вертикальном положении.

Электрошлаковая сварка обеспечивает равномерный провар кромок свариваемых деталей. При этом форма провара получается симметричной относительно плоскости, проходящей через середину толщины листов, и листов после электрошлаковой сварки не имеют угловых формаций.

Производительность электрошлаковой сварки значительно (в 10-15 раз) выше производительности многослойной сварки под флюсом, а при сварке некоторых изделий производительность возрастет еще выше.

Значительные преимущества электрошлаковой сварки, слагающиеся из большой производительности процесса, высокого качества швов и значительного уменьшения трудоемкости и стоимости работ, способствуют успешному внедрению этого нового способа сварки на многих заводах различных отраслей промышленности. Основной областью применения электрошлаковой сварки является тяжелое машиностроение. Электрошлаковая сварка успешно применяется при изготовлении барабанов паровых котлов высокого давления, станин крупных механических прессов, элементов мощных гидропрессом, валов крупных гидротурбин, цилиндров гидропрессов, станин прокатных станов и другого оборудования. Указанный перечень объектов является далеко не полным и непрерывно расширяется.

Флюсы для электрошлаковой сварки. К флюсам для электрошлаковой сварки предъявляются следующие основные требования:

1. Флюс должен обеспечить быстрое установление электрошлакового процесса и его высокую устойчивость. Мри электрошлаковом процессе в некоторых случаях наблюдается возникновение дугового разряда, проходящего между электродом и металлической ванной и глубине шлаковой ванны или между электродом и поверхностью шлака. Иногда дуга возникает между электродом и свариваемой кромкой. Возникновение дугового разряда при установившемся шлаковом процессе может принести к образованию в швах серьезных дефектов. Полому флюсы для электрошлаковой сварки должны обладать свойствами, которые затрудняют возбуждение и существование дугового разряда.

2. Флюс должен обеспечить проплавление кромок и удовлетворительное формирование поверхности шва. Для проплавления кромок свариваемых деталей необходимо, чтобы температура шлаковой ванны была выше температуры плавления металла, в противном случае кромки детали и электродный металл будут только нагреваться, а не плавиться.

3. Флюс в сочетании с электродным металлом и выбранным режимом сварки должен обеспечить высокое качество сварных швов. В швах не должно быть пор, трещин и других дефектов.

Кроме перечисленных основных требований, флюс для электрошлаковой сварки: а) не должен отжимать ползуны от свариваемых деталей; б) не должен вытекать в зазоры между ползуном и кромками свариваемых деталей; в) должен обеспечивать получение легко отделимой с поверхности шва шлаковой корки; г) ширина флюса не должна содержать дефицитных материалов. Выполнение перечисленных выше требований обеспечивается подбором соответствующего химического состава флюса, от которого зависят его металлургические и физические свойства (электропроводность, вязкость. и др.).

Опыт работы и результаты исследований показали, что высокая электропроводность флюса способствует более быстрому возбуждению электрошлакового процесса и устойчивому его протеканию. Однако очень высокая электропроводность может вызвать быстрое вскипание шлаковой ванны и ухудшение устойчивости процесса.

Вспомогательными составляющими режима электрошлаковой сварки являются: напряжение холостого хода источника питания дозировка подачи флюса, интенсивность охлаждения медных формирующих ползунов и др.

Электрошлаковая сварка может производиться на постоянном и на переменном токе. Устойчивость процесса при сварке на переменном токе так же высока, как и на постоянном. Однако при переменном токе в начальный период сварки требуется большее время для установления электрошлакового процесса, чем при постоянном. Характер нагрева и плавления основного металла при переменном токе остается примерно таким же, как и при постоянном токе. Однако, значительные эксплуатационные преимущества переменного тока и сравнительно малая стоимость источников питания способствует его более широкому применению для электрошлаковой сварки.

Режим сварки оказывает большое влияние на размеры и качество швов, а также на устойчивость процесса сварки.

Для лучшего понимания процессов, происходящих в шлаковой ванне, вызываемых изменением тех или иных составляющих режима сварки, рассмотрим некоторые особенности источника нагрева при электрошлаковой сварке — шлаковую ванну.

Схематическое изображение шлаковой ванны приведено ниже. Длина ванны соответствует толщине свариваемого металла, а ее глубина — расстоянию от верхней поверхности (зеркала) до поверхности металлической ванны.

