ЗАО "Сварочные технологии"

Благодаря особенностям, которые изложены в предыдущем параграфе, электрошлаковая сварка нашла широкое применение в различных отраслях промышленности.

Этому также способствовало совершенствование способа элекрошлаковой сварки и появление новых ее видов.

Впервые электрошлаковая сварка выполнялась одной неподвижной (рис. 116, а) либо перемещающейся по толщине свариваемого металла (рис. 116, б) электродной проволокой диаметром 2,0 или 3,0 мм. Оказалось, что неподвижным электродом можно сваривать металл толщиной до 60 мм, перемещающимся - до 150 мм. Для сварки более толстого металла пришлось увеличить количество электродных проволок. При этом было установлено, что с увеличением количества электродов усложняются сварочная аппаратура и техника выполнения сварки. Из всех видов многоэлектродной сварки наиболее приемлемой оказалась сварка тремя электродами, перемещаемыми по толщине свариваемого металла. Этим способом можно сваривать металл толщиной до 500 мм.

(рис. 116) Схема электрошлаковой сварки: а - одной неподвижной проволокой, б - одной проволокой с возвратно-поступательным перемещением по толщине свариваемого металла

При сварке соединений металла толщиной более 500 мм и длине шва не более 1,5 м оказалась возможной подача электродов в зону сварки сверху. В связи с этим стали применяться электроды в виде пластин больших сечений. Использование пластинчатых электродов упростило сварочную аппаратуру и в значительной степени повысило производительность сварки толстого металла. Количество пластин выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла; кроме того, следует учитывать и то обстоятельство, что наиболее рациональна сварка тремя электродами, так как в этом случае можно подключиться ко всем фазам источника питания (рис. 117) и тем самым обеспечить равномерную его загрузку.

(рис. 117) Схема электрошлаковой сварки тремя пластинчатыми электродами: 1 - электроды, 2 - формирующие подкладки, 3 - шов

При выборе количества пластинчатых электродов следует также учитывать, что с увеличением ширины пластины снижается устойчивость сварочного тока. Применение чрезмерно широких пластин вызывает сильное колебание тока, в результате чего нарушается электрошлаковый процесс или в сварном соединении появляются непровары. Поэтому в тех случаях, когда для трехэлектродной сварки требуются чрезмерно широкие, пластины, следует переходить на шестиэлектродную схему сварки. При этом к каждой фазе источника питания, подключается по два электрода, которые группируются так, чтобы соседние электроды подключались к разным фазам.

Дальнейшему развитию электрошлаковой сварки способствовало то обстоятельство, что пластинчатый электрод оказалось возможным заранее поместить в зазор между свариваемыми кромками на всю длину сварного соединения и через специальные каналы в нем подавать электродную проволоку. В этом случае пластина является не только плавящимся электродом, но и мундштуком для направления электродной проволоки. Такой вид электрошлаковой сварки называется электрошлаковой сваркой плавящимся мундштуком (рис. 118). С его появлением стали успешно сваривать изделия сложного криволинейного профиля с переменным сечением.

(рис. 118) Схема электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком: 1 - пластина, 2 - электродная проволока

Впоследствии было установлено, что электрод большого сечения не обязательно должен иметь форму пластины. Он может выполняться в виде стержня с поперечным сечением прямоугольной, круглой или любой другой формы. Это позволило разработать новый вид электрошлаковой сварки, получивший название контактно-шлаковой сварки. Названа она так потому, что ее схема (рис.119) напоминает обыкновенную контактную сварку. Здесь, как и при контактной сварке, не применяется присадочный металл в виде специального электрода. Сварочный ток подводится непосредственно к частям изделия, которые свариваются между собой. Причем части эти устанавливаются так, чтобы свариваемые кромки располагались в горизонтальной плоскости с определенным зазором. В этом зазоре с помощью специального приспособления образуется шлаковая ванна, через некоторое время отключается ток и свариваемые части изделия быстро приближаются друг к другу до соприкосновения.

(рис. 119) Схема контактно-шлаковой сварки (стрелкой указано направления перемещения верхней части свариваемой детали): 1 - подвод и отвод охлаждаемой воды, 2 - шлакоудерживающее приспособление, охлаждаемое водой, 3 - свариваемая деталь, 4 - стальная подставка для токоподвода и начала процесса

Можно отметить еще один вид электрошлаковой сварки. Это ручная электрошлаковая сварка, или, как ее часто называют, ванно-шлаковая сварка, выполняемая шланговым полуавтоматом или ручным держателем с электродом большого сечения.

Таким образом, в настоящее время известны следующие виды электрошлаковой сварки: а) сварка одной или несколькими электродными проволоками; б) сварка пластинами; в) сварка плавящимся мундштуком; г) контактно-шлаковая сварка и д) ванно-шлаковая сварка.

Благодаря такому количеству видов электрошлаковой сварки значительно расширилась область ее применения. Однако имеется еще много сварных конструкций, где использование электрошлаковой сварки затруднено или вовсе исключено. Обусловлено это тем, что для выполнения электрошлаковой сварки требуются особые условия, которые и ограничивают возможность ее применения.

Как уже указывалось, чтобы обеспечить нормальное протекание электрошлакового процесса, необходимо иметь шлаковую ванну достаточной глубины.

