Сварка в среде инертных газов

Сварка в инертных газах производится неплавящимся вольфрамовым электродом или плавящимся электродом, по химическому составу близким к составу свариваемого металла; она осуществляется вручную, полуавтоматически и автоматически.

Этот вид сварки удобен для выполнения сварных соединений в любых пространственных положениях, легко поддаётся механизации, позволяет наблюдать за сварочной ванной в процессе работы, имеет довольно высокую производительность, достигающую при ручной сварке 40-50 м/ч, а при автоматической - 200 м/ч.

Рабочее место, принципиальная схема поста и горелка для ручной сварки в среде инертных газов показаны на рис.3.13 -3.15.

Рис.3.13. Оборудование рабочего места электросварщика при механизированной сварке крупных изделий в среде инертных газов: 1 - баллон с инертным газом; 2 - газовый редуктор; 3 - источник сварочного тока; 4 - гибкие шланги; 5 - горелка; 6 - свариваемое изделие; 7 - подающий механизм; 8 - сварочные провода.

Рис.3.14. Схема поста для ручной сварки на постоянном токе с местной
защитой шва инертными газами: 1 - источник питания; 2 - балластный
реостат; 3 - горелка; 4 - баллон с газом; 5 - редукционный вентиль;
6 - расходомер газа; 7 - осциллятор.

Рис.3.15. Ручная горелка для сварки неплавящимся электродом: 1 - токоведущая цанга; 2 - сопло; 3 - газовая камера; 4 - колпак защитный; 5 - мундштук; 6 - газовый вентиль; 7 - газо- и токоподвод; 8 - рукоятка; 9 - провод; 10 - накидная гайка

В состав оборудования для ручной сварки постоянным током входят: источник сварочного тока, сварочная горелка, устройство возбуждения сварочной дуги, аппаратура управления сварочным циклом и газовой защитой. Перемещение сварочной горелки и подача присадочной проволоки в зону горения дуги производится вручную.

Полуавтоматическая сварка. Этот процесс перспективен для изделий из легированных нержавеющих сталей с криволинейными и короткими швами, особенно в монтажных условиях.

Принципиальная схема держателя полуавтомата приведена на рис. 3.16.

В процессе сварки горелка опирается на механически подаваемую от редуктора присадочную проволоку и перемещается благодаря ее отталкивающему действию. Это обеспечивает равномерную скорость сварки, равную скорости подачи проволоки.

Сварка может выполняться в нижнем горизонтальном и вертикальном положениях стыковых соединений.

Рис.3.16. Схема процесса полуавтоматической сварки:
1 - вольфрамовый электрод; 2 - присадочная проволока

Автоматическая сварка. может выполняться без присадочного материала и с присадочным материалом

Односторонняя сварка неплавящимся электродом встык без разделки кромок, без гарантированного зазора, без присадки, а также без применения приемов увеличения глубины проплавления (активирующих флюсов) может быть выполнена с полным проваром при толщине не более 5 мм.

Процесс сварки без присадочного материала чрезвычайно прост и получил достаточно широкое распространение. Образование сварочного шва без присадки происходит за счет расплавления стыкуемых кромок. Свариваемые заготовки собираются без зазора.

Процесс автоматической сварки с присадочной проволокой получил широкое распространение для соединения заготовок толщиной более 1,5 мм. Присадочная проволока подается с заданной скоростью, которая регулируется в достаточно широких пределах.

В состав оборудования для автоматической сварки входят: сварочная головка, устройство для перемещения сварочной головки или изделия, аппаратура управления механизмами автомата (рис.3.17,а).

Простейшая сварочная головка включает в себя: сварочную горелку, устройства для установочных перемещений горелки (настройка на шов, установка длины дуги, рис.3.17,б).

Обычно сварочная головка содержит и другие функциональные узлы: механизм для подачи присадочной проволоки, механизмы для установочных перемещений мундштука для подвода присадки к сварочной ванне, устройство для колебания горелки поперек стыка (колебатель); автоматический регулятор напряжения на дуге и т.п.

