Оборудование для ручной дуговой сварки.

Оборудование сварочного поста ручной дуговой сварки.

В зависимости от выполняемой работы, габаритов сваривае­мых изделий и характера производства, рабочее место сварщика может быть расположено непосредственно у свариваемого изделия или в специальных ка­бинах. Рабочее место сварщика непосредственно у свариваемого изделия орга­низуют при сварке изделий больших размеров. Это, как правило, передвижное рабочее место, огражденное переносными щитами. Сварочный пост на посто­янных местах оборудуют в специальных кабинах при сварке изделий неболь­ших габаритов. Переносные щиты и кабины для сварщиков служат также для защиты рядом работающих сварщиков и других рабочих от излучения элек­трической дуги.

Сварочные кабины для одного сварщика имеют размеры 2000×2000 или 2000×3000 мм (рис. 1). Стены кабин изготавливают из несгораемых мате­риалов и окрашивают огнестойкой краской, поглощающей ультрафиолето­вые лучи. Они имеют высоту 1800-2000 мм, а для лучшей вентиляции подня­ты над полом на 200-300 мм. Дверной проем в кабине закрывают брезентом, пропитанным огнестойким составом. Полы в кабинах настилают из огнеупор­ного материала. Кабины освещают дневным или искусственным светом (80­100 лк), вентилируют (воздухообмен 40 м3/ч) и снабжают местными отсосами газов и паров из зоны сварки.

Планировка сварочной кабины
Рис. 1. Планировка сварочной кабины:
1 — вентиляция; 2 — стол; 3 — обратный провод; 4 — прямой провод; 5 — пускатель источника питания дуги; 6 — заземление; 7 — источник питания дуги; 8 — ящик для отходов; 9 — стул; 10 — держатель; 11 — щиток; 12 — электроды; 13 — коврик.

GamePark RU

Внутри кабины устанавливают металлический сварочный стол с болтами для крепления токоподводящего провода от источника сварочного тока и про­вода заземления стола. Сбоку стола имеются гнезда для хранения электродов или присадочной проволоки.

Электродержатели для сварки покрытыми электродами.

Основной инструмент при ручной дуговой сварке — электрододержатель. Основные параметры и технические требования, предъявляе­мые к электрододержателям, маркировка, методы испытания их установле­ны ГОСТ 14651-78 (в ред. 1989 г.). Конструкция электрододержателя должна обеспечивать замену электрода в течение не более 4 с и закрепление электрода в одной плоскости не менее чем в двух положениях — перпендикулярно и под углом, — а также надежное присоединение многожильных кабелей с медны­ми жилами.

Электрододержатели пассатижного типа (рис 2, а), предназначены для сварки и наплавки швов во всех пространственных положениях. Электрод за­жат между токоподводящей губкой 5 и рычагом 3. Усилие зажима электрода создается пружиной 2, защищенной пластмассовыми колпачками 1. Удале­ние огарка и замена его новым электродом производится при нажатии на ры­чаг 3. Изоляция обеспечивается теплостойкими пластмассовыми деталями 4.

Электрододержатели с рычажным зажимом (рис. 2, б) предназначены для работы в нижнем и вертикальном положениях. Электрод зажимается под углом 70° к продольной оси электрододержателя между рычагом 1 и токопод­водящим наконечником 2 с помощью толкателя 3, перемещаемого в осевом на­правлении при вращении рукоятки 4. Изоляция выполнена из теплостойких пластмассовых деталей.

Электрододержатели винтового типа (рис. 2, в) применяют в нижнем и вертикальном положениях. Электрод зажимается под углом 70° к про­дольной оси электрододержателя между ползуном 2 и токоподводом 3. Электрододержатели изолированы с помощью теплостойких пластмассовых де­талей: колпачка 1, накладки 4 и рукоятки 6. Соединение сварочного кабеля с электрододержателем — неразъемное и выполняется опрессовкой кабеля в токоподводе 3. Радиатор 5 предотвращает перегрев рукоятки электрододержателя.

Электрододержатели защелочного типа (рис. 2, г) используют в нижнем и вертикальном положениях. Устройство для крепления электродов снаб­жено поворотной втулкой с фигурными выступами, которая вращаясь вме­сте с муфтой 1 воздействует на прижимной стержень 2. Поворачивая муфту 1 в любую сторону, можно зажимать электрод и освобождать его огарок. Сва­рочный кабель прикреплен к электрододержателю с помощью специальных винтов.

Электрододержатели различных конструкций
Рис. 2. Электрододержатели различных конструкций:
а — электрододержатель пассатижного типа; б — электрододержатели с рычажным зажимом; в — электрододержатель винтового типа; г — электрододержатель защелочного типа.

Print Bar

Оборудование для ручной дуговой сварки неплавящимся электродом.

Ручные горелки для неплавящегося электрода имеют держа­тель молоткового типа с постоянным или переменным углом наклона. Горелка позволяет выполнять сварку изделий в любом пространственном положении с присадочной проволокой и без нее на постоянном и переменном токе, и снаб­жена кнопками включения-выключения процесса сварки, а в некоторых слу­чаях — рукоятками регулирования параметрами режима сварки. Для закре­пления вольфрамового электрода и подвода тока к нему применяют цанговые зажимы. Существуют также конструкции с винтовым поджимом вольфрамо­вого электрода. Такая конструкция более проста, не нуждается в сменных цан­гах, но не обеспечивает достаточной надежности токоподвода.