Наилучшие условия для получения глубокой шлаковой ванны создаются при вертикальном положении швов. Такие швы выполняются, как правило, с принудительным формированием, которое препятствует растеканию жидкого шлака и тем самым способствует образованию шлаковой ванны необходимой глубины. Поэтому электрошлаковая сварка выполняется только в вертикальном положении. Положение выполняемого шва является первым условием, определяющим область применения электрошлаковой сварки.

Устойчивость электрошлакового процесса зависит не только от глубины шлаковой ванны, но и поперечного сечения ее. При недостаточном поперечном сечении шлаковой ванны электрошлаковый процесс нарушается вспышками дугового разряда на свариваемые кромки.

Следовательно, сечение свариваемого шва является вторым условием, определяющим область применения электрошлаковой сварки.

Минимальное поперечное сечение шлаковой ванны, при котором, можно получить устойчивый электрошлаковый процесс, составляет примерно 450 мм², что соответствует стыковому шву на металле толщиной 20 мм или угловому шву с катетом 30×30 мм. Так как угловые швы с катетом 30×30 мм и более встречаются сравнительно редко, то следует считать, что в основном электрошлаковая сварка может применяться при выполнении стыковых швов на металле толщиной 20 мм и более.

Стыковые швы, выполняемые электрошлаковым способом, могут быть прямыми, криволинейными и кольцевыми. Выполнение прямых швов не встречает особых затруднений. Такие швы должны лишь быть доступными для использования сварочных аппаратов. Труднее выполняются криволинейные швы. Причем чем больше кривизна швов, тем труднее выполнять электрошлаковую сварку. Электрошлаковой сваркой могут быть выполнены не только кольцевые швы, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра (рис. 120,1), но и швы, располагающиеся в плоскости, образующей цилиндр (рис. 120,2).

(рис. 120) Кольцевые швы: 1 - выполнимые электрошлаковой сваркой, 2 - невыполнимые электрошлаковой сваркой

Третьим условием, определяющим область применения электрошлаковой сварки, являются соотношение толщины свариваемых элементов, форма их сечений и длина шва. Наиболее приемлема конструкция, состоящая из элементов одинаковой толщины (рис. 121, а). Несколько усложняется, но вполне выполнима электрошлаковая сварка конструкций, состоящих из элементов разной толщины. Примером соединения таких элементов могут быть тавровые (рис. 121, б) и угловые соединения со стыковым швом (рис. 121, в). Основное затруднение при сварке конструкций из элементов различной толщины состоит в выборе и изготовлении необходимых формирующих приспособлений. Формирование шва здесь, как правило, усложняется. Особенно усложняется оно, если соотношение толщины свариваемых элементов, т. е. разница в их толщине, изменяется по длине шва.

(рис. 121) Типы соединений, свариваемых электрошлаковым способом: а - стыковое соединение, б - тавровое соединение, в - угловое соединение

Что касается формы сечения свариваемых элементов, то наиболее удобными для электрошлаковой сварки являются прямоугольные сечения. Успешно могут свариваться также элементы с сечением трапецеидальной или другой формы, которая не имеет резких изменений толщины свариваемого металла (рис. 122).

Качественное соединение элементов таких сечений стало возможным после появления электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком. Несколько усложняется сварка элементов, значительно изменяющихся по толщине (рис. 123). Сечения таких элементов необходимо выравнивать до прямоугольной или другой удобной для сварки формы путем приварки соответствующей формы планок из металла толщиной 50-60 мм или набора более тонких пластин (рис. 123, б). При сварке литых или кованых заготовок сечение можно выравнивать за счет специальных приливов или выступов, получаемых в процессе изготовления заготовок (рис. 123, в). После сварки выравненные участки могут быть очищены газовой резкой или механической обработкой, если этого требует конструкция изделия.

(рис. 122) Виды сечений переменной формы, свариваемых электрошлаковым способом

(рис. 123) Схема выравнивания сечения сложной формы при применении электрошлаковой сварки: а - выравниваемое сечение, б - вваркой вставки, в - специальными выступами, создаваемыми в процессе отливки или ковки

Для однотипных повторяющихся изделий можно применить съемные выравнивающие приспособления, например охлаждаемые водой формы. В этом случае исключают затраты на выравнивание приливов и выступов или подготовку и приварку выравнивающих планок. Облегчается также расчистка выравненных участков, так как срезать надо только гребень наплавленного металла, толщина которого обычно не превышает 50 мм.

Наиболее целесообразно применение электрошлаковой сварки при изготовлении толстостенных конструкций. Такие конструкции встречаются в тяжелом машиностроении, судостроении, химическом машиностроении, электротехнической промышленности, при строительстве гидросооружений. Это - барабаны паровых котлов высокого и сверхвысокого давлений, цилиндры и баллоны аккумуляторов мощных гидропрессов, реакционные колонны химических и нефтеперерабатывающих заводов, валы гидротурбин и гидрогенераторов, статоры и рабочие колеса гидротурбин, диски подпятников гидрогенераторов, ползуны механических ковочно-штамповочных прессов, заготовки крупных зубчатых колес, средние и крупные коленчатые валы, станины прокатных станов, форштевни, ахтерштевни и гребные валы судов.