книги из ГПНТБ / Электрошлаковая сварка Б. Е. Патон Центральное правление Научно-технического общества машиностроительной промышленности, Общественный университет, Заочные курсы по технологии и оборудованию сварочного производства.1960 - 13 Мб

ковой сварке не требуется кантовки изделий для сварки шва со

второй стороны.

Электрошлаковая сварка обеспечивает равномерный провар кромок свариваемых деталей. При этом форма провара получается

симметричной относительно плоскости, проходящей через середину толщины листов, и листы после электрошлаковой сварки не имеют

угловых деформаций.

Производительность электрошлаковой сварки при толщине^ ме­ талла >60 мм в 3—15 раз выше производительности многослойной

сварки под флюсом.

Значительные преимущества электрошлаковой сварки: большая

производительность процесса, высокое качество швов, а также сни­ жение трудоемкости и стоимости работ — способствуют успешному внедрению этого нового способа сварки в производство.

2. Применяемые материалы

Флюс и электродный металл являются основными сварочными

ная проволока, пластины и стержни различных сечений из металла

различных составов.

К флюсам для электрошлаковой сварки предъявляются следую­

щие основные требования.

Флюс должен обеспечить быстрый переход от дугового к устой­

чивому электрошлаковому процессу и его высокую стабильность. Возникновение дугового разряда при устанавливающемся шлако­

вом процессе может привести к образованию в швах серьезных де­ фектов. Поэтому флюсы для электрошлаковой сварки должны обладать свойствами, которые затрудняют возбуждение и сущест­

вование дугового разряда.

Благодаря флюсу должно происходить равномерное проплавле­ ние кромок и удовлетворительное формирование поверхности шва.

Флюс в сочетании с электродным металлом и принятым режи­ мом сварки должен обеспечить высокое качество сварных швов.

В швах не должно быть пор, трещин и других дефектов. .Выполне­ ние трех перечисленных выше требований обеспечивается соот­ ветствующим химическим составом флюса, определяющим его

металлургические и физические свойства (электропроводность, вяз­ кость и др.).

В настоящее время для электрошлаковой сварки конструкциойных углеродистых и низколегированных сталей применяются флюсы

марок АН-8, ФЦ-7, АН-22. Химический состав этих флюсов'приве­ ден в табл. 1.

Для электрошлаковой сварки высоколегированных сталей аустенитного класса применяются флюсы, изготовляемые на основе

Таблица 1

сварки могут служить электродная проволока (ГОСТ 2246—54) и стержни различного сечения, а также пластины, изготовляемые из листового или полосового проката.

Выбор марки электродной проволоки или стали для изготовле­ ния пластинчатых электродов производится в зависимости от требо­ ваний, предъявленных к сварным соединениям того или иного изде­ лия. Для конструкций из малоуглеродистой стали в качестве элек­ тродного материала могут применяться электродная проволока марок Св-08, Св-08А, Св-08Г и Св-08ГА или же пластинчатые электроды, изготовленные из сталей марок Ст. 3 или 10Г2.

Для сварки изделий из стали с повышенным содержанием угле­ рода или же для изделий из низколегированной стали обычно при­ меняется электродная проволока марок Св-10Г2, Св-10ГС и других, а также пластинчатые электроды из сталей марок МК, 10Г2 и дру­ гих. Применение таких электродов обеспечивает необходимые механические свойства сварных соединений.

Кроме того, в ряде случаев, когда требуется получить металл шва, одинаковый по составу с основным металлом, в качестве

электродного металла применяется сталь, также одинаковая по составу с основным металлом.

3. Режимы

Режим электрошлаковой сварки характеризуется следующими основными составляющими: сварочным током /, который находит­ ся в прямой зависимости от скорости подачи электрода Vа в зону

дов, применяемых для сварки, и .характером их перемещения в за­ зоре; величиной зазора между свариваемыми деталями в. Скорость сварки Vc при электрошлаковом процессе зависит от скорости подачи электродного металла в зону сварки и величины зазора. Регулируя скорость подачи электродов и их количество, можно

изменять скорость сварки.

10

К числу основных составляющих режима относятся также рас­ стояния между электродами I (см. рис. 1,6), расстояние между

электродами и формирующим ползуном <2, скорость поперечных

Вспомогательными составляющими режима электрошлаковой сварки являются напряжение холостого хода источника питания

Их х и ряд других факторов.

Электрошлаковая сварка в большинстве случаев ведется на пе­ ременном токе (устойчивость процесса при сварке на переменном токе также высока, как и при сварке на постоянном токе).

Однако при переменном токе в начальный период сварки тре­ буется больше времени для установления электрошлакового про­ цесса, чем при постоянном токе. Поэтому при сварке металла тол­ щиной менее 50 мм ее ведут на постоянном токе.

