ЗАО "Сварочные технологии"

Под режимом электрошлаковой сварки также принято понимать совокупность ряда составляющих, которые определяют устойчивость процесса, а также размер, форму и качество шва.

Такими составляющими являются:

1) ширина зазора между свариваемыми кромками (b_э);

2) размеры электрода в сечении (диаметр d_э при сварке электродными проволоками или толщина δ_э и ширина b_э при сварке пластинами);

3) величина сварочного тока I_св, либо скорость подачи электрода U_пэ, или плотность тока i;

4) напряжение сварки U_св;

5) глубина шлаковой ванны h_ш.в;

6) количество и расположение электродов;

7) приближение электродов к формирующим приспособлениям α, а в случае сварки с поперечным перемещением электродов и время т выдержки их в неподвижном положении у формирующих приспособлений;

8 ) дозировка подачи флюса в зону сварки;

9) интенсивность охлаждения формирующих приспособлений.

Нормальное течение сварочного процесса и образование качественного сварного соединения обеспечиваются оптимальным режимом электрошлаковой сварки. Такой режим может быть получен только при оптимальных значениях его составляющих. Поэтому для правильного выбора значения составляющих необходимо знать, как они влияют на качество сварного соединения и электрошлаковый процесс.

Качество сварного соединения при электрошлаковой сварке зависит прежде всего от глубины проплавления свариваемых кромок. Здесь, как и при любом другом способе сварки, нельзя точно выдерживать номинальные значения выбранного режима.

Режим, как правило, колеблется в некоторых пределах, величина которых зависит от условий выполнения сварки. Колебание режима сварки вызывает колебание глубины проплавления свариваемых кромок. При чрезмерном колебании режима сварки в сварном соединении могут появляться непровары кромок.

При сварке среднеуглеродистых и легированных сталей глубина проплавления свариваемых кромок влияет на качество сварных соединений еще и потому, что она сказывается на механических свойствах металла шва. В этих случаях химический состав электродного металла заметно отличается от химического состава свариваемого металла. Поэтому изменение глубины проплавления кромок свариваемого металла влияет на долю основного металла в металле шва, что изменяет его химический состав и тем самым механические свойства.

Из сказанного следует, что оптимальный режим электрошлаковой сварки должен обеспечивать проплавление кромок свариваемого металла на такую глубину, которая исключает появление непроваров в сварном соединении, и необходимую долю основного металла в металле шва.

О глубине проплавления кромок свариваемого металла при электрошлаковой сварке можно судить по ширине получаемого шва и зазору между свариваемыми кромками.

Другими факторами, определяющими качество сварного соединения при электрошлаковой сварке, являются степень нагрева и скорость последующего охлаждения свариваемого металла в околошовной зоне, которые влияют на его структуру и механические свойства. О степени нагрева околошовной зоны приближенно можно судить по ее ширине.

Следовательно, при выборе оптимального значения составляющих режима электрошлаковой сварки следует в первую очередь учитывать влияние этих составляющих на глубину проплавления кромок свариваемого металла и ширину околошовной зоны.

Влияние составляющих режима электрошлаковой сварки на глубину проплавления кромок свариваемого металла и ширину околошовной зоны наиболее полно исследовано применительно к сварке одним электродом, перемещающимся по толщине свариваемого металла (рис. 124).

В меньшей степени исследовано влияние составляющих режима при сварке несколькими электродными проволоками (без колебаний), а также пластинами и плавящимся мундштуком на глубину проплавления кромок и ширину околошовной зоны. Имеются, однако, данные, которые показывают, что при таких способах сварки составляющие режима влияют на глубину проплавления кромок и ширину околошовной зоны так же, как при сварке одним электродом, перемещающимся по толщине свариваемого металла. Изменяется только степень их влияния.

Как видно из рис. 124, глубина проплавления кромок свариваемого металла при электрошлаковой сварке увеличивается с увеличением напряжения сварки, ширины зазора между свариваемыми кромками и сечения электрода, а также с уменьшением глубины шлаковой ванны, вылета электрода и скорости перемещения его по толщине свариваемого металла.

Более сложно влияет на проплавление кромок свариваемого металла величина тока. Повышение тока до определенного предела (разного для разных условий сварки) увеличивают глубину проплавления кромок.

Дальнейшее увеличение его приводит уже к некоторому уменьшению проплавления кромок. Из всех составляющих режима электрошлаковой сварки на проплавление кромок свариваемого металла наиболее значительно влияет напряжение сварки. Поэтому глубину проплавления кромок, а следовательно, и ширину шва наиболее эффективно регулировать изменением напряжения сварки.

(рис. 124) Влияние составляющих режима электрошлаковой сварки на глубину проплавления кромок свариваемого металла (b_пр) и ширину околошовной зоны (b_о.з): а - сварочного тока, б - напряжения сварки, в - глубины шлаковой ванны, г - зазора между свариваемыми кромками, д - скорости перемещения электрода по толщине свариваемого металла, е - вылета электрода, ж - диаметра (толщины) электрода

При электрошлаковой сварке перемещающимся электродом на глубину проплавления кромок и, следовательно, ширину шва довольно сильно влияет скорость перемещения электродов.