Горелка оснащена керамическими соплами, имеющими коническую каме­ру на входе газа и цилиндрический канал на выходе. Длина начального участка газовой струи, осуществляющего защитные функции, для такой конструкции сопла приблизительно равна внутреннему диаметру цилиндрического канала. Это позволяет производить сварку при выдвижении вольфрамового электрода из сопла на расстояние 4-10 мм. В большинстве конструкций горелок газ вво­дится в сопло через 8-16 каналов диаметром 1-2 мм.

Теплота, выделяющаяся на неплавящемся электроде, отводится либо корпу­сом горелки, либо охлаждающей жидкостью (часто водой) или защитным газом.

По конструкции горелка для ручной сварки должна быть легкой и удобной, в том числе и для сварки в труднодоступных местах. Горелки для ручной свар­ки выпускаются на токи до 500 А и, как правило, имеют водяное охлаждение. Горелки с естественным воздушным охлаждением выпускаются на токи до 150 А. На рисунке 3 приведен пример горелки с водяным охлаждением и со­вмещенным подводом тока и охлаждающей воды.

Горелка для ручной дуговой сварки неплавящимся электродом
Рис. 3. Горелка для ручной дуговой сварки неплавящимся электродом.

Оборудование для ручной дуговой сварки неплавящимся электродом поми­мо горелки содержит источник сварочного тока и газовую аппаратуру. К тако­му оборудованию относятся установки для ручной сварки неплавящимся элек­тродом в среде инертных газов. Установки снабжены горелками и оснащены блоком регулирования цикла сварки, обеспечивающим контактное зажигание дуги на малом токе, автоматическое нарастание сварочного тока до заданно­го, регулировку амплитуд и длительностей тока импульса и паузы при сварке пульсирующей дугой, плавное снижение тока и продувку газа в конце сварки.

Применяются установки для ручной сварки на переменном токе алюминие­вых сплавов, цветных металлов и легированных сталей. Установки обеспечивают компенсацию постоянной составляющей сварочной цепи, плавную регулировку сварочного тока, заварку кратера. Для увеличения радиуса действия имеется съемный переносной блок поджигания дуги, в котором размещены: газовый клапан, возбудитель-стабилизатор дуги и дистанционный регулятор сварочного тока.

Лазерная сварка.

Сущность процесса лазерной сварки.

Это сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия излучения лазера (название по первым буквам английской фразы, которая в переводе означает: усиление света посредством стимулированного излучения).

В соответствии с технологическими признаками классификации по виду источников света относится к световой сварке в числе других (солнечная и искусственными источниками света). Излучение лазера может быть сфокусировано в пятно диаметром несколько микрометров, что обеспечивает концентрацию энергии, в десятки раз превышающую концентрацию других сварочных источников. Для сварки используют газовые и твердотельные лазеры. Газовые лазеры дают непрерывное излучение, а твердотельные — непрерывное или импульсное.

Современные промышленные лазеры применяют для сварки, резки, на­плавки, поверхностной обработки, прошивки отверстий и других видов обра­ботки различных конструкционных материалов во многих специальных отрас­лях машиностроения.

Вакуум при сварке лазером не нужен, и ее можно выполнять на воздухе, в аргоне, гелии или углекислом газе даже на значительном расстоянии от гене­ратора излучения.

GamePark RU

Основные параметры режима лазерной сварки.

Основными параметрами луча лазера явля­ются мощность, длительность импульса, диаметр светового пятна и положение фокуса относительно свариваемой поверхности. Количество световой энергии, поглощенной основным металлом, зависит от шероховатости и отражательной способности поверхности, которыми определяют потери энергии вследствие от­ражения светового потока.

Сварку деталей малых толщин до 1 мм выполняют в импульсном и не­прерывном режимах. При этом плотность мощности выбирают в диапазоне 105…106 Вт/см2, а диаметр сфокусированного луча — от 0,05 до 1,0 мм. Ско­рость сварки в импульсном режиме определяется диаметром точки (диаметр сфокусированного луча), коэффициентом перекрытия (0,3…0,9) и частотой импульсов и может достигать 20 м/ч при частоте импульсов до 20 Гц.

При сварке с глубоким проплавлением основными параметрами режима являются мощность лазерного излучения, скорость сварки и параметры фо­кусирующей системы. Лазерное излучение фокусируется в пятно диаметром 0,5…1,0 мм и при мощности, выбранной из условия 1 кВт на 1 мм толщины ме­талла, скорость при сварке сталей толщиной до 5 мм может достигать 100 м/ч.

Из параметров фокусирующей системы наиболее значимыми являются фо­кусное расстояние (обычно 120…150 мм) и положение фокальной плоскости относительно поверхности свариваемых деталей. Максимальная глубина про­плавления достигается при расположении фокуса под поверхностью детали на глубине, зависящей от толщины и состава свариваемого материала (для стали от 1,0 до 1,5 мм).

Print Bar

Технологические приемы при сварке лазером.

Сварка с присадочным ма­териалом в виде проволоки диаметром до 1,0 мм, ленты или порошков позво­ляет регулировать химический состав и геометрические размеры шва. Прово­локу подают в сварочную ванну, а порошки могут наноситься на поверхность свариваемых кромок напылением или обмазкой.

Осциллирование сфокусированного лазерного излучения по передней стенке канала проплавления увеличивает глубину проникновения в материал и, следо­вательно, примерно на 40% повышает глубину проплавления при непрерывном излучении. Для этого используют сканирование фокусирующей системы с часто­той до 150 Гц и амплитудой колебаний, равной толщине свариваемых деталей.