Головка может быть самоходной, устанавливаться на самоходную тележку-трактор (автомат тракторного типа) или укрепляться неподвижно, если сварочное движение осуществляется изделием (подвесная головка). На самоходных головках устанавливается привод перемещения вдоль линии сварки. Автоматы могут быть снабжены системами слежения за линией стыка изделия.

a
Рис.3.17. Общий вид аппарата АД238 для автоматической аргоно-дуговой сварки с присадкой (а) и схема сварочной головки Т451.01.01.000 (б): 1 - горелка; 2 - механизм подачи; 3 - привод; 4 - подвеска; 5 - кассета; 6 - тормозное устройство; 7 - суппорт двухкоординатный; 8 - корректор; 9 - подвеска
	б

В качестве источников сварочного тока при сварке в среде инертных газов используют выпрямители, преобразователи и трансформаторы.

Качество защиты нагретого и расплавленного металла при сварке зависит не только от вида защитного газа, но и от способа защиты.

В производстве сварных конструкций находят применение три основных способа защиты свариваемого узла или зоны сварки от взаимодействия с воздухом: общая защита, местная защита и струйная защита.

При общей защите свариваемый узел полностью помещают в камеру, которая затем вакуумируется до разряжения 10 - 2 Па (для удаления воздуха) и заполняется защитным газом. При работе сварщик находится вне камеры. Сварку выполняют вручную, используя рукава-перчатки, соединенные с корпусом камеры, или автоматически с дистанционным управлением. Применение камер с общей защитой всего узла обеспечивает наиболее надежную защиту нагретого и расплавленного металла от взаимодействия с воздухом. Основные недостатки этих камер - ограниченный объем и относительная сложность эксплуатации (рис.3.18).

Рис.3.18. Двухкамерная установка повышенной производительности
для аргонодуговой сварки в контролируемой атмосферы

Для изготовления крупногабаритных конструкций находят применение обитаемые камеры с инертной атмосферой. В этом случае сварщик находится внутри камеры в специальном скафандре.

В опытном или единичном производстве применение камер с общей защитой, и тем более обитаемых, нецелесообразно из экономических соображений. В этих случаях для защиты металла шва и околошовной зоны применяют местные защитные камеры, которые устанавливают на свариваемые узлы с обеспечением герметичности разъемов при перемещении заготовок (рис.3.19).

Рис.3.19. Аргонодуговая сварка в камерах с местной защитой:
а - внешний вид камеры для сварки неповоротных стыков трубопроводов; б - установка для сварки поворотных стыков
деталей авиационных узлов; 1 - механизм перемещения электрода;
2 - 2 - вольфрамовый электрод и копир; 3 - откидная крышка-люк;
4 - свариваемая деталь; 5 - камера; 6 - сварочная головка.

Наиболее широко в сварочном производстве используется струйная защита, при которой защитные газы подают в зону сварки для оттеснения воздуха от нагретого и расплавленного металла. Как правило, вытекающая из сопла горелки сплошная струя защитного газа симметрична оси электрода (рис. 3.20).

Рис.3.20. Подача защитного газа в зону сварки

При сварке стыковых швов со струйной защитой воздух может поступать к переплавленному дугой металлу через зазор между свариваемыми деталями. Это вызовет окисление металла шва, может привести к образованию пор в шве. Для предупреждения этих дефектов применяют обдувку защитным газом обратной стороны шва, сварку ведут на плотно прилегающих со стороны шва подкладках, в которые подается защитный газ с регулируемым избыточным давлением (рис.3.21).

Технологические характеристики процесса сварки вольфрамовым электродом зависят главным образом от рода, полярности, величины сварочного тока, длины дуги, размеров и формы торца вольфрамового электрода.

Рис.3.21. Схема сборки стыковых соединений: 1 - сварочная горелка;
2 - свариваемое изделие; 3 - медная часть подкладки; 4 - стальная часть
подкладки; 5 - канал для защитного газа; 6 - прижим; 7 - канал для
охлаждающей воды

Сварка постоянным током прямой полярности характеризуется максимальной проплавляющей способностью. В диапазоне токов до 600 А доля тепловой мощности, вводимой в изделие, составляет 60 - 80 %; потери на нагрев вольфрамового электрода - около 5 %, а лучевые потери от столба дуги - 5 - 35 %.