Однако пользоваться этим влиянием менее удобно потому, что скорость перемещения электродов по толщине свариваемого металла можно изменять только при настройке аппарата на сварку данного шва. Регулировать ее в процессе сварки при существующих конструкциях сварочных аппаратов не представляется возможным. Напряжение же можно свободно изменять в любой момент сварки.

Ширина зазора и глубина шлаковой ванны при нормальном процессе электрошлаковой сварки изменяются обычно в таких пределах, что не могут быть эффективным средством регулирования глубины проплавления кромок. Так, например, зазор между свариваемыми кромками обычно не выходит из пределов 25-35 мм. Глубина шлаковой ванны на практике составляет 30-55 мм. Такое изменение ширины зазора и глубины ванны вызывает, как это видно из рис. 124, незначительное изменение глубины проплавления свариваемых кромок.

Проплавление кромок у поверхности свариваемого металла, определяющее ширину усиления шва, зависит от расстояния между электродом и формирующим приспособлением.

Чтобы кромки у поверхности свариваемого металла надежно проваривались, следует по возможности ближе подводить электроды к формирующим приспособлениям.

Максимальное приближение электродов к формирующим приспособлениям обеспечивает также лучшее формирование усиления шва. Формирование усиления зависит и от степени охлаждения формирующих приспособлений, контролируемого по температуре отводимой воды. Если температура отводимой воды колеблется в пределах 40-60°С, поверхность усиления получается ровной и переход к основному металлу плавный. При более низкой температуре воды появляются грубая чешуйчатость и подрезы.

Электрошлаковая сварка выполняется на переменном и постоянном токе (в том и другом случае процесс сварки устойчив). Но благодаря значительным эксплуатационным преимуществам (простоте конструкций источника сварочного тока, его меньшей стоимости и более высокому к.п.д., возможности равномерной нагрузки трехфазной силовой сети и др.) сварка на переменном токе нашла широкое применение в промышленности.

При сварке переменным током сохраняется та же закономерность проплавления основного металла, что и при сварке постоянным током. Однако при использовании переменного тока несколько увеличивается продолжительность перехода процесса от дугового к электрошлаковому в начале шва и во время восстановления электрошлакового процесса при случайных его нарушениях. Это удлиняет участок непровара кромок в начале шва и вызывает появление непровара в месте восстановления нарушенного процесса.

Продолжительность установления электрошлакового процесса на переменном токе можно значительно сократить, резко снижая в это время скорость подачи электрода.

При выборе оптимального значения составляющих режима электрошлаковой сварки следует учитывать влияние их на образование в металле шва осевых трещин. Эти трещины располагаются в зоне встречи столбчатых кристаллов и поражают только среднюю (по толщине свариваемого металла) часть шва, не выходя на его поверхность.

Образование осевых трещин при электрошлаковой сварке зависит, как уже указывалось, от формы ванны жидкого металла. Форма ванны жидкого металла при электрошлаковой сварке определяется режимом сварки. Наиболее значительно на форму ванны жидкого металла влияет величина сварочного тока. С ростом тока заметно увеличивается глубина ванны. Ширина ванны при этом (см. рис. 124) лишь сначала несколько увеличивается, а затем даже уменьшается. В результате даже при небольшом увеличении тока существенно ухудшается форма ванны жидкого металла и заметно увеличивается вероятность образования осевых трещин. Поэтому величина тока при электрошлаковой сварке является решающим фактором, определяющим стойкость металла шва против образования трещин. В случае появления в металле шва осевых кристаллизационных трещин необходимо снижать сварочный ток.

Заметное влияние на форму ванны жидкого металла оказывает также напряжение сварки.

С увеличением напряжения улучшается форма ванны жидкого металла и, таким образом, повышается стойкость металла шва против образования осевых трещин. Форма ванны при этом улучшается вследствие увеличения ширины шва (см. рис. 124) и уменьшения глубины металлической ванны. Повышение напряжения сварки вызывает некоторое снижение тока и уменьшение глубины металлической ванны.

Таким образом, для предупреждения осевых трещин необходимо повышать напряжение сварки. Однако при сварке сталей, обладающих низкой теплопроводностью (например, аустенитные стали), а также обычных сталей с большими зазорами увеличение напряжения может не только не ослабить, но и, наоборот, увеличить склонность к трещинам. Происходит это вследствие увеличения глубины ванны жидкого металла от чрезмерного разогрева зоны сварки.

При сварке электродными проволоками, перемещаемыми по толщине свариваемого металла, образование осевых трещин зависит от скорости перемещения электродов. Чем выше эта скорость, тем меньше вероятность образования трещин.

Скорость перемещения электродов мало изменяет форму ванны жидкого металла, и ее влияние на образование осевых трещин связано с изменением в металле шва толщины слоев кристаллизации, образуемых при каждом возвратном перемещении электродов. Если шов, выполненный электрошлаковой сваркой, глубоко протравить по продольному разрезу, то можно увидеть, что нижняя часть кристаллизационных слоев, а следовательно, и ванны жидкого металла имеет сферическое очертание. Поэтому кристаллы в этой части ванны будут расти в радиальном направлении. В силу этого плоскость слабины появится только на некотором расстоянии от нижней границы ванны. Если это расстояние больше толщины слоя кристаллизации (что может быть при больших скоростях перемещения электродов), то уже образовавшаяся плоскость слабины полностью переплавится при возвратном перемещении электрода. В этом случае возможность образования осевых трещин исключается (рис. 125).

