книги из ГПНТБ / Электрошлаковая сварка крупногабаритных, толстостенных конструкций И. Б. Млинов, инженер. 1960- 9 Мб

ВВЕДЕНИЕ

Грандиозность задач, выдвинутых в докладе

11. С. Хрущева на XXI съезде КПСС, в решениях съезда,

обязывает работников всех отраслей промышленности уд­ воить свои усилия в борьбе за дальнейший технический прогресс, за всемерное повышение производительности груда и снижение себестоимости выпускаемой продукции,

за лучшее использование техники в производстве.

Всоответствии с указаниями партии и правительства

скаждым годом расширяется область применения сва­ рочной техники в народном хозяйстве. Наиболее важным достижением за последнее десятилетие явилась разработ­ ка институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР нового способа соединения металла •— электрошлаковая сварка.

Выпуск современных тяжелых машин и агрегатов, как мощные прессы, прокатные станы, толстостенные сосуды высокого давления в химической промышленности, уни­ кальные гидротурбины и т. д., — связан с изготовлени­ ем крупных отливок и поковок. Все это усложняет, а под­ час тормозит дальнейший прогресс в области тяжелого

машиностроения, так как пропускная способность литей­

ного и ковочного оборудования заводов недостаточна для возросшей программы этих заводов и, кроме того, габа­ риты и вес каждой такой детали (отливки и поковки) ог­ раничены техническими возможностями и мощностью

этого оборудования. С появлением электрошлаковой

сварки стало возможным перейти на сварнокованные,

сварнолитые и сварнопрокатные конструкции и тем са­ мым изготовлять современные крупногабаритные изделия без расширения производственных площадей и увеличе­ ния мощности металлургического оборудования.

3

СУЩНОСТЬ ЭЛЕКТРОШЛАКОВО И СВАРКИ

ИЕЕ ОСОБЕННОСТИ

Вэлектрометаллургии наряду с другими печами хо­ рошо известны печи сопротивления, в которых нагрев

осуществляется за счет тепла, выделяющегося при про­ хождении тока через шихтовые материалы, электропро­

водные в расплавленном состоянии. Известны также оп­ ределенные периоды «бездуговой» работы дуговых пе­

чей, когда дуга практически в них гаснет, вследствие шунтирования значительными массами электропровод­ ных материалов.

В сварочной технике успешно также применяются электрические печи для выплавки сварочного флюса, осуществляемой за счет тепла, выделяемого при прохож­

дении тока через расплавленные электропроводные ших­

товые материалы.

Подобно этому протекает и электрошлаковая сварка,

при которой плавление основного и электродного метал­ лов осуществляется за счет тепла, выделяющегося при прохождении сварочного тока через расплавленный

электропроводный шлак. Причем главной особенностью при этом является отсутствие дугового разряда. Установ­ лению устойчивого бездугового процесса обязательно, в первоначальный период зажигания дуги, предшествует дуговой процесс, необходимый для расплавления флюса, наведения шлаковой и образования жидкой металличе­ ской ванны. Лишь после того, как количество жидкого перегретого шлака значительно возрастет, дуговой про­ цесс уступает место бездуговому. В силу отсутствия дуги

при сварке отпадают требования, предъявляемые к

параметрам сварочной цепи условиями устойчивого горе­ ния дуги как это имеет место при дуговой ручной и авто­ матической сварке. Исключаются требования, предъявля-

5

емые к сварочным пеням, в первую очередь переменного

тока, условиями надежных повторных возбуждений

дуги. Отпадает необходимость в выборе соответствую­ щей величины напряжения холостого хода и сопротивле­ ния сварочной цепи. Для быстрого перехода от дугового к электрошлаковому процессу нужны условия, которые неприемлемы для устойчивого горения дуги переменно­ го тока, а именно: низкое напряжение холостого хода и наличие активного сопротивления, индуктирующего ду­ говой промежуток. Именно поэтому при электрошлако-

вой сварке отпадает необходимость в применении источ­ ников постоянного тока, обеспечивающих повышенную стабильность сварочной дуги. Электрошлаковая сварка

отличается от других видов сварки: наличием больших масс жидкого металла и шлака. Поэтому в большинстве случаев приходится принимать специальные меры по удержанию металла и шлака в зоне сварки, т. е. электро­

шлаковая сварка применяется преимущественно в соче­ тании с методом принудительного формирования сварно­ го шва. Для осуществления сварки, кромки изделия, независимо от того кольцевой шов или продольный, уста­ навливаются таким образом, чтобы шов занимал верти­ кальное положение. При этом плавильное пространство

представляет собой глубокую шахту (рис. 1), две стенки которой образуют кромки.детали, подлежащей сварке, а

две другие стенки —- медные, охлаждаемые водой ползу­ ны или подкладки. По мере расплавления электродной проволоки и основного металла шахта заполняется жид­ ким металлом, образующим, по затвердевании, сварной шов.

