Электрошлаковая сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей

• Технология и техника дуговой и электрошлаковой сварки
  • 1. Сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей
    • 1.1. Ручная дуговая сварка
    • 1.2. Механизированная сварка в среде защитных газов и самозащитной проволокой
    • 1.3. Автоматическая сварка под флюсом

    • 1.4. Электрошлаковая сварка

  • 2. Сварка низколегированных теплоустойчивых сталей
  • 3. Сварка среднеуглеродистых и среднелегированных сталей
  • 4. Сварка высоколегированных сталей и сплавов
  • 5. Сварка разнородных сталей и сплавов
  • 6. Технологические особенности сварки труб
  • 7. Технология и техника сварки чугуна
  • 8. Сварка цветных металлов
    • 8.1. Сварка графитовым электродом
    • 8.2. Сварка покрытыми электродами
    • 8.3. Сварка в среде защитных газов вольфрамовым электродом
    • 8.4. Сварка в среде защитных газов плавящимся электродом
    • 8.5. Сварка под слоем флюса
    • 8.6. Электрошлаковая сварка
  • 9. Технология наплавки, напыления и металлизации

Электрошлаковая сварка (ЭШС) представляет собой один из наиболее эффективных способов сварки массивных металлических заготовок, особенно в вертикальном положении. Метод был разработан в 1940-х годах и получил широкое распространение в тяжёлом машиностроении, судостроении и строительстве. Особое значение ЭШС имеет при соединении низкоуглеродистых и низколегированных сталей, которые широко применяются в производстве конструкций, работающих при повышенных нагрузках и в ответственных условиях эксплуатации.

Процесс ЭШС осуществляется за счёт тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через расплавленный шлак, образующийся в сварочной ванне. После первоначального зажигания дуги между электродом и заготовкой дуга быстро гасится, а дальнейшее плавление обеспечивается исключительно за счёт сопротивления расплавленного шлака электрическому току.

Сварочная ванна образуется между двумя вертикально установленными заготовками, а пространство между ними ограничивается водоохлаждаемыми башмаками. Электродная проволока подаётся в зону сварки, плавится в шлаке, и капли металла опускаются в сварочную ванну, формируя шов.

Низкоуглеродистые стали (с содержанием углерода менее 0,25%) характеризуются хорошей свариваемостью, что делает их предпочтительными при электрошлаковой сварке. При этом следует учитывать следующие особенности:

• Минимальная склонность к образованию трещин. Благодаря низкому содержанию углерода, снижается вероятность образования холодных трещин, что позволяет вести сварку без предварительного подогрева при толщине до 60 мм.

• Хорошая пластичность сварного шва. Металл шва сохраняет высокую вязкость даже после кристаллизации.

• Минимальное количество остаточных напряжений. ЭШС обеспечивает медленное охлаждение, что способствует снятию внутренних напряжений в шве.

Применение ЭШС для низкоуглеродистых сталей целесообразно при изготовлении массивных элементов, таких как балки, колонны, элементы мостов и тяжёлых прессов.

Низколегированные стали содержат легирующие элементы (Cr, Mn, Ni, Mo и др.) в количествах до 5%. Они обеспечивают повышенную прочность, износостойкость и коррозионную стойкость, что делает их незаменимыми в тяжёлых конструкциях. Однако свариваемость таких сталей зависит от их состава и требует более тщательного контроля процесса:

• Риски образования твёрдых и хрупких структур. При неадекватной термической обработке может происходить образование мартенсита, особенно при сварке толстостенных заготовок.

• Необходимость предварительного подогрева. Для большинства низколегированных сталей рекомендуется подогрев до 150–350 °C, чтобы снизить скорость охлаждения и минимизировать риск образования холодных трещин.

• Контроль тепловложений. Перегрев может привести к перегреву зоны термического влияния (ЗТВ), потере прочности и ухудшению пластических характеристик.

Важно также правильно подбирать шлаковую смесь и электродные материалы, соответствующие химическому составу основного металла, чтобы обеспечить необходимое легирование металла шва и его механические свойства.