При сварке постоянным током обратной полярности потери на нагрев неплавящегося электрода - анода - составляют около 50 % общей мощности дуги. Поэтому с энергетической точки зрения сварка током обратной полярности невыгодна. Концентрация нагрева в этом случае ниже, швы имеют меньшую глубину и большую ширину проплавления, чем при сварке на прямой полярности или переменным током. Преимуществом сварки дугой обратной полярности является эффективное разрушение оксидных пленок с обеспечением высокой чистоты поверхности сварочной ванны за счет развития катодного распыления. Процесс характеризуется хорошим сплавлением основного и присадочного металлов даже при нетщательной подготовке поверхности изделий под сварку.

Сварка переменным током является наиболее распространенным процессом при изготовлении конструкций из алюминиевых и магниевых сплавов. Очистка поверхностей от оксидов происходит в полупериоды обратной полярности.

В диапазоне сварочных токов 250 - 600 А существенную роль в проплавлении шва играет механическое воздействие дуги. Увеличение сварочного тока от 300 до 600 А при сварке, например стали Х18Н9Т толщиной 16 мм приводит к линейному возрастанию силового воздействия дуги с 6Ч10-2 до 15Ч10-2 Н. В связи с этим столб дуги углубляется в расплавленный металл, в результате чего уменьшается прослойка жидкого металла под дугой и улучшаются условия теплопередачи в основной металл. Однако глубина проплавления увеличивается ~ на 50 % (от 6 до 9 мм), а ширина возрастает ~ на 70 % (от 10 до 18 мм). Более медленный рост проплавляющего действия дуги связан с тем, что с увеличением сварочного тока одновременно растет диаметр столба дуги и расширяется пятно нагрева, а плотность теплового потока меняется незначительно.

Сварка в углекислом газе

В производстве сварных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей широкое применение находит полуавтоматическая, меньше - автоматическая сварка в углекислом газе. Сущность сварки в среде CO₂ состоит в том, что дуга горит в среде защитного газа, оттесняющего воздух от зоны сварки и защищающего расплавленный металл от кислорода и азота воздуха.

Полуавтоматическую сварку в углекислом газе применяют в единичном, мелкосерийном и реже - в серийном производстве для выполнения непротяженных швов изделий небольшой толщины.

Преимущества этого способа сварки: повышение производительности по сравнению с ручной сваркой в 1,2 - 1,5 раза; возможность сварки в любом пространственном положении и стыковых швов "на весу"; высокая маневренность и мобильность (по сравнению с автоматической сваркой); возможность визуального контроля за направлением дуги по стыку. Недостатки: сильное разбрызгивание металла при сварке на токах 200 - 400 А и необходимость удаления брызг с поверхности изделия; затруднено использование на открытом воздухе (на ветру) из-за сдувания защитного газа; внешний (товарный) вид шва хуже, чем при сварке под флюсом.

Анализ процессов, протекающих в газовой фазе реакционной зоны, дает основание утверждать, что углекислый газ является сильным окислителем и при сварке в CO₂ формируется окислительная атмосфера, которая взаимодействует с металлом и легирующими элементами, окисляя их.

Растворяющийся в сплаве кислород может реагировать с примесями металла с образованием шлаков и газов.

В хвостовой части сварочной ванны шлак всплывает на поверхность металла, а образующиеся газообразные продукты могут служить причиной появления пор в металле шва.

Для связывания кислорода, растворенного в металле, необходимо применять электродные проволоки, содержащие раскислители, которые предохраняют от окисления легирующие добавки и подавляют процесс выгорания углерода свариваемого металла.

Металл, наплавленный при сварке в углекислом газе, чище по шлаковым включениям, и поэтому его пластические свойства несколько выше, чем при сварке под слоем флюса.

Режимы и техника сварки. К основным параметрам режима сварки относятся полярность тока (как правило обратная), диаметр электродной проволоки, сила тока, напряжение дуги, скорость сварки, вылет электрода (примерно равный расстоянию от торца горелки до свариваемого металла) и расход защитного газа.

Переменный и постоянный токи (прямой полярности) не применяются из-за недостаточной устойчивости процесса и неудовлетворительного качества и формы шва. При токе прямой полярности процесс сварки сопровождается большим разбрызгиванием и крупнокапельным переносом электродного металла.