Сварка на импульсно-периодическом режиме при частоте импульсов 0,4…1,0 кГц и длительности 20…50 мс позволяет увеличивать глубину проплавления в 3…4 раза по сравнению с непрерывным режимом, но для получения качественного шва требуется точное наведение луча на стык и существен­ное снижение скорости сварки.

Сварка с дополнительным непрерывным или импульсным потоком газа, подаваемым непосредственно в зону сварки под определенным давлением, обе­спечивает повышение глубины проплавления на 30…40% и значительную ее стабилизацию, в особенности при несквозном проплавлении. Оптимальная величина давления и частоты импульсов подачи газа зависит от мощности излучения, скорости сварки и свойств материала.

Сварка совмещенным лазерным и дуговым источником теплоты обеспе­чивает суммарный эффект, превышающий эффективность каждого источника в отдельности, и при мощности дуги, сопоставимой с мощностью лазерного из­лучения, скорость сварки можно увеличить в несколько раз.

Электронно-лучевая сварка.

Сущность процесса электронно-лучевой сварки.

Это сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия ускоренных электронов. Сварку произво­дят в специальной камере в глубоком вакууме (остаточное давление 13 мПа) электронным лучом, который представляет собой сфокусированный поток электронов, движущихся с высокими скоростями. Электроны излучает на­гретый вольфрамовый или металлокерамический катод, установленный в спе­циальной электронной пушке. Ускорение движения электронов обусловлено постоянным высоким напряжением (до 100 кВ) между катодом и анодом (из­делием).

Поток электронов фокусируется магнитной линзой в узкий луч и направля­ется в место соединения деталей. Энергия, необходимая для нагрева и плавле­ния металла, выделяется в результате интенсивной бомбардировки места свар­ки быстро движущимися электронами.

В соответствии с технологическими признаками классификации различа­ют сварку без колебаний и с колебаниями электронного луча. Для регулиро­вания вводимой в изделие теплоты сварку ведут остросфокусированным или расфокусированным лучом. Электронным лучом осуществляют сварку туго­плавких и химически активных металлов, выполняют узкие и глубокие швы с малыми остаточными деформациями на деталях больших толщин (до 70 мм и даже более).

GamePark RU

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки.

Наиболее важными технологическими па­раметрами электронного пучка при сварке являются ускоряющее напряжение (25…120 кВт), мощность (1…120 кВт), угол сходимости луча (1…5°), сила тока луча (40…500 мА) и скорость сварки (3…100 м/ч).

Главное влияние на качество шва оказывают мощность пучка, положение его минимального сечения относительно поверхности свариваемых деталей и скорость сварки. Стабильность положения фокуса пучка обеспечивает равно­мерность глубины проплавления, а скорость сварки определяет форму шва, размеры зоны термического влияния и, как следствие, сопротивляемость об­разованию трещин и величину деформаций. С увеличением толщины свари­ваемых деталей от 1,5 до 150 мм скорость сварки должна быть снижена с 200 до 3 м/ч для получения качественного сварного соединения.

Техника электронно-лучевой сварки.

Электронно-лучевую сварку применяют для получения стыковых, угловых и тавровых соединений в нижнем и вертикальном поло­жении на подъем, а также горизонтальных швов на вертикальной плоскости. Сварку в нижнем положении выполняют вертикальным электронным пучком без подкладок или с применением подкладок для формирования обратной сто­роны шва при толщине соединяемых деталей до 80 мм. Горизонтальные швы и вертикальные на подъем выполняют горизонтальным пучком без подкладок для металла любой толщины. Для получения качественных соединений необ­ходима тщательная очистка кромок стыка и прилегающих внешних и внутрен­них поверхностей деталей. Возможна также дополнительная очистка в камере непосредственно перед сваркой маломощным сканирующим пучком электронов.

При электронно-лучевой сварке не требуется разделка кромок, но предъяв­ляются жесткие требования к зазору в стыке, который в большинстве случаев не должен превышать 0,3 мм.

Print Bar

Основные технологические приемы при электронно-лучевой сварке.

Для получения заданной формы шва, свойств сварного соединения и повышения производительности процесса сварки применяют различные технологические приемы, некоторые из них рассмотрены ниже.

Полное проплавление свариваемого стыка с образованием сквозного парогазового канала применяют в нижнем (при толщине металла до 40 мм) и в горизонтальном (при толщине до 400 мм) положениях для уменьшения угловых деформаций изделий и снижения вероятности образования пористости.

Развертка электронного пучка с амплитудой примерно равной диаметру пучка и частотой до 2 кГц в продольном и поперечном направлениях или по окружности, эллипсу и дуге позволяет увеличить диаметр и устойчивость ка­нала, стабилизировать проплавление и снизить склонность к образованию тре­щин и полостей в корне шва.

Сварка наклонным электронным пучком (углом вперед) с отклонением на 5…7° в направлении движения улучшает условия плавления и кристаллиза­ции металла в нижнем и вертикальном на подъем положениях и способствует лучшему удалению газов из расплавленного металла.

Модуляция тока в электронном пучке с частотой импульсов 1…100 Гц используется при сварке листовых конструкций толщиной до 1 мм для предотвращения образования трещин и уменьшения тепловложения.

