Особенности электрошлакового процесса.

Электрошлаковая сварка с принудительным формированием отличается от дуговой сварки как ручной, так и автоматической, рядом особенностей, которые необходимо учитывать и использовать при применении этого способа.

При прохождении электрического тока через шлак не происходит такого интенсивного выделения газов, сопровождающегося разбрызгиванием шлака, как при дуговой сварке. При установившемся электрошлаковом процессе разбрызгивания шлака не происходит вовсе. Это позволяет вести сварку с открытой поверхностью шлаковой ванны. Подача шлака в ванну ограничивается очень небольшим количеством, равным количеству отлагающейся на поверхности шва шлаковой корки толщиной 1-1,5 мм. Это по весу составляет всего 0,2-0,3 кг на погонный метр шва, независимо от толщины металла.

Благодаря малому количеству расплавляемого флюса расходуемая электрическая энергия хорошо используется для плавления электрода и основного металла.

Вследствие интенсивного перемешивания шлака плавление кромок происходит на большем расстоянии от электрода чем это возможно при дуговой сварке.

Практическими следствиями этих особенностей являются: малый расход шлака, составляющий в среднем, с учетом потерь на рассыпание, 5% от веса наплавленного металла, т.е. в 20 раз меньший, чем при дуговой сварке под флюсом, и малый расход электрической энергии на 1 кг наплавленного металла, в 1,5-2 раза меньший, чем при дуговой сварке под флюсом и в 4 раза меньший, при сварке открытой дугой. Ещё более важным практическим результатом этих особенностей является возможность осуществления однопроходной сварки металла толщиной до 150-200 мм на один электрод, а при большем количестве электродов – практически неограниченной толщины. Именно это свойство открывает самые широкие перспективы применения электрошлаковой сварки в промышленности, в первую очередь в тяжёлом машиностроении.

Из других особенностей электрошлаковой сварки наибольшее значение имеют следующие.

Вследствие сравнительно малого расхода флюса и, следовательно, незначительного пополнения шлаковой ванны новыми порциями флюса, обеспечивается более постоянный, чем при дуговой сварке, химический состав металла шва.

Благодаря вертикальному положению оси шва значительно облегчается всплывание газовых пузырей и частиц шлака и удаление их из металла. Улучшается заполнение металлом междендритных пустот. Если газовый пузырёк или неметаллическое включение задержится на границе металл – шлак, то они будут перемещаться вместе с этой границей, тогда как при сварке в нижнем положении они были бы захвачены кристаллизующимися металлом. Поэтому склонность к образованию пор и других неплотностей при электрошлаковой сварке во много раз ниже, чем при дуговой сварке в нижнем положении; меньше чувствительность к влажности шлака, ржавчине и загрязнении кромок.

Вследствие благоприятного направления роста кристаллов в швах, выполненных электрошлаковым способом в вертикальном положении, отсутствует так называемая зона слабины, наблюдаемая в швах большого сечения, сваренных в нижнем положении. Это же обстоятельство значительно снижает склонность швов к образованию кристаллизационных трещин. Температурные условия для околошовной зоны также благоприятны, что как большой погонной энергией по сравнению с отдельным слоем многослойной сварки, так и предварительным, создаваемым шлаковой ванной. Нагрев кромок начинается на уровне поверхности шлаковой ванны, а плавится они начинают в непосредственной близости от металлической ванны. Между началом подогрева кромок основного металла и их плавлением проходит 2-3 и более минут, вследствие чего снижается как скорость нагрева, так и скорость последующего охлаждения.

Электрошлаковая сварка всегда производится в один проход, поэтому линейная скорость сварки толстого металла значительно ниже, чем при дуговой многослойной сварке. Благодаря этому скорости нагрева и последующего охлаждения околошовной зоны очень малы, а склонность к образованию околошовных трещин при сварке закаливающихся сталей сравнительно невелика.

Поскольку электрошлаковая сварка производится в один проход, полностью ликвидируется наиболее распространённый дефект многослойной сварки – шлаковые макроскопические включения. Они могут появляться только при грубом нарушении технологии сварки.

Сварка металла любой толщины производится без разделки кромок. Кромки, подлежащие сварке, не имеют фасок: они собираются с зазором, образующим своего рода разделку кромок. Это в несколько раз уменьшает трудоёмкость и стоимость подготовки кромок под сварку.

Благодаря симметричности разделки и положения в ней электродов при электрошлаковой сварке, как правило, отсутствуют угловые деформации. Они могут возникать только при сварке некоторых специальных типов сварных соединений. При толщине свариваемого металла меньше 40-50 мм трудоёмкость и стоимость сварных соединений при электрошлаковой сварке больше, чем при дуговой сварке под флюсом. Однако с ростом толщины производительность и экономичность электрошлаковой сварки быстро растут и при толщинах свыше 100 мм бывают во много раз выше, чем при дуговой сварке.