Режим сварки оказывает существенное влияние на размеры и

качество швов, а также на устойчивость процесса сварки.

Тепло, выделяющееся в шлаковой ванне, передается основному металлу через расплавленный шлак и жидкий металл сварочной ванны. Однако одно и то же количество тепла, выделяющееся в

шлаковой ванне, может быть по-разному использовано для нагрева и плавления основного металла.

Рассмотрим влияние составляющих режима электрошлаковой сварки на глубину проплавления кромок (ширину провара) при сварке одним электродом.

Сварочный ток. Величина сварочного тока зависит от ско­ рости подачи электродной проволоки. Однако ток растет не про­ порционально скорости подачи, а значительно медленнее. При сварке на больших токах ширина провара с увеличением подачи уменьшается. Объясняется это тем, что величина тока непропорцио­ нальна скорости подачи и при ее увеличении снижается погонная энергия.

Если бы ток изменялся пропорционально подаче электродной.,

проволоки, то погонная энергия не изменялась бы.

При сварке на малых подачах уменьшение ширины провара наблюдается с уменьшением тока. Это объясняется тем, что при малых скоростях сварки ширина изотерм температурного полчуменьшается с падением мощности источника и уменьшением ско-.

рости его перемещения.

Скорости подачи электрода могут меняться в широких преде­ лах; для электрода диаметром 3 мм применяются подачи от 60 до 500 м/час. Нижний предел ограничен чаще всего соображениями

производительности, а иногда явлением уменьшения провара. Критерий для определения верхнего предела — опасность появ­

ления кристаллизационных трещин, устойчивость процесса сварки.

Напряжение. С повышением напряжения при сварке увели, чивается количество тепла, выделяющегося в шлаковой ванне, за­ метно возрастают размеры наиболее перегретого объема сварочной

н

ванны. При этом увеличивается глубина проплавления. Из всех со­

ставляющих режима напряжение сварки оказывает наибольшее

влияние на глубину проплавления кромок. Регулируя напряжение сварки, можно в широких пределах изменять ширину шва.

При электрошлаковой сварке на излишне низком напряжении могут образовываться непровары кромок. Чрезмерное повышение

напряжения ведет к перегреву и кипению шлаковой ванны и нару­ шению устойчивости процесса.

Глубина шлаковой ванны оказывает значительное вли­ яние на ширину шва. Увеличение глубины шлаковой ванны приво­ дит к уменьшению глубины проплавления свариваемых кромок.

Уменьшение глубины шлаковой ванны влечет за собой увеличение

глубины проплавления кромок.

Оптимальная глубина шлаковой ванны, которую следует под­ держивать в процессе сварки, составляет 40—60 мм. При глубине шлаковой ванны более 70 мм могут наблюдаться непровары по кромкам. При глубине шлаковой ванны менее 30 мм устойчивость процесса сварки нарушается, наблюдается кипение шлака, сопро­ вождающееся разбрызгиванием и всплесками.

Для получения равномерного проплавления кромок необходимо глубину шлаковой ванны поддерживать постоянной. Для компенса­ ции расхода шлака на образование корочки и выгорание необходи­ мо периодически небольшими порциями засыпать флюс в зону сварки.

Сечение электродов оказывает заметное влияние на глу­ бину проплавления кромок. С увеличением диаметра электродной

проволоки глубина проплавления увеличивается. Увеличение диа­ метра электрода способствует повышению устойчивости электро-

шлакового процесса. Несмотря на указанные преимущества, в со­ временных сварочных аппаратах для электрошлаковой сварки при­ меняется электродная проволока диаметром 2,5—3 мм.

Причина применения проволоки малого диаметра заключается

в том, что при проволоке с диаметром 2,5—3 мм можно значитель­ но упростить механизм подачи и правки проволоки и конструкцию

мундштуков.

Скорость поперечных перемещений электрода. Регулируя скорость поперечных перемещений, можно в довольно

широких пределах изменять ширину проплавления свариваемых кромок.

С увеличением скорости поперечных перемещений электрода ширина проплавления уменьшается. Для получения надежного про­ вара скорость поперечных перемещений должна составлять 30—

40 м/час.

Зазор между свариваемыми кромками оказывает большое влияние на ширину провара. Уменьшение величины зазора вызывает заметное снижение ширины провара. Одновременно ухуд­

шается устойчивость электрошлакового процесса. В случае сварки

12

деталей с малым зазором затрудняется введение мундштуков в за­ зор и увеличивается опасность их замыкания на кромки.

Увеличение зазора способствует повышению устойчивости электрошлакового процесса, позволяет получить провар большей шири­ ны, но в то же время приводит к уменьшению производительности

процесса сварки. Величина зазора обычно выбирается в пределах

25—30 мм.

