Дуговая сварка порошковыми проволоками

Сварка под флюсом, особенно полуавтоматическая, затруднена из-за невозможности точного направления электрода в разделку и наблюдения за образованием шва. При сварке в защитных газах надежность защиты может нарушаться из-за сквозняков, забрызгивания газовых сопл и т. п. В этих условиях применение порош­ковых проволок, сочетающих в себе положительные свойства покрытых стальных электродов (защита, легирование и раскисле­ние расплавленного металла), и механизированной сварки про­волоками сплошного сечения (высокая произ-водительность) пред­ставляет большие производственные преимущества, особенно в монтажных условиях. Этому способствует и отсутствие газовой аппаратуры (баллонов, шлангов, газовых редукторов), флюса и флюсовой аппаратуры, усложняющих про­цесс сварки или повышающих его трудо­емкость (засыпка и уборка флюса и др.).

Возможность наблюдения при полу­автоматической сварке за направлени-ем электрода в разделку, особенно при свар­ке с его поперечными колебаниями, а так­же за образованием шва - основные преимущества сварки порошковыми проволоками. Изменение состава наполнителя сердечника порошковой прово-локи позволяет воздействовать на химический состав шва и технологические характеристики дуги.

Сущность способа

Конструкция порошковой проволоки опре­деляет некоторые особенности ее расплавления дугой. Сердечник проволоки на 50-70% состоит из неметаллических материалов и поэтому его электросопротивление велико - в сотни раз больше, чем металлической оболочки. Поэтому практически весь свароч­ный ток проходит через металлическую оболочку, расплавляя ее. Плавление же сердечника, расположенного внутри метал­лической оболочки, происходит в основном за счет теплоизлуче­ния дуги и теплопередачи от расплавляющегося металла обо­лочки. Ввиду этого сердечник может выступать из оболочки (рис. 51), касаться ванны жидкого металла или переходить в нее частично в нерасплавленном состоянии.

Рисунок 51– Плавление металлической оболочки и сердечника порошковой проволоки

Это увеличивает засоре­ние металла шва неметаллическими включениями.

Техника сварки

Обычно порошковые проволоки используют для сварки шланговыми полуавтоматами. Ввиду возможности наблюдения за образованием шва техника сварки стыковых и угловых швов в различных соединениях практически не отли­чается от техники их сварки в защитных газах плавящимся элект­родом. Однако образование на поверхности сварочной ванны шлака, затекающего при некоторых условиях в зазор между кром­ками в передней части сварочной ванны, затрудняет провар корня шва. При многослойной сварке поверхность предыдущих слоев следует тщательно зачищать от шлака.

Сварка порошковыми проволоками имеет свои недостатки. Малая жест-кость трубчатой конструкции порошковой проволоки требует применения подающих механизмов с ограниченным уси­лием сжатия проволоки в подающих роликах. Выпуск проволоки в основном диаметром 2,6 мм и более, требуя применения для устойчивого горения дуги повышенных сварочных токов, позволяет использовать их для сварки только в нижнем и редко в верти­кальном положении. Это объясняется тем, что образующаяся сварочная ванна повышенного объема, покрытая жидкотекучим шлаком, не удерживается в вертикальном и потолочном положениях силой поверхностного натяжения и давлением дуги.

Наличие на поверхности сварочной ванны шлака, замедляя кристаллиза-цию расплавленного металла, также ухудшает усло­вия образования шва в прос-транственных положениях, отличных от нижнего. Существенный недостаток порошковых проволок, сдерживающий их широкое промышленное примене-ние, - повы­шенная вероятность образования в швах пор, вызываемая нали­чием пустот в проволоке. Кроме того, нерасплавившиеся компо­ненты сердечника, переходя в сварочную ванну, способствуют появлению газообразных продук-тов. Диссоциация мрамора, оки­сление и восстановление углерода при нагреве и плавлении фер­ромарганца в сочетании с мрамором и другие процессы также могут привести к образованию в металле сварочной ванны газо­вой фазы. В ре-зультате этого в швах появляются внутренние и поверхностные поры.

В этих условиях режим сварки (сила тока, напряжение, вылет электрода) оказывает большое влияние на возможность возник­новения в швах пор (рис. 52).

