Электрошлаковая сварка легированных сталей

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Сущность способа

Техника сварки

Применение способа электрошлаковой сварки, достоинства и недостатки

Сварка легированных сталей

Вывод

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Электрошлаковая сварка (ЭШС) нашла широкое применение при изготовлении изделий металлургического, прокатного и энергетического оборудования, в котло-, гидро- и прессостроении, в строительстве и т.д. С помощью этого способа сварки выполняются конструкции из углеродистых и легированных сталей, титана, алюминия, меди и их сплавов. Диапазон свариваемых толщин металла составляет 20-2500 мм.

Современная оснащённость ЭШС такова, что позволяет решать практически любые задачи промышленности на самом высоком техническом уровне. Причём, как показал многолетний опыт, эффективность применения ЭШС в значительной степени зависит от правильного выбора сварочного оборудования, а также рационального решения вопросов техники сварки и применения соответствующей технологической оснастки.

СУЩНОСТЬ СПОСОБА

Расплавленные флюсы образуют шлаки, которые являются проводниками электрического тока. При этом в объеме расплавленного шлака при протекании сварочного тока выделяется теплота. Этот принцип и лежит в основе электрошлаковой сварки (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема процесса электрошлаковой сварки

Электрод 1 и основной металл 2 связаны электрически через расплавленный шлак 3 (шлаковая ванна). Выделяющаяся в шлаковой ванне теплота нагревает его выше температуры плавления основного и электродного металлов. В результате металл электрода и кромки основного металла оплавляются и ввиду большей плотности металла, чем шлака, стекают на дно расплава, образуя ванну расплавленного металла 4 (металлическую ванну).

Электродный металл в виде отдельных капель, проходя через жидкий шлак, взаимодействует с ним, изменяя при этом свой состав. Шлаковая ванна, находясь над поверхностью расплавленного металла, препятствует его взаимодействию с воздухом. При правильно подобранной скорости подачи электрода зазор между торцом электрода и поверхностью металлической ванны остается постоянным.

Свариваемый металл, шлаковая и металлическая ванны удерживаются от вытекания обычно специальными формирующими устройствами подвижными или неподвижными медными ползунами 5, охлаждаемыми водой б, или остающимися пластинами. Верхняя кромка ползуна располагается несколько выше зеркала шлаковой ванны. Кристаллизующийся в нижней части металлической ванны расплавленный металл образует шов 7. Шлаковая ванна, находясь над поверхностью металлической ванны, соприкасаясь с охлаждаемыми ползунами, образует на них тонкую шлаковую корку, исключая тем самым непосредственный контакт расплавленного металла с поверхностью охлаждаемого ползуна и предупреждая образование в металле шва кристаллизационных трещин.

Расход флюса при этом способе сварки невелик и обычно не превышает 5% массы наплавленного металла. Ввиду малого количества шлака легирование наплавленного металла происходит в основном за счет электродной проволоки. Доля основного металла в шве может быть снижена до 10 ... 20%. Вертикальное положение металлической ванны, повышенная температура ее верхней части и значительное время пребывания металла в расплавленном состоянии способствуют улучшению условий удаления газов и неметаллических включений из металла шва. По сравнению со сварочной дугой шлаковая ванна - менее концентрированный источник теплоты. Поэтому термический цикл электрошлаковой сварки характеризуется медленным нагревом и охлаждением основного металла. Отклонение положения оси свариваемого шва от вертикали возможно не более чем на 15⁰ в плоскости листов и на 30 ... 45⁰ от горизонтали.

Так как выделение теплоты в шлаковой ванне происходит главным образом в области электрода, максимальная толщина основного металла, свариваемого с использованием одной электродной проволоки, обычно ограничена 60 мм. При сварке металла большей толщины электроду в зазоре между кромками сообщают возвратно-поступательное движение (до 150 мм) или используют несколько неподвижных или перемещающихся (рисунок 2) электродов. В этом случае появляется возможность сварки металла сколь угодно большой толщины.

Рисунок 2 - Схемы процесса многоэлектродной электрошлаковой сварки (а - тремя электродами (стрелками указанно возможное возвратно-поступательное движение электродов); б - десятью неподвижными электродами)

ТЕХНИКА СВАРКИ

Электрошлаковый процесс устойчиво протекает при плотностях тока около 0,1 А/мм² (при дуговой сварке порядка 20 ... 30 А/мм²). Поэтому возможна замена проволочных электродов на пластинчатые (рисунок 3) или ленточные электроды. Однако если невозможно использование механизма подачи пластинчатых электродов (недостаток места над изделием и др.) и при сварке изделий сложного сечения (пластинчатый электрод должен быть неподвижен) для компенсации недостатка металла для заполнения пространства между электродами и кромками основного металла, используют способ сварки плавящимся мундштуком. В этом случае пластинчатый электрод по форме может повторять форму свариваемых кромок и быть составным (рисунок 4).