С увеличением электропроводности шлака при равны к других условиях увеличивается расстояние между горном электрода и поверхностью металлической ил и ни, что приводит к возрастанию объема наиболее нагретого участка шлаковой ванны. Изменение размеров участка перегретого шлака, прилегающего к торцу электрода, Оказывает значительное влияние на размеры проплавления свариваемых кромок.

Положение конца электрода в шлаковой ванне, а следовательно, размер и положение перегретого участия электрошлаковой ванны могут значительно изменяться и зависимости от величины напряжения сварки, сварочного тока и некоторых других составляющих режима сварки. Существенные изменения могут быть также получены за счет состава и свойств шлака. При ном влияние свойств шлака состоит не только в изменении объема перегретого шлака, но также и в изменении диапазона напряжений, при которых процесс электрошлаковой сварки устойчив. Например, при сварке на бескислородном флюсе типа БКФ, имеющем более высокую электропроводность, напряжение сварки, при котором электрошлаковый процесс устойчив, составляет 25—30 в. Для флюсов типа АИ-8, ФН-7 этот диапазон напряжений составляет 32—52 в.

Одной из основных особенностей электрошлаковой сварки с применением электродов большого сечения является более равномерный нагрев шлаковой ванны, «следствие чего устойчивость процесса сварки повышается. Эта особенность позволяет производить сварку электродами большого сечения при малых плотностях тока и более низком напряжении сварки — 25—40 в вместо 30—50 в при проволочном электроде.

При электрошлаковой сварке электродами большого сечения величина сварочного тока зависит от сечении электрода и скорости его подачи в шлаковую ванну. Чем больше сечение электрода и чем больше скорость его подачи в шлаковую ванну, тем больше будет сварочный ток.

Таким образом, одной из особенностей электрошлаковой сварки швов электродами большого сечения является применение более мощных режимов сварки, при которых величина тока достигает 1500—2000 а и более. Между скоростью подачи электродов и величиной тока существует прямая зависимость. Сварочный ток увеличиваются пропорционально скорости электрода в шлаковую ванну. При применении электродов большого сечения торец электрода в процессе сварки может быть полностью погружен в шлаковую ванну или же может только частично соприкасаться со шлаковой ванной. П лом случае плавление электрода протекает также непрерывно, но не по всему сечению одновременно, а отдельными участками. Чем меньше скорость подачи электрода и чем выше напряжение сварки, тем меньше протяженность участка электрода, соприкасающегося со шлаковой ванной. Дальнейшее повышение напряжения сварки или уменьшение скорости подачи электрода может привести к периодическому обгоранию электрода.

Опытным путем было установлено, что при электрошлаковой сварке швов с применением флюса АН-8 процесс сварки может устойчиво протекать без обгорания электрода в том случае, если плотность тока будет составлять 0,5—0,6 а/мм и более. Это значит, что при сварке электродами сечением 100X10=1000 мм2 величина сварочного тока должна быть не менее 500—600 а. Форма провара при сварке пластинчатыми электродами большого сечения, так же как и при сварке перемета электродами, зависит от напряжения сварки и глубины шлаковой ванны. С увеличением напряжения ширина шва увеличивается. Благодаря более равномерному нагреву шлаковой ванны ширина шва, сваренного пластинчатым электродом, при одинаковом зазоре и напряжении сварки больше, чем при сварке тонкими перемещающимися электродами. Значительное влияние на ширину шва оказывает толщина пластинчатого электрода.

Регулирование уровня ванны можно осуществить путём изменения скорости сварки или скорости подачи электродной проволоки. Известно, что при изменении скорости подачи электродной проволоки изменяется режим сварки, и, в первую очередь, сварочный ток. Значительные изменения величины тока приводят к образованию в швах таких дефектов, как непровары, трещины и др. Поэтому способ регулирования уровня ванны путем изменения скорости подачи электродной проволоки не приемлем.

Более совершенной является система регулирования уровня ванны, основанная на изменении скорости передвижения сварочного аппарата в зависимости от положения металлической ванны под ползуном. Определение положения металлической ванны производится с помощью дифференциальных термопар, расположенных в рабочей стенке ползуна, или путем измерения напряжения между концом охлаждаемого щупа, погруженного в шлаковую ванну, и поверхностью металлической ванны.