а- влияние тока (вылет электрода L = 50 мм); б - влияние вылета электрода

(I_СВ == 300 А);I — область неустойчивого горения дуги; в области II поры есть; в области III пор нет

Рисунок 52 – Область режимов сварки проволокой ПП-2ДСК, обеспечивающих

получение швов без пор

Повышает вероятность образования пор также влага, попавшая в наполни-тель при хранении про­волоки, а кроме того, смазка и ржавчина, следы которых имеются на металлической ленте.

Порошковую проволоку можно использовать и при сварке в углекислом газе. Вероятность образования в швах пористости в этом случае снижается. В зави-симости от состава наполнителя для сварки используют постоянный ток прямой или обратной по­лярности от источников с жесткой или крутопадающей характе­ристикой.

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА

Этот способ широко используют в промышленности для соедине­ния металлов повышенной толщины: стали и чугуна, различного состава, меди, алюминия, титана и их сплавов. К преимуществам способа относится воз-можность сварки за один проход металла практически любой толщины, что не требует удаления шлака и соответствующей настройки сварочной уста-новки перед сваркой последующего прохода, как при других способах свар-ки. При этом сварку выполняют без снятия фасок на кромках. Для сварки можно использовать один или несколько проволочных электро­дов или электродов другого увеличенного сечения. В результате этого достигается высокая производительность и экономичность процесса, повышающиеся с ростом толщины свариваемого металла.

К недостаткам способа следует отнести то, что электрошла­ковая сварка технически возможна при толщине металла более 16 мм и за редкими исклю-чениями экономически выгодна при сварке металла толщиной более 40 мм. Способ позволяет свари­вать только вертикальные швы. При сварке некоторых металлов образование в металле шва и околошовной зоны неблагоприятных структур требует последующей термообработки для получения необходимых свойств сварного соединения.

Сущность способа

Стремление расширения области применения автоматической дуговой сварки под флюсом позволило создать способ сварки в вертикальном положе-нии с принудительным формированием шва (рис.3.39,а).

а б

а - автоматическая дуговая под флюсом в вертикальном положении;

б - электрошлаковая; 1 - медные пластины; 2 - сварочное изделие;

3 - мундштук; 4 - подающие ролики; 5 - электродная проволока;

6 - ползун, охлаждаемый водой; 7 - шлаковая ванна; 8 - ванна расплавленного металла; 9 - дуга

Рисунок 3.39 – Схема сварки

Известно, что расплавленные флюсы об­разуют шлаки, которые являются проводниками электрического тока. При этом в объеме расплавленного шлака при протекании сварочного тока выделяется теплота. Этот принцип и лежит в основе электрошлаковой сварки (рис. 55).

Рисунок 55 – Схема процесса электрошлаковой сварки

Электрод 1 и основ­ной металл 2 связаны электрически через расплав-ленный шлак 3(шлаковая ванна). Выде­ляющаяся в шлаковой ванне теплота перегревает его выше температуры плавления основного и электродного ме-таллов. Расплавленный шлак за счет прохождения электрического тока нагревается до высокой температуры (~2000°С), т.е. выше температуры плавления основного и электродного металлов .В результате металл элек­трода и кромки основного металла оплавляются и ввиду большей плотности металла, чем шлака, сте­кают на дно расплава, образуя ванну расплав­ленного металла 4 (металлическую ванну).

Электродный металл в виде отдельных капель, проходя через жидкий шлак, взаимодействует с ним, изменяя при этом свой состав. Шлаковая ванна, находясь над поверхностью расплавленного металла, препятствует его взаимодействию с воздухом. При правильно подобранной скорости подачи электрода зазор между торцом электрода и поверхностью металлической ванны остается постоянным.

Свариваемый металл, шлаковая и металлическая ванны удер­живаются от вытекания обычно специальными формирующими устройствами – под-вижными или неподвижными медными ползу­нами 5, охлаждаемыми водой б, или остающимися пластинами. Верхняя кромка ползуна располагается нес-колько выше зеркала шлаковой ванны. Кристаллизующийся в нижней части метал­лической ванны расплавленный металл образует шов 7. Шлаковая ванна, находясь над поверхностью металлической ванны, сопри­касаясь с охлаж-даемыми ползунами, образует на них тонкую шлаковую корку, исключая тем самым непосредственный контакт расплавленного металла с поверхностью охлаждаемого ползуна и предупреждая образование в металле шва кристал-лизационных трещин.