Сварка с присадочным материалом наиболее часто используется при повышенных зазорах в стыке и исправлении дефектов шва. Сварку ведут с подачей проволоки диаметром 0,8…1,6 мм в хвостовую часть ванны под углом 15…45° к оси электронного пучка. Кроме того, в зазор между свариваемыми деталями могут помещать различные материалы в виде ленты, гранул или порошка для легирования металла шва, толщина слоя которых должна быть равна диаметру электронного пучка.

Плазменная сварка.

Сущность процесса плазменной сварки.

Это сварка плавлением, при которой на­грев проводится сжатой дугой. Если принудительно сжать дугу, то ее темпе­ратура значительно повысится. Это обеспечивают подачей плазмообразующего газа в камеру 1 горелки, который выходит через узкое сопло 4 и сжимает дугу (рис. 1). Часть газа, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла в виде плазменной струи. Наружный слой газа, окружаю­щий столб дуги, остается относительно холодным и создает электрическую и тепловую изоляцию между дугой и соплом, предохраняя его от разрушения. В связи с высокой скоростью истечения высокотемпературной плазменной струи часто нужна дополнительная защита зоны сварки газом, подводимым через газовое сопло 5.

Если дуга горит между электродом 2 (катод) и изделием 3 (анод), то это — плазменная струя прямого действия (рис. 1, а). Когда (рис. 1, б) дуга горит между электродом 2 и соплом 4, а нагретый и ионизированный газовый поток выдувается из сопла горелки — это плазменная струя косвен­ного действия.

Схемы горелок для плазменной сварки
Рис. 1. Схемы горелок для плазменной сварки:
а — прямого действия; б — косвенного действия; в — с вторичным фокусирующим и защитным потоком газа; 1 — камера горелки; 2 — катод; 3 — изделие (анод); 4, 5 — сопла; R — резистор.

GamePark RU

В горелках прямого действия непосредственное возбуждение дуги между электродом и изделием через узкий канал сопла осуществить трудно. Поэтому при помощи осциллятора возбуждается вспомогательная дуга между электро­дом и соплом, которая питается от того же источника питания 6, через ограни­чивающее сопротивление R, а затем, как только разогретая струя коснется изде­лия, автоматически зажигается основная дуга и выключается вспомогательная.

Параметры режима плазменной сварки.

Обычно при плазменной сварке диапазон приме­няемых токов — от 30 до 300 А при напряжении 17…35 В и скорости сварки 10…50 м/ч. Важными параметрами являются расход плазмообразующего (1,5…5 л/мин) и защитного газа (3…10 л/мин), а также диаметр (2,5…5 мм) и длина канала сопла (1…3 мм). Расход и состав рабочего газа в значительной мере влияют на напряжение и температуру дуги. Чем интенсивнее обжата дуга, тем выше ее напряжение, и тем выше эффективная тепловая мощность и давление дуги, и больше глубина проплавления. Таким образом, напряже­ние сжатой дуги зависит от конструктивных размеров элементов плазмотрона: диаметра и длины сопла, расстояния между электродом и соплом. Расстояние от торца сопла до изделия в диапазоне 4…8 мм мало влияет на глубину про­плавления.

Вольт-амперная характеристика плазменной дуги при прочих равных усло­виях имеет такую же конфигурацию, как и характеристика обычной дуги, но с увеличением обжатия меньше сила тока, при которой вольт-амперная характеристика дуги переходит в горизонтальную или даже возрастающую. Поэтому при плазменной сварке оптимальными внешними характеристиками источника питания являются крутопадающие или даже вертикальные характеристики, позволяющие значительно изменять напряжение при постоянстве силы тока.

Техника плазменной сварки.

При плазменной сварке применяют переменный или по­стоянный ток прямой и обратной полярности, а также импульсный режим изменения сварочного тока и различный состав плазмообразующей среды: аргон, гелий, азот, водород и их смеси. Сваривают стыковые и угловые швы. Сварку осуществляют как проникающей на всю толщину соединяемого метал­ла, так и непроникающей плазменной струей. Для предупреждения прожогов применяют съемные подкладки с канавкой для получения заданной формы об­ратного валика и защиты газом обратной стороны шва.

Стыковые соединения металла толщиной до 2 мм можно выполнять с отбор­товкой кромок. Металл толщиной до 3 мм сваривают обычно непроникающей струей с присадочным металлом или без него. Большая глубина проплавления позволяет сваривать без скоса кромок металл толщиной до 15 мм, однако при толщинах 10…12 мм ухудшается стабильность формирования шва, поэтому при большей толщине рекомендуют делать скос кромок и использовать допол­нительный присадочный металл. Обычно процесс ведут со сквозным проплав­лением и выходом плазменной струи с обратной стороны шва.

Print Bar

Разновидности плазменной сварки.

Сварка закрытой сжатой дугой осу­ществляется в микрокамере, охлаждаемой водой и защищающей зону плав­ления от воздуха. Присадочная проволока подается в зону плавления через специальное отверстие в микрокамере. В процессе сварки тонких металлов микрокамеру поджимают к свариваемым кромкам с силой, достаточной для устранения коробления кромок. Этот способ используют для сварки металлов толщиной 0,1…15 мм.

Сварка двойной плазменной дугой, возбуждаемой между электродом горел­ки и изделием и подаваемой в зону сварки токоведущей присадочной проволо­кой. Первая дуга осуществляет подогрев изделия, а вторая — плавление при­садочной проволоки. Способ применяют для сварки соединений с разделкой кромок.