При сварке в углекислом газе особо характерным является применение электродной проволоки малых диаметров (0,8 - 2,0 мм), тока высокой плотности и соответственно большой скорости плавления электрода. При сварке на форсированных режимах тонкими проволоками наиболее целесообразной является плотность тока в электроде 250-450 А/мм².

Увеличение диаметра электродной проволоки (при всех прочих равных условиях) сопровождается существенным уменьшением коэффициента наплавки, некоторым увеличением ширины шва и уменьшением глубины проплавления основного металла.

Диаметр сварочной проволоки d_э выбирается в зависимости от толщины свариваемых заготовок δ:

δ, мм	0,5-1,0	1,0-2,0	2,0-4,0	5,0-8,0	8,0-1,2	12-18
dэ, мм	0,5-0,8	0,8-1,0	1,0-1,2	1,6-2,0	2,0	2,0-2,5

Параметром, оказывающим большое влияние на процесс сварки, является сварочный ток. Повышение силы тока вызывает увеличение глубины проплавления, при этом количество наплавленного металла возрастает медленнее, чем проплавление и доля электродного металла в металле шва существенно уменьшается. Последнее значительно увеличивает возможность появления горячих трещин в металле швов, выполненных на сталях с повышенным содержанием углерода. Ширина шва с повышением силы тока сначала увеличивается, а затем несколько уменьшается. Оптимальные режимы сварки соответствуют максимальной ширине шва.

С увеличением напряжения дуги глубина проплавления основного металла уменьшается, а ширина шва и количество наплавленного и проплавленного металла слегка увеличиваются. Повышение напряжения дуги сопровождается усилением разбрызгивания жидкого металла и ухудшением газовой защиты зоны сварки, приводящим к порам и повышению содержания газов в металле швов.

С увеличением скорости сварки уменьшаются размеры швов и количество наплавленного и проплавленного металлов.

Рабочий пост для сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа должен быть снабжен: источником постоянного тока, полуавтоматом, баллоном с газом, предредукторным осушителем, подогревателем газа, редуктором, ротаметром, амперметром и вольтметром (рис. 3.22).

Для сварки наиболее удобна жидкая углекислота, выпус-каемая по ГОСТ 8050-85 с содержанием CO₂ не менее 99,5 %. В стандартный баллон заливают 25 л жидкой углекислоты, которая при испарении дает 12,5 м³ газа. Предредукторный осушитель предназначен для очистки газа от влаги, которая может содержаться в баллоне. Осушение газа осуществляется адсорбентами: медным купоросом, силикагелем или алюмогелем; наибольшей глубиной осушки и влагоемкостью обладает цеолит марки NaA-2KT.

Рис.3.22. Общий вид поста сварки плавящимся электродом
в углекислом газе: 1 - источник сварочного тока; 2 - подогреватель газа;
3 - шкаф управления; 4 - полуавтомат; 5 - горелка; 6 - кабели
(сварочные); 7 - кабель (управления); 8 - редуктор газовый

Непрерывный отбор из баллона газообразной CO₂ сопровождается резким уменьшением ее температуры и давления вследствие поглощения скрытой теплоты испарения при переходе CO₂ из жидкой фазы в газообразную. При отборе газа с расходом свыше 20 л/мин CO₂ превращается в сухой лед. Для предохранения редуктора от замерзания используют подогреватель газа.

Непрерывный отбор из баллона газообразной CO₂ сопровождается резким уменьшением ее температуры и давления вследствие поглощения скрытой теплоты испарения при переходе CO₂ из жидкой фазы в газообразную. При отборе газа с расходом свыше 20 л/мин CO₂ превращается в сухой лед. Для предохранения редуктора от замерзания используют подогреватель газа.

В полуавтоматах для дуговой сварки осуществляется механизированная подача сварочной проволоки.

Основными элементами полуавтоматов являются: держатель, гибкие шланги, механизм подачи сварочной проволоки, кассета со сварочной проволокой и шкаф управления. Конструктивные особенности как самих полуавтоматов, так и их отдельных элементов зависит в основном от назначения (специализации) полуавтоматов.

Наиболее важный элемент полуавтомата - механизм подачи проволоки. По способу подачи проволоки различают полуавтоматы толкающего и тянущего типа.