Рисунок 3 - Схема электрошлаковой сварки пластичным электродом

Рисунок 4 - Схема электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком (а - общий вид; б - положение составного пластинчатого электрода в зазоре свариваемого стыка)

Токоподвод к электродной проволоке осуществляется через скользящий контакт с пластинчатым расплавляющимся электродом (мундштуком). Один из приемов наплавки плоских поверхностей показан на рис.5, а. При электрошлаковой контактной стыковой сварке (рис.5, б) стержней различного поперечного сечения после образования металлической ванны требуемого объема происходят выключение сварочного тока и осадка верхнего стержня. Этим способом можно приваривать стержни к плоской поверхности.

Рисунок 5 - Схемы электрошлаковой наплавки (а); и контактной электрошлаковой сварки (б) На рисунке 5 стрелками обозначено:

А - направление перемещения формирующего ползуна;

Б - возвратно-поступательные движения электродов;

В - направление подачи стержня в шлаковую ванну

Число электродных проволок, их диаметр и сечение пластинчатых электродов или плавящихся мундштуков, скорость, их подачи и другие параметры выбирают таким образом, чтобы получить скорость и напряжение сварки, обеспечивающие устойчивость процесса и требуемые размеры и форму шва.

Заготовки под сварку следует собирать с учетом усадки стыка после сварки. Для плотного прилегания ползунов и формирующих устройств к кромкам стыка последние зачищают от заусенцев, окалины и т.д. на ширину до 100 мм. Для вывода за пределы шва усадочной раковины в конце шва (рисунок 6) устанавливают выводные, а вывода непроваров в начале шва - входные планки, которые после сварки удаляют резкой. Для начала сварки в карман, образованный входными планками, засыпают флюс, который плавится сварочной дугой до получения шлаковой ванны требуемых размеров.

Рисунок 6 - Установка выводных (а) и выходных (б) планок

После этого дуга шунтируется шлаком, и процесс переходит в бездуговой - электрошлаковый. Перед началом сварки можно заливать шлак, расплавленный в специальном кокиле. Для наведения электрошлаковой ванны можно использовать специальные флюсы, электропроводные в твердом состоянии. Оригинален процесс сварки кольцевых швов (рисунок 7). Сварку начинают на входной планке 1. В процессе дальнейшей сварки при вращении изделия дефектный участок в начале шва 2 вырезают для замыкания шва. При замыкании шва вращение изделия прекращается и начинается перемещение сварочной установки вверх (стрелка Б на рисунке 7,б), как при обычной сварке прямолинейного шва. Замыкание шва и вывод усадочной раковины осуществляют с помощью специального кармана из пластин 3 или кокиля.

Рисунок 7 - Электрошлаковая сварка кольцевого шва (а - вырезка дефектов в начале сварки; б - замыкание шва; А - направление вращения изделия; Б - перемещение автомата)

В процессе электрошлаковой сварки металл шва и околошовной зоны находится длительное время при высоких температурах и подвергается значительному перегреву. В результате происходит разупрочнение сварочного соединения и снижение его ударной вязкости. Для восстановления свойств применяется последующая термообработка. Для снижения длительности пребывания металла при высоких температурах в шлаковую ванну вводят дополнительную присадку в виде порошкообразного материала (рубленая проволока с гранулами 0,2…1,6 мм) или производят соответствующее принудительное охлаждение поверхности шва и околошовной зоны водяным душем.

Применение электрошлаковой сварки вносит коренные изменения в технологию производства крупногабаритных изделий. Появляется возможность замены крупных литых или кованых деталей сварно-литыми или сварно-коваными из более мелких поковок или отливок.

ПРИМЕНЕНИЕ СПОСОБА ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ, ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ

Этот способ широко используют в промышленности для соединения металлов повышенной толщины: стали и чугуна различного состава, меди, алюминия, титана и их сплавов. К преимуществам способа относится возможность сварки за один проход металла практически любой толщины, что не требует удаления шлака и соответствующей настройки сварочной установки перед сваркой последующего прохода, как при других способах сварки. При этом сварку выполняют без снятия фасок на кромках. Для сварки можно использовать один или несколько проволочных электродов или электродов другого увеличенного сечения. В результате этого достигается высокая производительность и экономичность процесса, повышающиеся с ростом толщины свариваемого металла.

К недостаткам способа следует отнести то, что электрошлаковая сварка технически возможна при толщине металла более 16 мм и за редкими исключениями экономически выгодна при сварке металла толщиной более 40 мм. Основной технико-экономический эффект достигается при применении этого способа для сварки металла толщиной более 100 мм. Способ позволяет сваривать только вертикальные швы. При сварке некоторых металлов образование в металле шва и околошовной зоны неблагоприятных структур требует последующей термообработки для получения необходимых свойств сварного соединения.

СВАРКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Одним из основных способов сварки высоколегированных сталей толщиной 3-50 мм, применяемых в химической, нефтехимической аппаратуре, атомной технике и некоторых других отраслях промышленности является сварка под флюсом. Она имеет большое преимущество перед ручной дуговой сваркой покрытыми электродами ввиду стабильности состава и свойств металла по всей длине шва, при сварке с разделкой и без разделки кромок. Это достигается отсутствием частых кратеров, образующихся при смене электрода, обрывов дуги, равномерностью плавления электродной проволоки и основного металла по длине шва (при ручной сварке в связи с изменением вылета электрода скорость его плавления вначале будет меньше, чем в конце, что периодически изменяет долю основного металла в шве, а значит и его со став) и более надежной защитой зоны сварки от окисления легирующих компонентов кислородом воздуха.