Сварка плавящимся электродом происходит при подаче плавящейся электродной проволоки по оси горелки через медное сопло в плазменную струю, об­разующуюся между вольфрамовым электродом и изделием. Способ является комбинацией плазменной сварки и дуговой сварки плавящимся электродом.

Сварка в вакууме полым неплавящимся катодом осуществляется в камере при давлении 1…1х10-2 Па и расходе аргона, подаваемого через отверстие в катоде, 2…4 дм3/ч. Способ применяют при сварке тугоплавких и активных металлов толщиной 1…20 мм.

Микроплазменная сварка применяется для соединения изделий толщиной 0,025…0,8 мм. Устойчивый процесс сварки при токах 0,2…15 А обеспечивает­ся за счет высокой степени сжатия плазменной струи в канале диаметром менее 1 мм. Плазмообразующий газ — аргон, а защитные газы — аргон, гелий, азот, водород и их смеси с аргоном. Процесс обеспечивает получение узкого шва и малой зоны термического влияния, что уменьшает деформацию изделий.

Электрошлаковая сварка.

Электрошлаковая сварка — это сварка плавлением, при ко­торой для нагрева используется тепло, выделяющееся при прохождении элек­трического тока через расплавленный шлак (рис. 1). В этом принципиаль­ное отличие процесса ЭШС от дуговых способов сварки.

Схема процесса электрошлаковой сварки
Рис. 1. Схема процесса электрошлаковой сварки:
1 — свариваемая деталь; 2 — электрод; 3 — расплавленный флюс; 4 — сварочная ванна; 5 — сварной шов; 6 — подвижные ползуны-кристаллизаторы; 7 — подвод охлаждающей воды; стрелками показано направление сварки.

Наибольшее практическое применение имеет ЭШС проволочным электро­дом (одним или несколькими) с колебаниями или без колебаний, пластинча­тым электродом большого сечения и плавящимся мундштуком (рис. 2). Электрошлаковую сварку применяют при выполнении прямолинейных, криволинейных и кольцевых швов. Минимальная толщина деталей, соединение которых возможно ЭШС, находится в пределах 25…30 мм. Экономически наи­более целесообразно использовать ЭШС при изготовлении толстостенных кон­струкций из низко- и среднеуглеродистых, низко-, средне- и высоколегирован­ных сталей, чугуна и цветных металлов (алюминия, титана).

Разновидности процесса электрошлаковой сварки
Рис. 2. Разновидности процесса электрошлаковой сварки:
а — одним проволочным электродом без колебаний или с колебаниями электрода; б — двумя проволочными электродами с колебаниями; в — пластинчатыми электродами; г — плавящимся мундштуком; 1 — свариваемая деталь; 2 — электронная проволока; 3 — ванна расплавленного флюса; 4 — расплавленный металл (основной и электродный); 5 — сварной шов; 6 — пластинчатый электрод; 7 — медные водоохлаждаемые ползуны или формирующие устройства; 8 — плавящийся мундштук; стрелками показаны направления колебаний и подачи электродов.

GamePark RU

Особенности электрошлакового процесса.

Сущность процесса элетрошлаковой сварки.

При электрошлаковой сварке (ЭШС) сва­рочный ток проходит по электроду, жидкому шлаку, обладающему определен­ным электрическим сопротивлением, и основному металлу, обеспечивая вы­деление тепла для расплавления основного и присадочного металлов, а также флюса, поступающего в ванну. Слой расплавленного шлака за счет меньшей, чем у расплавленного металла, плотности находится в верхней части ванны, исключает воздействие воздуха на жидкий металл и очищает капли электро­дного металла, проходящие через шлак, от вредных примесей.

Для начала электрошлакового процесса необходимо расплавление флю­са и образование шлаковой ванны. Применяют следующие способы создания шлаковой ванны: «твердый старт», когда сварочный флюс вначале плавится электрической дугой во входном кармане, и «жидкий старт», когда в карман заливают жидкий флюс, который предварительно расплавляют в электриче­ской печи. Для более легкого возбуждения дуги на дно входного кармана засы­пают металлический порошок, стружку, термитные смеси, а затем дуга шунти­руется подсыпаемым и расплавляющимся флюсом.

Глубина шлаковой ванны может изменяться в пределах 35…60 мм. Темпе­ратура шлаковой ванны около электрода — 1900…2000°С. Скорость плавле­ния присадочного металла при электрошлаковой сварке больше, а расход флю­са в 10…20 раз меньше, чем при дуговой сварке, и составляет около 5% расхода электродной проволоки. При ЭШС обеспечивается возможность получения за один проход сварных соединений теоретически любой толщины.

Электрошлаковые швы формируют с помощью водоохлаждаемых ползу­нов или медных подкладок, а также стальных подкладок или замковых сое­динений.

Шлаковая ванна в электрической сварочной цепи является нелинейным активным сопротивлением, что позволяет использовать для сварки источники с жесткой внешней характеристикой.

ЭШС за счет значительной тепловой инерции ванны характеризуется высо­кой устойчивостью процесса, мало зависящей от рода тока, кратковременных изменений силы тока и даже его прерывания. Процесс устойчив при плотно­стях тока 0,2…300 А/мм2 и позволяет использовать проволочные электроды диаметром от 1,6 мм и пластинчатые электроды сечением от 400 мм2 и более.

Основные недостатки электрошлаковой сварки.