Область применения.

Важнейшей проблемой современного машиностроения является экономное использование металлов, снижение металлоёмкости конструкций, повышение их надёжности и долговечности. Известно, что в сварных машиностроительных конструкциях затраты на материалы превышают 50%. Поэтому наибольший народнохозяйственный эффект от внедрения мероприятий, способствующих экономии металла, реализуется в таких отраслях машиностроения, производящих крупногабаритное толстостенное оборудование, как газо-нефтехимическая и энергетическая.

Первоначальным назначением электрошлакового процесса была сварка вертикальных монтажных швов изделий, швы которых нельзя поставить в удобное для дуговой сварки нижнее положение.

Однако высокая эффективность электрошлакового процесса вывела его за пределы монтажной сварки, сделав его основным способом сварки металла большой толщины, а затем и за пределы собственно сварочного производства. Сейчас электрошлаковый процесс применяется не только при сварке и наплавке, но также для получения отливок и слитков специального назначения и для уплотнения обычных слитков и отливок.

Электрошлаковая сварка применяется в производстве барабанов паровых котлов и других сосудов высокого давления, где уже полностью вытеснила применявшуюся ранее многослойную автоматическую сварку, при изготовлении станин крупных механических прессов, траверс, архитравов и цилиндров гидравлических прессов, валов крупных гидротурбин и гидрогенераторов, станин прокатных станов, судовых корпусов, ахтерштевней, форштевней и других судовых деталей, корпусов крупных электромашин, паровозных и тепловозных рам, стоек мартеновских печей, коленчатых валов, крупных фланцев и многих других деталей. Широкое распространение получила электрошлаковая сварка стыков арматуры. Несмотря на сравнительно небольшое сечение сварных соединений, этот способ оказался эффективнее других.

В ряде случаев применение сварных конструкций позволяет сэкономить большое количество металла. Так для сварных валов Варваринской ГЭС развес слитков составил 59т вместо 100т для цельнокованых; сварная станина механического ковочно-штамповочного пресса давлением 4000т весит на 24т меньше чем в литом варианте. С применением сварки при изготовлении стоек мартеновских печей на Днепропетровском заводе металлоконструкций получена большая экономия толстого проката за счёт ликвидации отходов.

Значение электрошлаковой сварки не исчерпывается её экономическим эффектом. Широкое её применение коренным образом изменяет характер развития тяжёлого машиностроения. Факторами, ограничивающими размеры элементов, могут быть: мощность кузнечно-прессового оборудования, размеры нагревательных и термических печей, размеры металлообрабатывающих станков. Отдельно следует рассмотреть ограничения, вносимые трудностями перевозки негабаритных грузов на место их монтажа.

Рост размеров и веса элементов может происходить только на основе пропорционального роста перечисленных выше производственных мощностей. Однако с применением электрошлаковой сварки такая пропорциональность может сохраняться не во всех случаях.

В первую очередь отпадает необходимость роста мощностей, связанных с ростом развеса слитка, поскольку электрошлаковая сварка позволяет сваривать между собой отливки в блоки любых размеров и почти любой формы. Электрошлаковая сварка, в большинстве случаев, даёт возможность соединять поковки так, чтобы в случае надобности обойтись сравнительно лёгкими прессами.

В настоящее время электрошлаковая сварка позволяет изготовить на заводах со сравнительно маломощным станочным и кузнечно-прессовым оборудованием заготовки любых размеров. Дальнейший рост размеров отдельных деталей ограничен возможностью транспортировки.

Большие возможности открываются для применения электрошлакового процесса при наплавочных работах. Электрошлаковая наплавка может успешно выполняться электродами большого сечения, например при изготовлении биметаллических изделий, при облицовке рабочих поверхностей толстостенных сосудов и т.д. Чаще всего наплавляемые поверхности располагают вертикально или наклонно: в этом случае электрошлаковый процесс ведётся также, как и при сварке.

Электрошлаковым способом успешно свариваются стали различных классов и марок. Наряду с мало- и среднеуглеродистыми сталями удаётся сваривать ферритные нержавеющие стали, хромоникелевые аустенитные стали, жаропрочные сплавы на никелевой основе, сваривают титан и его сплавы. Помимо прямолинейных и кольцевых швов большой протяжённости, можно сваривать короткие швы толстого металла. При сварке вертикальных монтажных швов электрошлаковая сварка может оказаться выгоднее ручной сварки уже при толщине металла 16-20 мм.

Целесообразность применения данного вида сварки во многом зависит от количества швов, подлежащих сварке. Чем оно больше, тем ниже предел толщины, с которого выгодно применять электрошлаковую сварку.