Хорошее формирование поверхности швов с мелкой чешуйчатостью и плавным переходом к основному металлу, отсутствие брызг на поверхности изделия заметно повышают коррозионную стойкость сварных соединений. При этом способе уменьшается трудоемкость подготовительных работ, так как разделку кромок производят на металле толщиной выше 12 мм (при ручной сварке свыше 3-5 мм). Возможна сварка с повышенным зазором и без разделки кромок стали толщиной до 30-40 мм. Уменьшение потерь на угар, разбрызгивание и огарки электродов на 10-20 % снижает расход дорогостоящей сварочной проволоки.

При сварке под флюсом значительно труднее обеспечить необходимое содержание ферритной фазы в металле шва только за счет выбора сварочных флюсов и проволок, которые в пределах одной марки имеют значительные колебания химического состава. На содержание ферритной фазы в металле влияет также его толщина и разные формы разделки, приводящие к изменению доли участия основного металла в металле шва. Техника и режимы сварки под флюсом высоколегированных сталей отличаются от сварки обычных низколегированных.

Для предупреждения перегрева металла и связанного с этим укрупнения структуры, возможности появления трещин и снижения эксплуатационных свойств сварного соединения рекомендуется выполнять сварку валиками небольшого сечения, применяя для этого проволоку диаметром 2- 3 мм, а в связи с высоким электросопротивлением аустенитных сталей вылет электрода следует уменьшить в 1,5-2 раза.

Легировать шов можно через флюс (табл. 3) или про волоку (табл. 4), последнее предпочтительнее, так как обеспечивает необходимую стабильность металла шва.

Таблица 3 - Флюсы для электродуговой и электрошлаковой сварки высоколегированных сталей

Таблица 4 - Некоторые марки сварочной проволоки для электродуговой сварки под флюсом и электрошлаковой сварки высоколегированных сталей

Для сварки используют низкокремнистые фторидные флюсы, создающие в зоне сварки безокислительные или малоокислительные среды, что приводит к минимальному угару легирующих элементов. Для снижения вероятности образования пор в швах флюсы для высоколегированных сталей необходимо прокалить непосредственно перед сваркой при 500-800°С в течение 1-2 ч. Остатки шлака и флюса на поверхности швов, которые могут служить очагами коррозии сварных соединений на коррозионно- и жаростойких сталях, необходимо тщательно удалять.

Особенностью электрошлаковой сварки является пониженная чувствительность к образованию горячих трещин, что объясняется малой скоростью перемещения источника нагрева и характером кристаллизации металла сварочной ванны, в результате создаются условия получения чисто аустенитных швов без трещин. Однако длительное пребывание металла шва и околошовной зоны при повышенных температурах увеличивает его перегрев и ширину околошовной зоны, а длительное пребывание металла при температурах 1200-1250°С приводит к изменению его структуры, снижает прочностные и пластические свойства. В результате сварные соединения теплоустойчивых сталей предрасположены к разрушениям в процессе термической обработки или эксплуатации при повышенных температурах.

Перегрев при сварке зоны термического влияния коррозионно-стойких сталей может привести к образованию в ней ножевой коррозии, поэтому для предупреждения указанных дефектов необходима термообработка сварных изделий (закалка или стабилизирующий отжиг). При выборе флюса и сварочной проволоки необходимо учитывать проникновение кислорода воздуха через поверхность шлаковой ванны, что приводит к угару легкоокисляющихся элементов (титана, марганца и др.). Это вызывает необходимость в некоторых случаях защищать поверхность шлаковой ванны путем обдува аргоном.

Электрошлаковую сварку высоколегированных сталей можно выполнять проволочным или пластинчатыми электродами (табл. 5).

Таблица 5 - Типовой режим электрошлаковой сварки высоколегированных сталей и сплавов

Изделия большой толщины со швами небольшой протяженности целесообразно сваривать пластинчатым электродом, изготавливать их значительно проще. Но сварка проволокой позволяет в широких пределах, варьируя режимом, изменять форму металлической ванны и характер кристаллизации шва, а это является одним из действенных факторов, обеспечивающих получение швов без горячих трещин.

ВЫВОД

В ходе данной работы был рассмотрен способ электрошлаковой сварки металлов и легированных сталей в частности.

Электрошлаковая сварка применяется для сварки больших толщин, различных сплавов, и типов швов. Является экономичным и качественным способом сварки, по сравнению со сваркой открытой дугой. Данный процесс нашёл широкое применение в тяжёлом машиностроении и в ряде других отраслей промышленности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Стеренбогин Ю.А. Электрошлаковая сварка - М.: Машгиз, 1959. - 81 с.

2. http://www.svarkainfo.ru/.

3. http://www.czcm-weld.ru/.