Сварку выполняют только в вертикальном или в близком к вертикальному положениях (отклонение от вертикали не более 30°). В случае вынужденной остановки сварной шов под­вергают ремонту или полностью удаляют и вновь сваривают. Кроме того, необ­ходимо изготавливать и устанавливать перед сваркой технологические детали (планки, «стартовые карманы», формирующие устройства и др.). Крупнозер­нистая структура в металле шва и зоне термического влияния и обусловленная этим низкая ударная вязкость металла сварного соединения при отрицатель­ных температурах также ограничивают область применения ЭШС.

Материалы для электрошлаковой сварки.

Флюсы.

Для выделения требуемого количества теплоты при электрошлаковой сварке флюсы должны обладать определенным электриче­ским сопротивлением в расплавленном состоянии, обеспечивать устойчивый электрошлаковый процесс в широком диапазоне напряжений и сварочных то­ков и удовлетворительное формирование поверхности шва.

Расплавленный флюс не должен вытекать в зазоры между кромками и формирующими шов устройствами и отжимать ползуны от свариваемых кромок.

Лучшими технологическими свойствами при сварке углеродистых и низколегированных сталей обладают плавленые флюсы электропроводные в твердом и расплавленном состоянии. Флюс перед употреблением прокаливают в элек­трической печи при 300…700°С в течение 1…2 ч.

Print Bar

Электродные и присадочные материалы.

При ЭШС в качестве электродов используют проволоку, пластины, трубы и ленты. В основном применяют про­волоку сплошного сечения диаметром 1,6…6 мм.

Химический состав электродного металла выбирают в соответствии с основ­ным металлом и требованиями к служебным характеристикам металла шва. Лучшим вариантом считается такой, когда в качестве электродного метал­ла применяют пластины или стержни, аналогичные по химическому составу основному металлу. При сварке плавящимся мундштуком металл шва легиру­ют, дополнительно подавая проволоку соответствующего состава.

ЭШС иногда выполняют с подачей в шлаковую ванну специальных порошкообразных присадочных металлических материалов, а также стружки или стержней, по составу идентичных основному металлу.

Благодаря хорошему перемешиванию в ванне расплавленного металла, электрошлаковую сварку возможно вести несколькими электродами, различ­ными по химическому составу, и получать заданный состав шва.

Техника электрошлаковой сварки различными способами.

Электрошлаковой сваркой могут быть выполнены стыковые, угловые и тавровые соединения с конфигурацией шва прямолинейной, коль­цевой, переменного сечения, переменной кривизны. Наиболее распростране­ны стыковые соединения. Угловые и тавровые соединения встречаются реже (рис. 3). Основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений при ЭШС сталей приведены в ГОСТ 15164-78.

Типы соединений, выполняемых ЭШС
Рис. 3. Типы соединений, выполняемых ЭШС:
I — стыковые соединения: а, б — с равными и разными толщинами свариваемых кромок, в — с уменьшением одной кромки до размеров сопрягаемой, г — с увеличением толщины более тонкой кромки, д — с фигурной разделкой кромок, е — замковое соединение, ж — Х-образное соединение, з — соединение монолитной детали с набором пластин; II — угловые и тавровые соединения с прямой и угловой разделкой кромок (а-д); III — соединение литых деталей; IV — крестообразные соединения.

Подготовка деталей к сварке.

При ЭШС важны чистота обработки торцевых поверхностей свариваемых кромок и состояние боковых поверхностей кромок, по которым будут перемещаться устройства, формирующие шов. На металле толщиной до 200 мм торцевые поверхности кромок подготавливают газовой резкой. При большей толщине, а также для кольцевых швов и деталей из леги­рованных сталей применяют механическую обработку. Боковые поверхности деталей зачищают наждачными кругами или механической обработкой на ши­рину 60…80 мм от торца кромки.

При сборке стыковых соединений прямолинейных швов смещение кромок не должно превышать 2…3 мм, а для кольцевых швов смещение кромок долж­но быть меньше.

Для получения точных размеров готового сварного изделия необходимо со­бирать детали с зазором, учитывающим деформации соединяемых деталей при сварке. Сборочный зазор в нижней части стыка равен сварочному зазору. В верх­ней части стыка сборочный зазор увеличивают из расчета 2…4 мм на каждый метр длины стыка. В зависимости от вида материала, способа ЭШС, режима и усло­вий закрепления, угол раскрытия деталей при сборке может достигать 1…2°.

Перед сваркой устанавливают закрепляющие устройства, которыми чаще всего служат скобы, привариваемые с тыльной стороны стыка, или пластины, привариваемые через 500…800 мм с лицевой стороны и удаляемые в процессе сварки (рис. 4, а — б).

Для начала электрошлакового процесса и выведения сварочной ванны за пределы сварного соединения используют входной карман и выходные план­ки, которые приваривают так, чтобы шов заканчивался на 60…80 мм выше торцевой поверхности кромок (рис. 4, в — г). После сварки перед термической обработкой входной карман и выводные планки срезают.

Схемы сборочных приспособлений и подготовка прямолинейного стыкового соединения для электрошлаковой сварки
Рис. 4. Схемы сборочных приспособлений (а-г) и подготовка прямолинейного стыкового соединения (д) для электрошлаковой сварки: а, б — сборочные скобы; в — концевая скоба и выводные планки; г — входной карман; А, Б — свариваемые детали; K входной «карман»; В — выводные планки; bн и bк — начальный и конечный зазоры; γ — угол раскрытия зазора.

Сварка проволочными электродами.

