Электрошлаковая сварка: принципы, методы, режимы, ограничения

Сущность процесса и основные принципы

Электрошлаковая сварка (ЭШС) широко используется для соединения деталей большой толщины из сталей, чугунов, меди, алюминия, титана и их сплавов. Этот способ позволяет выполнять швы за один проход практически при любой толщине без повторной очистки и перенастройки оборудования. В качестве электродов от производителя применяются как отдельные проволоки, так и электроды увеличенного сечения. Ключевыми преимуществами метода являются высокая производительность и экономичность при работе с массивными конструкциями. Однако существует ряд ограничений: ЭШС нецелесообразна для элементов толщиной менее 40 миллиметров, возможна только при вертикальном положении шва, а в ряде случаев после сварки требуется термообработка для устранения крупнозернистых структур и получения необходимых свойств металла.

1. Две кромки устанавливаются вертикально с зазором и окружены с боков медными водоохлаждаемыми формирующими устройствами (ползунами), снизу может быть “карман” или опорная вставка.

2. В зазор засыпается флюс.

3. Электрод (или несколько электродов) опускается в шлаковую ванну.

4. Под действием напряжения между электродом и основным металлом через шлак течёт ток, шлак нагревается, расплавляет кромки и электрод, образуя металлическую ванну.

5. Металл плотнее шлака, опускается вниз, кристаллизуется, образуя шов; шлак удерживается кристаллизаторами и вытесняется вверх.

6. Ползуны и сварочный агрегат перемещаются вверх, формируя окончательный шов.

Расход флюса при ЭШС невелик — обычно ≤ 5 % от массы наплавленного металла.

Методы и варианты исполнения

ЭШС делят по типу электрода и конструкции установки: проволочные электроды, пластинчатые электроды, плавящийся мундштук.

Проволочные электроды

• Диаметр: обычно 3–5 мм (ГОСТ 2346-70)

• Можно одновременно применять до трёх проволок (особенно для трёхфазных источников).

• Максимальная толщина деталей, свариваемых одной проволокой, порядка 60 мм; тремя — до ~200 мм. При возвратно-поступательном движении мундштука — увеличение толщины до ~2,5 раза.

Пластинчатые электроды

• Электроды в виде лент (1–1,2 мм) или пластин (10–12 мм), длиной, превышающей длину шва.

• Один такой электрод позволяет сваривать детали до 200 мм, три — до 800 мм.

• Недостатки: износ токосъемных элементов, ограниченная длина пластины, сложности при длинных швах.

Плавящийся мундштук

• Мундштук (металлический электрод) встаёт в зазор фиксированно, через него подаются проволоки 3 мм через каналы или спирально навитые проволоки.

• Через один мундштук может подаваться до шести проволок.

• Один мундштук — до ~500 мм, два — до ~1000 мм, три — до ~1500 мм толщины.

• Преимущество: возможность сварки конструкций любой толщины и сложной геометрии.

Режимы сварки и влияние параметров

Разновидности процесса определяются типом применяемого электрода. Наиболее распространён вариант с проволочными электродами диаметром от трёх до пяти миллиметров, которые подаются в зазор мундштуками с медными токосъёмными наконечниками. При использовании одной проволоки толщина соединяемых элементов ограничивается шестьюдесятью миллиметрами, при трёх — достигает двухсот миллиметров, а применение возвратно-поступательного движения мундштуков позволяет увеличить этот предел в 2,5 раза. Режимы сварки в этом случае характеризуются силой тока в диапазоне 200–600 ампер на каждую проволоку при напряжении 26–44 вольта и скорости подачи 100–400 метров в час.

Баланс мощности: мощность, выделяемая в шлаке, должна равняться мощности, требуемой для расплавления металла и удержания температурного поля.

Если выделяемая мощность выше, чем требуется, шлаковая ванна перегревается — возможно кипение, нестабильность процесса. И наоборот, при недостатке мощности: шлак охлаждается, теряет проводимость, сварка прерывается.

Тепловой режим ЭШС характеризуется медленным нагревом и охлаждением, что ведёт к расширенной зоне термического влияния и росту зерна в околошовной зоне. Это ухудшает механические свойства шва, особенно на чувствительных сплавах.

Для контроля крупнозернистости часто применяют многослойную ЭШС: повторное нагревание и охлаждение при последующих слоях сдерживает рост зерна.

Все это влияет на сварные соединения, выполняемые ЭШС

Области применения и ограничения

Области применения:

• Толщины от ~ 40 мм до сотен миллиметров наиболее экономичны. Более типичны 100–500 мм.

• Применяют в изготовлении крупногабаритных конструкций: массивные станины, валы турбин, барабаны котлов, толстостенные оболочки.

• Возможна замена массивных литых/кованых деталей свареными сборками.

Ограничения и недостатки:

• При толщине деталей менее ~ 40 мм метод менее экономичен по сравнению с другими способами.

• Возможность сварки только вертикальных швов.

• Широкая зона термического влияния, образование нежелательных структур — требующая последующей термической обработки.

• Для конструкций некоторых сплавов необходимо предварительное и/или последующее термическое снятие напряжений.