Наиболее распространены полуавтоматы толкающего типа. Электродная проволока подается путем проталкивания ее через гибкий шланг (направляющий канал) к держателю; устойчивая подача проволоки возможна только при достаточной ее жесткости (мягкая и тонкая проволока сминается).

В полуавтоматах тянущего типа механизм размещен на держателе. В этом случае проволока протаскивается через гибкий шланг. Тянущая система обеспечивает устойчивую подачу мягкой и тонкой проволоки. Встречаются полуавтоматы с двумя синхронно работающими механизмами подачи. Один из них толкает, а другой протаскивает сварочную проволоку. Для сварки выпускают полуавтоматы, рассчитанные на номинальные токи 150 - 600А для проволок диаметром 0,8 - 3,5 мм со скоростями подачи 1,0 - 0,17 м/мин.

Основные конструктивные элементы горелки для полуавтоматической сварки в CO₂ показаны на рис.3.23.

Рис.3.23. Горелка с шлангом для полуавтоматической сварки в CO2: 1 - спираль; 2 - оболочка; 3 - слой изоляции; 4 - провод; 5 - электродная проволока; 6 - газовая струя; 7 - наконечник; 8 - сопло; 9 - мундштук

Полуавтоматы комплектуются источниками питания - выпрямителями с жесткой характеристикой.

Плазменная сварка

Плазменная сварка относится к дуговым видам сварки, при этом в качестве источника нагрева свариваемых заготовок используется сжатая дуга.

Первое упоминание о разработке плазменной сварки относится к 1950-м годам. В течение 1960-х годов были предложены несколько принципов формирования плазменно-газового потока, разработаны и внедрены оборудование и технология этого процесса в производство. В настоящее время постоянно осуществляется развитие, совершенствование плазменной сварки и поиск новых областей её применения как у нас в стране, так и за рубежом.

При обычной дуговой сварке дуга горит свободно между электродом и изделием. Однако, если при помощи каких-либо приемов не дать возможность дуге занять ее естественный объем, принудительно сжать ее, то температура дуги значительно повысится. В частности, можно ограничить диаметр столба дуги, пропустив ее через сопло малого диаметра. При этом плазмообразующий газ, вытекая через сопло горелки, сжимает дугу. Часть газа, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла в виде плазменной струи. Наружный слой, омывающий столб дуги, остается относительно холодным и создает электрическую и тепловую изоляцию между дугой и соплом, предохраняя его от разрушения.

Плазмой принято считать частично или полностью ионизированный газ, состоящий из нейтральных атомов и молекул, ионов и электронов. Типичное плазменное состояние вещества имеет место в электрическом газовом разряде.

Плазма газового разряда в зависимости от состава среды характеризуется температурами от 2000 - 3000 ⁰С до 40000 - 50000 ⁰С.

Плазменные струи получают в плазменных горелках, которые называют также плазмотронами. В промышленности находят применение, главным образом, дуговые плазменные горелки постоянного тока. Наиболее распространены способы получения плазменных струй путем интенсивного охлаждения газовым потоком столба дуги, горящей в сравнительно узком водоохлаждаемом канале плазменной горелки.

В инженерной практике используют две основные принципиальные схемы дуговых плазменных горелок:

Горелки прямого действия для сварки плазменной дугой, в которых одним из электродов является обрабатываемый материал (рис. 3.24, а). В этом случае используют два энергетических источника: плазменную струю и электрически активное пятно дуги. Внутренний КПД такой горелки, т.е. использование подведенной к ней электроэнергии, достигает 60 - 80 %.

Горелки косвенного действия для сварки плазменной струей (рис.3.24, б, в). Для снижения тепловой нагрузки на электроды применяют плазменные горелки с магнитным закручиванием дуги. Максимальные значения внутреннего КПД таких горелок (при больших расходах газа) достигают 50 - 70 %. Часть энергии дуги расходуется на нагрев электродов разряда, а также рассеивается в окружающее пространство вследствие лучистого и конвективного теплообмена.