Электродная проволока диаметром 2…3 мм — наиболее распространенный тип электродов для ЭШС стыковых соединений толщиной до 500 мм. Соединения толщиной до 50 мм выполняют одним неподвижным электродом. При толщинах металла 50…150 мм — одним электродом с колебательным движением, 100…300 мм — двумя электродами и 150…450 мм — тремя электродами. Расстояние между электродами зави­сит от толщины деталей и обычно не превышает 160 мм. Скорость сварки при ЭШС сравнительно небольшая и колеблется в зависимости от толщины деталей и числа электродов в пределах 0,5…15 м/ч. Скорость подачи электродной проволоки изменяется от 15 до 500 м/ч и опре­деляется скоростью сварки, площадью сечения наплавленного металла и сум­марной площадью электродных проволок. Сварочный ток на одном электроде при заданной скорости подачи проволоки выбирают в диапазоне 500…1500 А.

Параметры режима сварки, к которым относятся глубина шлаковой ванны (40…50 мм), сухой вылет электрода (60…80 мм), скорость поперечных коле­баний электрода (≈40 м/ч) и длительность остановки электродов у ползунов (4…5 с), не зависят от толщины свариваемых деталей.

Напряжение на электродах выбирают в зависимости от толщины и материа­ла свариваемых деталей в пределах 35…50 В. Начальное напряжение при «твер­дом старте» должно быть на 2…3 В выше выбранного для установившегося ре­жима, что способствует ускорению перехода от дугового процесса к шлаковому.

Сварка плавящимся мундштуком.

Плавящийся мундштук неподвижен в зазоре и представляет собой тонкостенную трубку или набор пластин толщи­ной 5 и 10 мм или стержней, снабженных каналами для подачи электродной проволоки (рис. 5). Форма плавящегося мундштука определяется конфигу­рацией свариваемого стыка, а материал должен быть подобен основному. Для изоляции плавящегося мундштука от кромок деталей используют таблетки из измельченного в порошок флюса, замешанного на жидком стекле, прокален­ные при 600…700°С.

Конструкция плавящихся мундштуков с направляющими из трубок, скоб и комбинированными направляющими
Рис. 5. Конструкция плавящихся мундштуков с направляющими из трубок (а), скоб (б) и комбинированными ( в ) направляющими: 1 — пластина; 2 — трубка; 3 — скоба для направления проволоки.

Каналы мундштука соединяют трубками с механизмом подачи электро­дной проволоки. Число электродов определяют из расчета: одна проволока на 50…70 мм толщины детали. Скорость подачи электрода должна быть в преде­лах 120…160 м/ч при сварке толщин металла более 100…150 мм.

Сварочный ток выбирают в пределах 400…700 А на одну проволоку в зави­симости от материала и толщины детали при напряжении 30…40 В и скорости сварки 0,6…1,0 м/ч для углеродистых и 0,4…0,6 м/ч для легированных сталей.

Ведение ЭШС, окончание сварки и все последующие операции выполняют по правилам сварки прямолинейных швов. При сварке толстого металла более 200 мм предпочтительнее выбирать трехфазную схему питания. Для надежно­го одновременного пуска всех проволок применяют заливку жидкого флюса в карман.

Сварка электродами большого сечения.

Изделия толщиной до 200 мм сва­ривают одним пластинчатым электродом, изделия большей толщины — дву­мя или тремя электродами. Оптимальная толщина электродов 10…12 мм при зазоре между кромками 28…32 мм. Ширина электрода практически равна толщине свариваемого металла, при сварке двумя и тремя электродами зазор между ними —12…16 мм.

Длину электрода выбирают, учитывая длину шва с входным карманом и выходными планками, сварочный зазор, толщину пластинчатого электрода и конструкцию зажима электрода, равную обычно 500…600 мм. Для сварки стыка длиной 1000 мм требуется электрод длиной 3600 мм, поэтому способ применяют для швов длиной не более 1500 мм.

Сварочный ток зависит от скорости сварки, скорости подачи пластины, толщины и ширины пластинчатого электрода, толщины свариваемого металла и устанавливается в пределах от 600 А до 2000 А на каждый электрод. Опти­мальная скорость подачи пластинчатого электрода — 1,2…4,0 м/ч.

Сварка с порошкообразным присадочным металлом.

В качестве присадки обычно используют металлическую крупку, близкую по составу свариваемому металлу, диаметром 1…2 мм. Отношение массы крупки к массе электродной проволоки может достигать единицы. Сварку ведут на стандартном свароч­ном оборудовании, укомплектованном приставками для дозирования и подачи крупки непосредственно в шлаковую ванну или на электрод за пределами сва­рочного зазора.

Холодная порошкообразная присадка уменьшает температуру перегрева металлической ванны и улучшает структуру и механические свойства соеди­нения. Ударная вязкость при отрицательных температурах возрастает, что позволяет для некоторых низколегированных сталей отказаться от последую­щей нормализации. Поперечные деформации сварного соединения на 60…80% меньше, чем при обычной ЭШС. Достоинством способа является также повы­шение производительности процесса более чем в 2 раза.

Сварка с дозированной подачей мощности.

Дозированную подачу мощно­сти можно применять при ЭШС проволочным электродом, плавящимся мунд­штуком, электродами большого сечения. В процессе сварки при непрерывной подаче электрода периодически отключают источник сварочного тока, что по­зволяет уменьшить провар кромок, получить благоприятные условия кристал­лизации металла шва, регулировать структуру металла сварного соединения. Применение дозированной мощности позволяет увеличить скорость сварки в 1,5…2 раза и получать сварные соединения сталей некоторых марок, не тре­бующие термической обработки.