Принципиальной особенностью электрошлаковой сварки является весьма своеобразный характер кристал­ лизации сварочной ванны,

В сварных швах, выполненных обычным способом ручной или автоматической дуговой сваркой в нижнем положении, наблюдается, так называемая, плоскость слабины, возникающая в плоскости симметрии шва в ме­ сте встречи кристаллов, растущих от противоположных стенок ванны (рис. 2).

Известно, что первичная кристаллизация носит перио­ дический, прерывистый характер. Вследствие прерыви­

стости процесса первичной кристаллизации сварные швы

приобретают слоистое строение. Второй особенностью

6

увеличение толщины кристаллов оуквально до несколь­ ких миллиметров, что в свою очередь, в некоторых слу­ чаях, может привести к снижению прочности и вязкости металла шва. Поэтому, при электрошлаковой сварке, почти во всех случаях, приходится прибегать к дополни­ тельным мероприятиям для изменения структуры метал­

ла шва, а именно к термической обработке конструкций после сварки, — нормализации или закалки с последую­ щим отпуском. Измельчение структуры обеспечивает по­ лучение высоких механических свойств металла шва.

Электрошлаковой сварке свойственен своеобразный термический цикл, тепловые процессы которые харак­

теризуются следующими особенностями:

а) нагрев основного металла всегда менее концентри­ рованный, чем при, электродуговой сварке. Это обстоя­ тельство позволяет легко и в широких пределах регули­ ровать проплавление свариваемых кромок и долю основ­ ного металла в сварном шве;

б) низкая концентрация нагрева обусловливает вы­ сокую устойчивость околошовиой зоны, против образова­ ния горячих трещин, что очень важно для трудносвари-

ваемых сталей и особенно для сталей с высоким содер­ жанием углерода;

гия используется для плавления электрода более эффек­ тивно, чем в случае дуговой сварки, т. к. это обусловлено увеличением вылета электрода и интенсивным подогре­ вом погруженной части электрода жидким шлаком.

Электрошлаковая сварка существенно отличается от

дуговой сварки условиями прохождения металлургиче­ ских процессов. Общеизвестно, что в сварных швах мо­ гут иметь место такие дефекты, как поры и горячие тре­

щины. Причем, также известно, что главной причиной пористости сварных швов является избыточное содержа­

ние в сварочной ванне таких газов, как водород, азот, окись углерода, превышающих предел их растворимо­ сти в жидком металле при температуре кристаллизации. Если избыток газа не успевает удалиться из сварочной ванны до момента завершения ее кристаллизации, - в шве образуются газовые канальцы и пустоты, называе-

9

мне порами. При электрошлаковой сварке условия де­ газации исключительно благоприятны. Шлаковая ванна,

покрывающая жидкий металл, служит, своего рода, теп­ ловой надставкой, способствующей наиболее полному удалению газов из сварочной ванны. Тепловая «надстав­ ка» оказывает также значительное улучшение прохож­

дению усадки металла шва и устраняет опасность обра­ зования глубокой усадочной раковины в момент замыка­ ния.

Горячие трещины в сварных швах, как известно, об­ разуются в момент кристаллизации сварочной ванны Они располагаются по границам кристаллов и обуслов­

ливаются наличием жидких легкоплавких прослоек. При электрошлаковой сварке, при прочих равных условиях, горячие трещины образуются значительно меньше, чем при обычной сварке в нижнем положении. Сварная ван

на, при этом, служит сборником жидкости, непрерывно

заливающей сверху трещины, образующиеся между столбчатыми кристаллами шва.

При электрошлаковой сварке обеспечивается весьма надежная и совершенная физическая защита жидкого металла от кислорода и азота воздуха. Поэтому, если исходные материалы — сталь и сварочная проволока -- обладают надлежащими свойствами и химическим соста­ вом, то при электрошлаковой сварке отпадает необходи­

мость в металлургической обработке сварочным шлаком,

т. е., другими словами, при электрошлаковой сварке мо­ гут и применяются полностью нейтральные флюсы, нс вступающие во взаимодействие с жидким металлом, не окисляющие сварочную ванну и не препятствующие ус­ воению сварочной ванной легирующих примесей, содер­

жащихся в основном металле и присадочной проволоке.

Это тем более целесообразно, что при электрошлаковой сварке объем шлака весьма незначителен.

Одной из особенностей металлургии электрошлакового процесса сварки является возможность регулирова ния химического состава шва в практически неограни­ ченных пределах, за счет подачи в плавильное про­ странство одновременно сварочных проволок разного химического состава.

10