Рис.3.24. Принципиальные схемы дуговых плазменных горелок
(плазмотронов) для получения: а - плазменной дуги, б и в - плазменной
струи. 1 - электрод, 2 - канал, 3 - охлаждающая вода, 4 - столб дуги,
5 - сопло, 6 - плазменная струя, Е - источник тока

Состав плазмообразующего газа (аргон, гелий, азот и пр.) выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к процессу. Электроды изготавливают обычно из меди и вольфрама. Стенки камеры защищены от теплового воздействия дуги слоем сравнительно холодного газа.

Основными параметрами регулирования тепловых характеристик плазменной струи являются сила тока и длина дуги, а также расход плазмообразующего газа. Увеличение силы тока и длины дуги приводит к возрастанию температуры струи; повышение расхода плазмообразующего газа при больших его значениях снижает среднемассовую температуру струи.

Применение плазменной сварки. Исследования в области плазменных технологий как в нашей стране, так и за рубежом были направлены на решение проблем авиа- и ракетостроения, электроники, ядерной энергетики, криогенной техники. Основное внимание уделялось улучшению качества сварки изделий из алюминия, коррозионностойких и жаропрочных сплавов и титана в большом диапазоне толщин, различных типов соединений. В конце 60-х годов сварка проникающей плазменной дугой переменного тока была использована в СССР в производстве алюминиевых топливных баков ракет. Аналогичная технология спустя 10 лет была внедрена в США взамен аргонодуговой сварки наружных алюминиевых баков на многоразовом космическом корабле "Шаттл". Этой технологии отводят большую роль и при строительстве космических станций. В 1989 г. НАСА (NASA) выбрала технологию плазменной сварки для изготовления твердотопливных двигателей космической ракеты для доставки конструкций международной космической станции "Freedom".

Преимущества плазменной сварки состоят в следующем:

- По сравнению с аргонодуговой плазменно-дуговая сварка отличается более стабильным горением дуги. При этом обеспечивается более равномерное проплавление кромок.
- По проплавляющей способности плазменная дуга занимает промежуточное положение между электронным лучом и дугой, горящей в аргоне.
- Столб дуги и струя плазмы имеют цилиндрическую форму, поэтому площадь поверхности металла, через которую осуществляется теплопередача от струи к металлу, не зависит от расстояния между электродом горелки и изделием.
- Благодаря цилиндрической форме столба дуги процесс плазменно-дуговой сварки менее чувствителен к изменению длины дуги, чем аргонодуговая сварка. Изменение длины дуги конической формы (при аргонодуговой сварке) всегда ведет к изменению диаметра пятна нагрева, а следовательно, и к изменению ширины шва. Плазменная сварка позволяет иметь практически постоянный диаметр пятна и дает возможность стабилизировать проплавление основного металла. Это свойство плазменной дуги с успехом используется при сварке очень тонких листов.

Отдельно следует выделить сварку микроплазменной дугой.

Микроплазменной дугой (сила тока 0,1...15А) сваривают листы толщиной 0,025...0,8 мм из углеродистой и нержавеющей стали, меди, инконеля, хастеллоя, ковара, титана, тантала, молибдена, вольфрама, золота и др.

Источники питания позволяют вести процесс в непрерывном и импульсном режимах.

По сравнению с аргонодуговой сваркой микроплазменная имеет следующие важные преимущества:

- изменение длины микроплазменной дуги оказывает значительно меньшее влияние на качество сварного соединения деталей малых толщин;
- дежурная плазменная дуга уверенно зажигается при токах менее 1 А;
- облегчается доступ к объекту сварки и улучшается зрительный обзор рабочего пространства (на токе ~ 15 А длина дуги достигает 10 мм).

Наиболее часто встречающиеся типы соединений при микроплазменной сварке - соединения с отбортовкой.

Микроплазменная сварка находит широкое применение в радиоэлектронике и приборостроении для сварки тонких листов и фольги. В авиационной промышленности с помощью микроплазменной сварки изготавливают детали толщиной 0,1...0,5 мм типа сильфонов, тонкостенных трубопроводов, деталей приборов из легированных сталей, алюминиевых сплавов, тугоплавких металлов. В последнее время микроплазменная сварка широко применяется в производстве и ремонте деталей электроники и космонавтики, измерительных инструментов, часов (в том числе ручных), ювелирных изделий, металлических фильтров, термопар и тонкостенных трубок, зубопротезировании.

