13 Электрошлаковый процесс

Источником теплоты при электрошлаковой и ванно-шлаковой сварке служит электрошлаковый процесс — преобразование электрической энергии в теплоту при прохождении тока через слой расплавленного шлака (электролита) (рис.) Шлак, имеющий температуру 1900—2000°С, плавит электрод и кромки листов; своеобразная форма их оплавления обусловлена потоками в ванне шлака (пунктирная линия со стрелками на рис.).

Для образования шлака используются специальные флюсы; пригодны также многие флюсы для дуговой сварки. Процесс обычно начинают с возбуждения дуги. При образовании достаточного объема жидкого шлака процесс становится бездуговым — электрошлаковым. Необходимый объем шлака обеспечивается при толщине листов более 12—16 мм и глубине шлаковой ванны h_ш. в более 20 мм.

Для электрошлакового процесса выполняется связь между током, напряжением и скоростью плавления электрода. Как и дуговой, электрошлаковый процесс обладает способностью к саморегулированию; он устойчив при любом роде тока, при постоянной подаче проволоки и источнике с жесткой характеристикой.

Рис. Схема электрошлакового процесса.

1 — металлическая ванна; 2 — шлаковая ванна: 3 — электрод плавящийся; 4 — токоподвод. Стрелками показаны потоки шлака.

15 ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА В ЗОНЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ.

Характер изменений структуры основного металла в ЗТВ, обусловленных его нагревом и охлаждением при сварке, выясняется при сопоставлении линии максимальных температур нагрева основного металла в отдельных точках околошовной зоны с диаграммой состояния сплава. Так как на диаграммах состояния сплавов указываются структуры, образующиеся при очень медленном нагреве и охлаждении (равновесная структура), а при сварке нагрев и охлаждение протекают быстро (образуется неравновесная структура), выявляемая при этом картина является ориентировочной.

Рис. Строение основного металла в зоне термического влияния (ЗТВ)

1 — область температур, вызывающих перегрев стали; 2 — линия максимальной температуры нагрева ЗТВ.

Непосредственно ко шву примыкает участок I, металл которого нагревался от температуры начала интенсивного роста зерна аустенита (1100—1200° С) до температуры плавления.

Участок I именуют участком крупного зерна или перегрева.

На участке II металл нагревался выше температуры критической точки А₃, но ниже температуры перегрева. Переход при нагревании критической точки А₁ сопровождается образованием мелкого зерна аустенита.

На участке III (нагрев в интервале критических точек А₁...А₃) происходит неполная перекристаллизация: зерна феррита остаются в исходном состоянии, а зерна перлита измельчаются. Участок III — это переходная область к основному ме­таллу.

Если сварке подвергается термоупрочненная сталь, то в околошовной зоне наблюдается участок отпуска IV (на котором металл нагревался ниже точки А₁;) с пониженной твердостью и временным сопротивлением разрыву, т.е. зная диаграмму состояния мы можем проследить образование феррита и зерен аустенита, образование перлита и бейнита связано с диффузионным распадом аустенита.

Бейнитовое превращение протекает при низких температурах, когда диффузионное перераспределение углерода не успевает завершиться. Поэтому структура бейнита отличается сильно выраженной игольчатостью и большей твердостью по сравнению со структурой перлита.

Свойства мартенсита в большой степени зависят от содержания углерода в стали. При закалке сталей с С<0,26% образуется так называемый дислокационный игольчатый мартенсит, достаточно пластичный, с твердостью до 500 НV..

Корпусные стали делаются малоуглеродистыми, при их сварке скорости охлаждения не превышают 35° С/с, и это усло­вие выполняется.

В ЗТВ стали 09Г2 толщиной 10 мм образуется структура, содержащая около 30% феррита и около 70% перлита, твердость около 180 НV. Такая структура пластична и обеспечивает сварному соединению хорошую работоспособность. У сталей с повышенным содержанием углерода образуется так называемый двойниковый мартенсит, обладающий повышенной твердостью (до 900 НV) и хрупкостью. Стали с повышенным содержанием углерода используются в судовом машиностроении. В сварных соединениях таких сталей мартенсит недопустим (опасность образования трещин). Поэтому технология сварки сталей с высоким содержанием углерода сложна: обычно требуется высокий подогрев при сварке (200—350° С), нередко и отпуск после сварки.

Ширина ЗТВ, нагреваемой от 721 до 1500° С (суммарная ширина участков I, II и III; T=1500—721 = 779°С):

- при наплавке на массивное тело

- при сварке листа со сквозным проплавлением

При ручной и механизированной электродуговой сварке корпусных сталей суммарная ширина участков I, II и III в ЗТВ находится в пределах 1—5 мм и свойства металла в ЗТВ отрицательного влияния на работоспособность сварных соединений не оказывают. При электрошлаковой сварке листов толщиной более 30—40 мм погонные энергии во много раз превышают значения, характерные для дуговой сварки, ширина зоны соответственно возрастает, а рост зерна на участке I настолько значительный, что в ряде случаев сварные соединения подвергают отжигу для улучшения структуры ЗТВ (а также и шва).