Техника сварки кольцевых швов (рис. 146) сложнее, чем стыковых, вследствие необкодимости совмещения конца (рис. 147, о) 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 Ai (рис. 115). Она должна составлять 15-18 мм. Одновременно увеличивают расстояние между электро-

- 35

. 30.

д, мм

Рис. 145. Зависимость скорости электрошлаковой сварки и напряжения сварки от толщины свариваемых деталей при выполнении прямолинейных швов

дами 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 Aj. После того как заварена /g 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) б) В)

Рис. 147. Схема сварки замыкающей части кольцевого шва

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. Это 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 околошовной зоны rgjj = 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, npoj растая 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.

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 дендритов, 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

Рис, 148. Схемы термических циклов

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 охлансдением поверхности сварного шва.

48. Результаты испытаний образцов после термической обработки

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 спосо(5ов 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.