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка (ЭШС) - процесс образования неразъёмного соединения, при котором расплавление основного и присадочного металла осуществляется за счёт тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через расплавленный флюс. При этом слой расплавленного флюса служит защитой металла сварочной ванны от взаимодействия с кислородом и азотом воздуха. Схемы процесса и установка ЭШС приведены на рис. 3.25.

Рис.3.25. Трёхэлектродная установка VUZ-ETZ-450 (а) и основные
схемы процессов электрошлаковой сварки: б - сварка одним
электродом металла толщиной до 60 мм; в - трёхфазная сварка металла
толщиной 450 мм тремя электродами с возвратно-поступательным
движением; г - многоэлектродная сварка металла практически
неограниченной толщины; д - сварка пластинчатыми электродами;
е - сварка плавящимся мундштуком; ж - контактно-шлаковая сварка стержней.

Шлаковая ванна образуется (наводится) путем расплавления флюса, заполняющего пространство между кромками основного металла и специальными охлаждаемыми водой приспособлениями-ползунами, плотно прижатыми к поверхности свариваемых деталей.

Флюс плавится дугой, возникающей в начальный период сварки между основным металлом и электродной проволокой. После расплавления определенного количества флюса дуга шунтируется расплавленным шлаком и гаснет. Длина шлаковой ванны практически равна толщине основного металла, а ширина определяется зазором между свариваемыми кромками. Глубину шлаковой ванны выбирают в зависимости от технологических условий (состава основного металла, режима сварки и др.).

Необходимая для осуществления шлакового процесса энергия получается от источника питания с жёсткой характеристикой переменного или постоянного тока, подсоединяемого к основному металлу и плавящемуся электроду (электродам), вводимому в зазор между свариваемыми кромками и погруженному в шлаковую ванну. Электрод располагают посередине шлаковой ванны или перемещают в зазоре от одной поверхности свариваемых деталей к другой. Ток к электроду подводится при помощи мундштука. Проходя через шлаковую ванну, ток нагревает ее до температуры ~ 2000 ⁰С, превосходящей температуру плавления основного и электродного металлов.

Шлак расплавляет кромки основного металла и электрод, который подается в шлаковую ванну со скоростью, равной скорости его плавления. Расплавленные электродный и основной металлы стекают на дно шлаковой ванны, образуя сварочную (металлическую) ванну. По мере удаления источника нагрева происходит кристаллизация металла сварочной ванны. Расплавленный шлак, находящийся над металлической ванной, достаточно надежно защищает металл от воздействия воздуха. По мере заполнения зазора между свариваемыми кромками мундштук при помощи специального привода передвигается вдоль свариваемого изделия.

Шлаковая ванна, наведенная в начале сварки, по мере формирования шва перемещается от его начала детали к концу, при этом соприкасаясь с охлаждёнными ползунами, образует на них тонкую шлаковую корку, исключая непосредственный контакт расплавленного металла с поверхностью ползуна.

Расход флюса при этом способе сварки невелик и не превышает 5 % массы наплавленного металла. Ввиду малого количества шлака легирование наплавленного металла происходит, в основном, за счёт электродной проволоки. При этом доля основного металла в сварном шве может быть снижена до 10 - 20 %.

По сравнению со сварочной дугой шлаковая ванна является менее концентрированным источником тепла, поэтому ЭШС характеризуется более медленным нагревом и охлаждением. Значительное время пребывания металла в расплавленном состоянии способствует улучшению условий удаления газов и неметаллических включений из металла шва.

Электрошлаковый процесс протекает устойчиво даже при плотностях тока j около 0,1 А/мм² (при ручной дуговой сварке покрытыми электродами j = 10 - 30 А/мм²; при автоматической под слоем флюса j = 200 А/мм²; при сварке плавящимся электродом в защитных газах j = 400 А/мм²), поэтому возможно использование электродов достаточно большого сечения.

Электрошлаковую сварку, как правило, ведут при вертикальном положении изделий. Зеркало сварочной ванны, так же как и при сварке в нижнем положении, расположено в горизонтальной плоскости, а перемещение расплавленного электродного и основного металлов происходит в направлении сил тяжести.