(рис. 125) Слои кристаллизации в швах, стойких против образования осевых трещин

При перемещении электродов с малой скоростью толщина слоя кристаллизации может быть больше расстояния до начала образовавшейся плоскости слабины. В этом случае в металле шва остаются непереплавленные участки плоскости слабины, которые являются очагами зарождения осевой трещины (рис. 126).

(рис. 126) Слои кристаллизации в швах, склонных к образованию осевых трещин

Остальные составляющие режима электрошлаковой сварки незначительно влияют на форму сварочной ванны и, следовательно, на образование в металле шва осевых трещин. Исключение составляет величина зазора между свариваемыми кромками. Уменьшение этого зазора при неизменных сварочном токе и напряжении сварки заметно сужает шов (см. рис. 124), что ухудшает форму ванны жидкого металла и тем самым увеличивает вероятность появления осевых трещин.

Совершенно очевидно, что качественное сварное соединение можно получить только при устойчивом процессе сварки. Выше указывалось, что устойчивость электрошлакового процесса определяется физико-химическими свойствами флюса. Имеются, однако, данные, свидетельствующие о том, что на устойчивость процесса при электрошлаковой сварке влияет и ряд составляющих режима сварки. Например, жидкотекучесть шлака в сварочной ванне, влияющая на устойчивость электрошлакового процесса, зависит не только от вязкости, обусловленной химическим составом флюса, но и от температуры разогрева шлаковой ванны. В свою очередь, температура разогрева шлаковой ванны определяется объемом этой ванны и выделяемым в ней количеством тепла, а объем шлаковой ванны зависит от ее глубины и зазора между свариваемыми кромками (глубина и зазор - основные составляющие сварки). Количество тепла, выделяемого в шлаковой ванне, полностью зависит от электрической мощности режима сварки, которая определяется величиной сварочного тока и напряжением сварки.

Следовательно, при выборе оптимального значения составляющих режима электрошлаковой сварки необходимо учитывать влияние их на устойчивость электрошлакового процесса.

Из всех составляющих режима сварки наиболее сильное влияние на устойчивость электрошлакового процесса оказывают глубина шлаковой ванны, напряжение сварки и зазор между свариваемыми кромками и значительно меньше сказывается влияние величины сварочного тока. Другие составляющие на устойчивость электрошлакового процесса практически не влияют.

Электрошлаковый процесс протекает нормально при достаточной глубине шлаковой ванны. И чем больше будет глубина шлаковой ванны, тем меньшая вероятность нарушения электрошлакового процесса появлением дугового разряда. Не следует, однако, чрезмерно увеличивать глубину шлаковой ванны, так как это вызывает уменьшение глубины проплавления свариваемых кромок и, следовательно, увеличивается вероятность появления в сварном соединении непроваров. Для сварки электродными проволоками наиболее приемлемая глубина шлаковой ванны 35-60 мм. При сварке пластинчатыми электродами и плавящимся мундштуком глубину шлаковой ванны можно уменьшать до 25-35 мм.

Напряжение сварки хотя и достаточно сильно влияет на устойчивость электрошлакового процесса, но это происходит лишь при чрезмерном его изменении. Чрезмерное снижение напряжения приводит к короткому замыканию электрода на металлическую ванну. При чрезмерном повышении его появляется дуговой разряд в шлаковой ванне и даже на ее поверхности. Эти явления возникают, если напряжение сварки выходит за пределы 28-54 В при использовании кремнемарганцевых флюсов и 22-32 В при использовании фтористых флюсов.

Влияние ширины зазора между свариваемыми кромками на устойчивость электрошлакового процесса заметно лишь при сильном его сужении. При этом создаются условия для возникновения дугового разряда между электродами и кромками свариваемого металла. Минимальный зазор между свариваемыми кромками, при котором электрошлаковый процесс протекает устойчиво, составляет 12 мм.

Величина сварочного тока сказывается на устойчивости электрошлакового процесса также только при значительном его изменении. Особенно это заметно в случае снижения тока. При неизменном сечении электрода чрезмерное снижение тока может привести к замыканию электрода на металлическую ванну, т. е. к короткому замыканию сварочной цепи.

При выборе оптимального значения составляющих режима сварки следует помнить, что влияние, которое они оказывают на протекание процесса и качество сварного соединения, неравноценно. Например, величина сварочного тока влияет на ширину провара. Однако при выборе величины сварочного тока следует учитывать в первую очередь влияние его на образование осевых трещин в металле шва. Или другой пример. Глубина шлаковой ванны заметно сказывается на проплавлении свариваемых кромок. Решающее же значение при выборе оптимальной глубины шлаковой ванны будет иметь влияние на устойчивость электрошлакового процесса.