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.

Рис. 115. Схема сварки:

а - в продольном сечении зазора между свариваемыми кромками; б - в поперечном сечении зазора

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 токопод-водящего 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

1800

1600

Рис. П6. Изменение температуры шлаковой ванны по глубине при общей ее глубине hg

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

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

Рис. 117. Схема тепловых потоков:

<?1 и (?2 - тепло, выделяемое в омическом сопротивлении электрода между точкой то-коподвода и местом плавления (для удобства измерения его разделяют на тепло Qi, выделяемое в сухом вылете, и тепло Qi, выделяемое в погруженной части электрода); (?з - тепло, выделяемое в шлаковой ванне при прохождении через нее тока, являющееся основной статьей приходной части теплового баланса шлаковой ванны и общего баланса; дь - тепло, выделяемое соответственно в расплавленном металле при замыкании электрода с металлической ванной через капли и в сопротивлении растекания металлической ванны; qg - тепло, поступающее в электрод от шлаковой ванны путем теплопередачи; д, - тепло, поступающее в расплавленный металл (в капли) во время его переноса через шлаковую ванну; (?з - тепло, передаваемое от шлаковой ванны в металлическую ванну; дв - тепло, передаваемое шлаком основному металлу выше места начала плавления кромок (между уровнями А ч Б); qa - тепло, передаваемое основному металлу через оплавляемые кромки выше уровня начала кристаллизации, т. е. уровня массимальной ширины изотермы плавления (между уровнями Б н В); qn - тепло, передаваемое через закристаллизовавшийся металл к основному металлу ниже уровня начала кристаллизации (ниже уровня В); qis- потери тепла на излучение с поверхности шлаковой ванны; qis - отвод тепла в ползуны от шлаковой ванны; дц - отвод тепла в ползуны от шва и основного металла; q и - тепло, поступающее от металлической ванны к расплавляемому металлу через шлак и соответственно кружным путем, через металл; gi - тепло, выделяющееся при кристаллизации расплавленного основного металла; i? - 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 электрошлаковому 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 Acg) 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 электрошлаковой 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 электродуговой сваркой под флюсом и в струе углекислого газа (рис. П8). Указанную

закономерность можно объяснить сле-Рс - дующим.

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. П5. 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 металли-

ческой ванны by вначале увеличивает-

Рис. П8. Энергия Р. выделяемая при электрошлаковой сварке (/), сварке в углекислом газе (2) и дуговой сварке под флюсом (3) в зависимости от скорости Ус подачи электродной проволоки при постоянном ее диаметре

ся, 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. П8), вследствие чего погонная энергия сварки Pjv 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 ij становится меньше допустимого, кристаллиты шва с обеих оплавленных кромок растут встречно к центру шва и соединяются там, образуя плоскость слабины. Зо место шва обладает наименьшей пластичностью в температурном интервале хрупкости, и вследствие деформаций растяжения при охлаждении шва и околошовной зоны здесь происходит образование несплошности-кристаллизационной трещины (рис. 119). Допустимая величина коэффициента формы, ванны 1%. а следовательно, и допустимая величина силы свароч-

ного тока /с зависят 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

На практике величина 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 \j 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 изменяется незначительно. С увеличением ширины зазора между свариваемыми кромками ширина металлической ванны увеличивается, а глубина не изменяется. С увеличением глубины шлаковой ванны ширина металлической

4>

. Кристалли-зационная трещина

Рис. И9. Образование кристаллизационных трещин в металле шва в зависимости от коэффициента формы металлической ванны

а) ij) > 1,25; б) ф < 1,25

ванны уменьшается. В практике сварки глубина шлаковой ванны находится в пределах 30-70 мм. В зависимости от соотношения vnlb при вылете 70 мм, зазоре 24 мм и скорости возвратно-поступательного перемещения электродов вдоль зазора 40 м/ч глубина шлаковой ванны рекомендуется следующая:

Отношение vn/f 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 Ag, 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 электрошл а к о в о г о 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). Высокая 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 / 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 электрошлаковои сварки: напряжение t/c и силу тока /с. Уменьшение напряжения шлаковой ванны, свидетельствующее, в частности, об уменьшении расстояния от торца электрода до метал-

Рис. 120. Вольт-амперные характеристики:

/ источника питания; 2 - шлаковой ванны; 3 - сварочной головки