Обычно сварка начинается в прикреплённом к нижней части стыка металлическом кокиле длиной 50 - 100 мм, где возбуждается дуговой процесс. Для того чтобы вывести шлаковую ванну и предотвратить образование усадочных трещин и рыхлоты в конце шва, на изделии устанавливаются выходные планки длиной около 100 мм (рис.3.26).

Рис.3.26. Начальные (а) и выходные (б) планки,
применяемые при электрошлаковой сварке

Электрошлаковая сварка позволяет выполнять не только прямолинейные, но и кольцевые швы (рис.3.28). Вращение изделия осуществляется на роликовой опоре или другим способом.

Рис.3.27. Виды соединений, выполняемых электрошлаковой сваркой:
а - стыковые; б - тавровые; в - угловые; d - толщина металла;
b - ширина зазора; bш - ширина шва

Рис.3.28. Схема электрошлаковой сварки кольцевого шва: а - сварка
средней части шва; б - замыкание шва; 1 - выходной кокиль;
2 - разделка начала шва для его замыкания; 3 - заходная планка; a - угол
перемещения ползуна к началу замыкания; h - высота подъёма
аппарата к началу замыкания шва

Сварка электронным лучом

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) основана на использовании для нагрева энергии электронного луча.

Сущность данного процесса состоит в использовании кинетической энергии электронов, движущихся в высоком вакууме с большой скоростью. При бомбардировке электронами поверхности металла подавляющая часть кинетической энергии электронов превращается в теплоту, которая используется для расплавления металла.

Для сварки необходимо получить свободные электроны, сконцентрировать их и сообщить им большую скорость с целью увеличения их энергии, которая должна превратиться в теплоту при торможении в свариваемом металле.

Получение свободных электронов осуществляется путём применения раскаленного металлического катода, эмитирующего (испускающего) электроны. Ускорение электронов обеспечивается электрическим полем с высокой разностью потенциалов между катодом и анодом. Фокусировка - концентрация электронов - достигается использованием кольцевых магнитных полей. Резкое торможение электронного потока происходит автоматически при внедрении электронов в металл. Электронный луч, используемый для сварки, создается в специальном приборе - электронной пушке.

Электронная пушка представляет собой устройство, с помощью которого получают узкие электронные пучки с большой плотностью энергии (рис.3.29).

Пушка имеет катод (1), который размещен внутри прикатодного электрода (2). На некотором удалении от катода находится ускоряющий электрод - анод (3) с отверстием. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму, обеспечивающую такое строение электрического поля между ними, которое фокусирует электроны в пучок с диаметром, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроды, эмиттированные катодом, на пути к аноду приобретают значительную скорость и, соответственно, кинетическую энергию. После ускоряющего электрода электроны движутся равномерно. Питание пушки электрической энергией осуществляется от высоковольтного источника постоянного тока. Электроны имеют одинаковый заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга, вследствие чего диаметр пучка увеличивается, а плотность энергии в пучке уменьшается.

Рис. 3.29. Схема устройства электронно-лучевой пушки

Для увеличения плотности энергии в луче после выхода из анода электроны фокусируются магнитным полем в специальной магнитной линзе (4). Сфокусированные в плотный пучок летящие электроны ударяются с большой скоростью о поверхность изделия (6), при этом кинетическая энергия электронов, вследствие торможения в веществе, превращается в теплоту, нагревая металл до высоких температур.

Для перемещения луча по свариваемому изделию на пути электронов помещают магнитную отклоняющую систему (5), позволяющую направлять электронный луч точно по сварочному стыку.

Для обеспечения беспрепятственного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию, для тепловой и химической изоляции катода, а также для предотвращения возможности дугового разряда между электродами в установке создается высокий вакуум не хуже 1,3·10^-2 Па (1·10^{-4 мм рт. ст.), обеспечиваемый вакуумной системой установки.}

Работа, затраченная электрическим полем на перемещение заряда из одной точки в другую, равна произведению величины заряда (в данном случае - заряд электрона "е") на разность потенциалов между этими двумя точками "U": А = е·U. Эта работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии Е = m_e·v²/2, то есть

е·U = m_e·v²

Наши рекомендации