Этот способ является более производительным по сравнению с электродуговой сваркой при изготовлении массивных металлоконструкций толщиной более 40 мм. Из трех ее разновидностей (сварка электродной проволокой, пластинчатым электродом и плавящимся мундштуком) наиболее распространена сварка электродной проволокой диаметром 2…3 мм (табл. 37), состав которой выбирают в зависимости от марки свариваемого металла (табл. 38), а сам процесс ведут на режиме согласно табл. 39, 40.

Таблица 37. Связь между числом электродных проволок, толщиной металла и условиями сварки

Таблица 38. Связь между марками сталей и составом сварочных проволок

Таблица 39. Параметры режима сварки стыковых швов на постоянном токе обратной полярности

Примечание. 1. Диаметр электрода 3 мм.

* С колебательным движением электрода со скоростью 20…40 м/ч.

Таблица 40. Параметры режима сварки на переменном токе

Для более толстых деталей используется сварка пластинчатым электродом (табл. 41), однако в этом случае существует ограничение относительно высоты изделия, которая должна быть не более 1 м. В качестве электрода используются пластины, вырезанные из металла того же состава, что и свариваемый.

Таблица 41. Рекомендуемые размеры пластинчатых электродов при ЭШС

Сварка ведется с зазором 25…35 мм независимо от толщины металла под флюсом марки АН-8 на переменном или постоянном токе обратной полярности. После сварки для улучшения качества изделия проводится термическая обработка — нормализация или нормализация с отпуском, которая в зависимости от степени ответственности конструкции и возможностей предприятия может быть полной или местной; последняя выполняется одновременно со сваркой.

Сварка прямолинейных швов выполняется без предварительного подогрева, а кольцевых швов и, особенно, жестких конструкций — с небольшим подогревом до 150…200 °С для низкоуглеродистых низколегированных (12ХМ, 20ХГСА) сталей и увеличенным до 200…300 °С для среднеуглеродистых сталей (ст. 35, 40, 45).

Параметры режима сварки этих сталей приведены в табл. 40, 42. В некоторых случаях эффективна сварка с подачей дополнительного присадочного материала (ПМ) в виде железного порошка с размерами гранул 0,5…2 мм или крупки из электродной проволоки такого же размера (табл. 43). При сварке на параметрах режима, приведенных в табл. 44, можно повысить в 2…2,5 раза скорость сварки и значительно улучшить структуру и механические свойства сварного соединения.

Таблица 42. Параметры режима сварки проволочным и пластинчатым электродами

Таблица 43. Связь между марками сталей, составом электродной проволоки и ПМ

*Присадочный порошкообразный металл ((ППМ).

Таблица 44. Параметры режима сварки с порошковым присадочным материалом

Для электрошлаковой сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей применяются следующие типы оборудования:

• Сварочные установки типа ЭШС-135, ЭШС-350, оборудованные системой подачи проволоки, регуляторами тока и водоохлаждаемыми башмаками.

• Электроды: омеднённая проволока Св-08А, Св-10Г2, Св-08ГС и др., в зависимости от свариваемого материала.

• Шлаковые флюсы: смесь фтористых и силикатных компонентов, например АНФ-6, ЭШ-46, ЭШ-21.

Выбор конкретных марок зависит от условий эксплуатации сварного соединения и требований к механическим свойствам шва.

Преимущества:

• Высокая производительность (до 5 см/мин при вертикальной сварке).

• Высокое качество шва, однородность структуры.

• Отсутствие разбрызгивания и потерь металла.

• Возможность сварки толстостенных деталей (до 500 мм за один проход).

Ограничения:

• Применима только для вертикального положения шва.

• Необходимость громоздкого оборудования и подготовки к процессу.

• Необходимость точного подбора шлаков и режимов сварки.

Электрошлаковая сварка представляет собой надёжный и эффективный метод соединения низкоуглеродистых и низколегированных сталей при производстве крупногабаритных и ответственных конструкций. Грамотный выбор режимов сварки, расходных материалов и термической обработки позволяет достичь высоких показателей прочности и долговечности соединений. При этом особенности конкретной марки стали и её свариваемость требуют индивидуального подхода к параметрам процесса и контролю качества сварки.