В настоящее время аппараты для электрошлаковой сварки снабжаются схемами регулирования, основанными на принципе изменения напряжения между концом щупа и поверхностью металлической ванны. Сущность работы схемы регулирования уровня ванны, основанной на этом принципе, заключается в следующем. При понижении уровня металлической ванны напряжение между понижении металлической ванны и шлаком, покрывшем конец щупа. Изменяя кирши, передвижения аппарата, доводят уровень сварки до заданного положения.

Надежность способа электрошлаковой сварки во многом зависит от работы формирующих ползунов. Одним из невинных требований, предъявляемых к конструкции, является плотное прилегание их к свариваемому изделию при наличии смещений свариваемых лисит, неизбежно получаемых на практике. Детали, собранные под сварку, могут иметь смещение кромок щупом, который вмонтирован в ползун, и металлической ванной возрастает, что вызывает уменьшение скорости передвижения аппарата. Это уменьшение скорости будет иметь место до тех пор, пока уровень ванны не поднимется до заданного.

Главными причинами, вызывающими образование этих дефектов, являются: 1) несоблюдение установленного режима сварки; 2) низкое качество материалов, применяемых при сварке (основного металла, флюса, электродного металла); 3) неисправность сварочной аппаратуры; 4) плохая подготовка и сборка деталек под сварку.

Дефекты в сварных швах могут быть вызваны од ной, двумя или несколькими причинами. Кратко остановимся на основных причинах образования дефектов швов, сваренных электрошлаковой сваркой, наиболее часто встречающихся в производственной практике.

Непровары кромок свариваемых деталей образуются главным образом при низком напряжении сварки и недостаточном зазоре между свариваемыми кромками. Образованию этого дефекта способствует чрезмерное увеличение глубины шлаковой ванны (более 70 мм при сварке электродной проволокой и более 35—40 мм при сварке пластинчатыми электродами), а также увеличение сварочного тока при неизменном напряжении сварки. Местные непровары кромок могут быть вызваны неправильным расположением электродной проволоки в зазоре после выхода ее из мундштука и из-за неисправности мундштука сварочного аппарата.

Поры образуются из-за выделения из металлической ванны газов при ее кристаллизации. К числу этих газов относятся окись углерода, водород и азот. Главной причиной образования пор в швах, выполненных электрошлаковой сваркой, является окись углерода. При растворении в жидкой металлической ванне окислов железа, которые попадают туда главным образом в виде окалины и ржавчины, происходит окисление углерода с образованием его окиси. Если в металлической ванне концентрация раскислителей недостаточна, то процесс образования газообразной окиси углерода протекает интенсивно и в швах могут образоваться поры. Предупредить образование пор, вызванных образованием окиси углерода, можно путем подбора соответствующих сварочных материалов. Например, при сварке кипящей стали, которая не содержит такого раскислителя, как кремний, следует применять электроды, в металле которых содержатся кремний и марганец.

Для уменьшения склонности швов к пористости необязательно зачищать кромки свариваемых поверхностей, также электроды от грязи и ржавчины.

В зависимости от способа удержания и передвижения аппаратов по изделию их разделяют на следующие основные типы: а) рельсовые аппараты, которые перс двигаются вдоль шва по рельсам или специальным направляющим; б) безрельсовые аппараты, передвигающиеся непосредственно по свариваемому изделию; в) шагающие магнитные аппараты, передвигающиеся и удерживающиеся на изделии при помощи системы электромагнитов.

Наряду с приведенной классификацией, отражающей конструктивные особенности аппаратов для электрошлаковой сварки, их разделяют также и по назначению. Аппараты, применяемые промышленностью в настоящее время, разделяются по этому признаку следующим образом:

1. Аппараты для электрошлаковой сварки прямолинейных швов на изделиях толщиной до 450 мм. В промышленности наиболее широко применяются аппараты типа А-372. Этими аппаратами производят электрошлаковую сварку продольных швов котельных барабанов, элементов мощных гидропрессов, элементов мощных ковочно-механических прессов и других изделий.

2. Аппараты для электрошлаковой сварки кольцевых швов. Эти аппараты применяются при изготовлении «сварно-кованых валов гидротурбин, цилиндров гидропрессов, цилиндров шагающих экскаваторов и других подобных изделий. К числу таких аппаратов относится аппарат А-401.

3. Аппараты для электрошлаковой сварки деталей.