Выше было рассмотрено влияние отдельных составляющих ре­ жима сварки на ширину провара. Однако качество швов опреде­

ляется не только получением надежного провара кромок сварива­ емого изделия. Изменяя ширину провара, мы тем самым изменяем также долю основного металла в металле шва, а следовательно, мо­ жем регулировать его химический состав.

Режим сварки оказывает влияние не только на размеры прова­

ра и химический состав, но также и на структуру шва. Известно, что от структуры шва зависят его стойкость против образования горя­ чих трещин и механические свойства.

Следует отметить, что при электрошлаковой сварке в результате применения режимов, характеризующихся большой погонной энер­

гией, металл шва получает крупнокристаллическое строение. На­ блюдается также значительный рост зерна в околошовной зоне. Это обстоятельство вызывает снижение показателей ударной вязкости металла шва и околошовной зоны, особенно при пониженных темпе­ ратурах испытания.

Для измельчения структуры и повышения ударной вязкости ме­ талла шва и околошовной зоны ответственные сварные конструк­ ции подвергаются термообработке — нормализации и отпуску. Для

снятия остаточных напряжений некоторые конструкции после

электрошлаковой сварки подвергаются только высокому отпуску.

4. Особенности электрошлаковой сварки электродами большого сечения

При электрошлаковой сварке с помощью электродной проволо­ ки, с поперечным перемещением в зазоре, шлаковая ванна имеет весьма неравномерный нагрев. Непосредственно под электродом располагается участок наиболее разогретого шлака. Другие участки ванны по мере удаления от них электрода охлаждены и их элек­ тропроводность снижена.

Одной из основных особенностей электрошлаковой сварки с при­ менением электродов большого сечения является более равномер­ ный нагрев шлаковой ванны. Вследствие этого устойчивость процес­ са сварки повышается. Эта особенность позволяет производить свар­ ку электродами большого сечения при малых плотностях тока и более низком напряжении сварки — 20—40 в вместо 30—55 в при проволочном электроде.

При электрошлаковой сварке электродами большого сечения величина сварочного тока находится в прямопропорциональной за­

13

висимости от сечения электрода и скорости его подачи в шлаковую ванну. Чем больше сечение электрода и скорость его подачи в шлаковую ванну, тем выше сварочный ток.

При сварке электродом большого сечения ток достигает 1 500— 2 000 а и более.

При сварке электродом большого сечения торец электрода в процессе сварки может быть или полностью погружен в шлаковую ванну или только частично соприкасаться с ней. Во втором случае плавление электрода происходит также непрерывно, но не по всему сечению одновременно, а отдельными участками. Чем меньше ско­ рость подачи электрода и чем выше напряжение сварки, тем меньше протяженность участка электрода, соприкасающегося со шлаковой ванной. Дальнейшее повышение напряжения сварки или уменьше­

ние скорости подачи электрода может привести к периодическому

обгоранию электрода.

Опытным путем 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!мм2 и более. Это значит, что при сварке электродами сечением 100X10=1 000 лгж2 величина свароч­ ного тока должна быть не менее 500—600 а.

Очертания зоны проплавления кромок при сварке пластинча­ тыми электродами большого сечения, так же как и при сварке пере­ мещающимися проволочными электродами; зависят от напряжения сварки, величины тока и глубины шлаковой ванны. С увеличением напряжения ширина шва увеличивается. Благодаря более равно­ мерному нагреву шлаковой ванны шов, свариваемый пластинчатым электродом, при одинаковом зазоре и напряжении сварки имеет большую ширину, нежели при сварке проволочными перемещающи­ мися электродами. Значительное влияние на ширину шва оказыва­ ет толщина пластинчатого электрода. При электрошлаковой свар­ ке электродами большого сечения чаще применяют пластинчатые

электроды толщиной 10—12 мм. С увеличением толщины электрода величина провара заметно увеличивается. Ширина пластинчатого Электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемого изделия. При сравнительно небольшой толщине деталей (до 100— 150 мм) сварку выполняют одним электродом, ширина которого равна толщине детали. Сварку деталей большей толщины обычно выполняют тремя пластинчатыми электродами. Для определения ширины каждого электрода необходимо из толщины свариваемого

изделия вычесть 20—25 мм (величину, равную удвоенному зазору между электродами) и оставшуюся разность разделить на 3 (ко­ личество электродов).

Длину электродов определяют в зависимости от длины шва. Перед сваркой пластинчатые электроды устанавливаются посреди зазора так, чтобы кромки первого и третьего электродов соответ­ ствовали наружным кромкам свариваемых деталей.