Сварка с принудительным охлаждением.

Охлаждение поверхности шва и околошовной зоны водой используется для термоупрочняемых сталей. Спрейер укрепляют под ползуном с одной или двух сторон свариваемого шва. Спрейер состоит из двух камер: через верхнюю подается воздух для отсекания пара, через нижнюю подается охлаждающая вода. Ширина зоны, охлаждае­мой водой, — 130…140 мм. При сопутствующем охлаждении скорость сварки можно увеличить в 1,5…2 раза по сравнению с обычной ЭШС. Наиболее эффек­тивен этот способ при сварке металла толщиной до 120 мм.

Сварка при увеличенном вылете проволоки.

При ЭШС с обычным выле­том проволока диаметром 3 мм нагревается у поверхности шлаковой ванны до 400…500°С, что обусловливает ее глубокое погружение (на 30…40 мм) в ванну для полного расплавления. Увеличивая сухой вылет до 180…220 мм, можно по­высить нагрев проволоки сварочным током при подходе к шлаковой ванне до 1200°С и уменьшить необходимую для плавления глубину погружении в ванну до 16…18 мм. Процесс весьма устойчив даже при глубине ванны 20…25 мм. При этом сварочный ток уменьшается на 20…30%, напряжение сварки повышается на 4…5 В по сравнению с обычной сваркой, а скорость сварки возрастает в два-три раза.

Техника сварки электродами с повышенным вылетом обычная. Способ при­меняют для сварки металла толщиной до 300 мм.

Сварка кольцевых швов.

Основной трудностью сварки кольцевых швов является необходимость замыкания шва. Форма линии замыкания кольцево­го шва зависит от количества электродов и от толщины свариваемого металла. Кольцевые стыки толщиной до 150 мм сваривают одним электродом, толщиной 100…250 — двумя электродами и толщиной 150…450 мм — тремя электрода­ми. Для формирования обратного валика применяют медное кольцо, охлажда­емое водой, остающиеся стальные подкладки (кольца шириной 80…100 и тол­щиной 25…30 мм) и обратные ползуны.

Предварительно в кольцевой стык вставляют входной карман и прихваты­вают прокладки для фиксации требуемой величины сборочного зазора. Собран­ные части дополнительно соединяют планками, приваренными равномерно по всей окружности кольцевого стыка, и укладывают на роликовые опоры.

Весь цикл сварки кольцевого шва делится на три этапа. Каждому этапу соответствует свой режим сварки. Скорость сварки кольцевого шва выбирают на 10-15% ниже скорости сварки прямолинейных швов при соответствующей толщине металла.

На первом этапе сваривают начальный участок шва при неподвижном аппа­рате и вращении изделия (рис. 6, а — б). На втором этапе процесс сварки ведут
так же, как при сварке прямолинейных швов. После поворота изделия на 1/3 окружности газовой резкой вырезают карман по шаблону и готовят данный участок к сварке замыкающего шва. На третьем этапе, когда прямолинейная часть начала шва займет вертикальное положение, вращение изделия прекра­щают и включают подъем аппарата (рис. 6, в). После заварки вертикальной части замыкающего участка подъем аппарата прекращают и включают вра­щение изделия (рис. 6, г), выводят из работы электрод, находящийся ближе к наружному краю стыка, и сварку заканчивают одним электродом.

Схема сборки и процесса сварки кольцевого стыка в начальной и замыкающей частях шва
Рис. 6. Схема сборки (а) и процесса сварки кольцевого стыка в начальной (б) и замыкающей (в , г) частях шва: I—III — точки контроля сборочного зазора; K — входной карман; Vсв — скорость сварки.

Особенности сварных соединений и их термообработка.

Для повышения ударной вязкости сварного соединения при­меняют ЭШС с пониженной погонной энергией, ЭШС с сопутствующим нагре­вом, а также последующую термическую обработку в интервале температур 750-950°С.

Одной из основных причин необходимости термической обработки сварных соединений, выполняемых электрошлаковой сваркой, особенно при толщинах металла более 500 мм, является устранение высоких остаточных трехосных напряжений, образующихся в результате сварки.

Наиболее распространенные дефекты при ЭШС — это горячие трещины в металле шва, а в околошовной зоне — отколы. Встречаются также шлаковые включения и непровары.

Для обеспечения высокой стойкости металла шва к образованию горячих трещин корректируют состав электродного металла или скорость подачи элек­тродной проволоки. Изменение направления кристаллизации, которое зависит от коэффициента формы ванны, также уменьшает вероятность образования го­рячих трещин. Увеличение коэффициента формы и повышение стойкости про­тив образования трещин происходит при уменьшении сварочного тока и скоро­сти сварки, а также при повышении напряжения и увеличении зазора.

Для предупреждения отколов применяют предварительный подогрев на­чального участка или всего шва до температуры 150-200°С, уменьшают ско­рость сварки или используют высокий отпуск сразу же после сварки.

Образование пор при ЭШС может быть вызвано окалиной на кромках из­делия, большой влажностью и загрязненностью флюса, снижением в металле шва содержания марганца и кремния при применении несоответствующих электродных проволок и флюсов.

Шлаковые включения и непровары при ЭШС обычно связаны с нарушения­ми режима сварки. Непровары обычно являются следствием низкого напряже­ния сварки.