Глубина шлаковой ванны при сварке пластинчатым электродом

14

оказывает значительно большее влияние на очертания зоны про­ плавления, чем при сварке тонкой электродной проволокой. Это обстоятельство заставляет более точно поддерживать заданную

глубину шлаковой ванны, оптимальное значение которой для пла­ стинчатых электродов — 20—35 мм.

При сварке пластинчатым электродом металла сравнительно

небольшой толщины, например 70—100 мм, зона проплавления имеет бочкообразную форму (см. рис. 2). С увеличением толщины

свариваемого металла провар по толщине листов становится более равномерным.

Более равномерный разогрев шлаковой ванны по всей длине

приводит к тому, что глубина металлической ванны при сварке пластинчатым электродом при одинаковых режимах сварки будет меньшей, чем при сварке тонкой электродной проволокой. Непре­ рывный и равномерный подогрев поверхности металлической ванны

благоприятствует более полному удалению газов из жидкого метал­

Электрошлаковая сварка металла толщиной от 40 до 450 мм обычно выполняется электродными проволоками диаметром 3 мм.

Сварка в зависимости от толщины свариваемого металла про­ изводится одним или несколькими неподвижными или подвижными электродами.

Количество электродов, не имеющих возвратно-поступательных

перемещений, определяется из расчета один электрод на 30—50 мм толщины свариваемого металла. Необходимое количество электро­ дов, имеющих поперечные перемещения в зазоре, определяется из

расчета один электрод на 50—120 мм толщины свариваемого ме­ талла.

Электрошлаковую сварку деталей толщиной более 450 мм целе­ сообразно выполнять пластинчатыми электродами. При этом для, равномерной загрузки трехфазной сети применяют число электро­ дов, кратное трем. Пластинчатые электроды также успешно могут применяться при электрошлаковой сварке деталей толщиной менее 450 мм небольшой длины (до 1 000—1 500 лмг). При этом значитель­ но упрощаются применяемые для сварки аппаратура и приспособ­

ления.

Важным вопросом техники электрошлаковой сварки является выбор конструкции устройств для формирования шва. К числу этих

устройств относятся медные охлаждаемые водой ползуны (рис. 5)

и неподвижные, охлаждаемые или неохлаждаемые, остающиеся подкладки. Неподвижные (медные) или остающиеся подкладки применяются в случаях, если из-за отсутствия места затруднено наблюдение за ползуном в процессе сварки или изделие, по кото­

рому должен передвигаться ползун, имеет значительные неровности;

связанные с разрушением металла (просвечивание рентгеновскими или гамма-лучами, ультразвуковая дефектоскопия) и связанные с разрушением металла. С помощью рентгеновских или гамма-лучей можно выявлять внутренние дефекты металла и шва в виде пор, включений, непроваров, трещин и др.

В настоящее время ультразвуковая дефектоскопия является единственно надежным способом выявления дефектов в сварных соединениях из металла толщиной, превосходящей 100—120 мм.

Помимо указанных методов контроля, при изготовлении ответ­ ственных конструкций необходимо проводить испытания для опре­ деления механических свойств металла шва и сварного соедине­ ния в целом.

Определение физических и механических свойств сварного со­

единения проводят на стандартных или специальных образцах, вырезанных из шва, так называемых образцах-свидетелях.

Взависимости от назначения сварной конструкции и условий

ееработы проводятся специальные испытания этих образцов, на­ пример испытания на старение, выносливость, коррозионную стой­ кость и др.

III.ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ

1. Особенности конструкции и типы аппаратов для электрошлаковой сварки

Аппараты для электрошлаковой сварки отличаются от аппара­ тов для автоматической сварки под флюсом в нижнем положении наличием медных охлаждаемых ползунов для удержания свароч­ ной ванны и формирования шва и специальных устройств для пере­

движения аппарата по вертикальной плоскости.

.В зависимости от способа передвижения по изделию аппараты разделяют на следующие основные типы: а) рельсовые, передви­

гающиеся вдоль шва по рельсам или специальным направляющим;

б) безрельсовые, передвигающиеся непосредственно по сваривае­ мому изделию; в) шагающие магнитные, передвигающиеся и удер­ живающиеся на изделии при помощи системы электромагнитов.

По назначению аппараты для электрошлаковой сварки бывают следующие:

а) аппараты для сварки прямолинейных швов на изделиях тол­ щиной до 450 мм (продольные швы котельных барабанов, элемен­ тов м’ощных гидравлических и ковочно-механических прессов

и т. д.);

б) аппараты сварки кольцевых швов сварно-кованых валов

гидротурбин, цилиндров гидропрессов, цилиндров шагающих

экскаваторов и т. д.;

в) аппараты для сварки деталей большого сечения, имеющих

сравнительно небольшую высоту (до 1 000 мм): станин прокатных

станов^ станин пресс-ножниц и др.

18