Расход флюса при этом способе сварки невелик и обычно не превышает 5% массы наплавленного металла. Ввиду малого коли­чества шлака легиро-вание наплавленного металла происходит в основном за счет электродной проволоки. Доля основного металла в шве может быть снижена до 10-20%. Вертикальное положение металлической ванны, повышенная температура ее верхней части и значительное время пребывания металла в рас­плавленном состоянии способствуют улучшению условий удале­ния газов и неметалли-ческих включений из металла шва. По сравнению со сварочной дугой шла-ковая ванна - менее концент­рированный источник теплоты. Поэтому терми-ческий цикл элек­трошлаковой сварки характеризуется медленным нагревом и ох­лаждением основного металла. Отклонение положения оси свариваемого шва от вертикали возможно не более чем на 15° в плос­кости листов и на 30-45° от горизонтали.

В процессе электрошлаковой сварки металл шва и околошовной зоны находится продолжительное время при высоких температурах и подвергается значительному перегреву. В результате происходит разупрочнение сварного соединения и снижения его ударной вязкости. Для восстановления свойств применяется термообработка. Для снижения продолжительности пребывания металла при высоких температурах в шлаковую ванну вводят дополнительную присадку в виде порошкоподобного материала (рубленная проволока с гранулами 0,2...1,6 мм) или выполняют соответствующее принудительное охлаждение поверхности шва и околошовной зоны водяным душем.

Так как выделение теплоты в шлаковой ванне происходит главным об-разом в области электрода, максимальная толщина основного металла, свари-ваемого с использованием одной элек­тродной проволоки, обычно ограничена 60 мм. При сварке метал­ла большей толщины электроду в зазоре между кро-мками сооб­щают возвратно-поступательное движение (до 150 мм) или испо-ль­зуют несколько неподвижных или перемещающихся (рис. 56) электродов. В этом случае появляется возможность сварки ме­талла сколь угодно большой толщины.

Способы процесса ЭШС

Электрошлаковый процесс устойчиво про­текает при плотностях тока около 0,1 А/мм² (при дуговой сварке порядка 20—30 А/мм²). Поэтому воз-можна замена проволочных электродов на пластинчатые (рис. 57) или лен-точные электроды. Однако, если невозможно использование механизма подачи плас­тинчатых электродов (недостаток места над изделием и др.) и при сварке изделий сложного сечения (пластинчатый электрод дол­жен быть неподвижен) для компенсации недостатка металла для заполнения пространства между электродами и электродами икромками основного металла используют способ сварки пла­вящимся мундштуком. В этом случае пластинчатый электрод по форме может повторять форму свариваемых кромок ибыть сос­тавным (рис. 58).

Токоподвод кэлектродной проволоке осуществляется через скользящий контакт с пластинчатым расплавляющимся электро­дом (мундштуком). Один из приемов наплавки плоских поверх­ностей показан на рис. 59, а. При контактно-шлаковой сварке (рис. 59, б) стержней различного поперечного сечения после образования металлической ванны требуемого оъема производят выключение сарочного тока и осадку верхнего стержня.

После наведения шлаковой ванны определенного объема процесс сварки дугой может перейти в процесс со шлаковым нагревом (рис.3.39,б), что позволяетет получить одну из основных преимуществ процесса - равномерное распределение теплоты по объему ванны. Это особенно важно при сварке металла повышенной толщины.

Источником теплоты при ЭШС является расплавленный флюс, в котором при прохождении тока выделяется теплота Q=І²Rшл, где R_шл - сопротивление шлаковой ванны. Эта теплота обеспечивает расплавление основного и присадочного металлов с образованием общей сварочной ванны.

У конца электрода температура шлака наибольшая и наименьшая - на поверхности шлаковой ванны, вследствие чего образовываются условия возникновения естественной конвекции, при которой тепловая энергия передается в периферийные участки шлаковой ванны.

Эффективная мощность, выделяемая в шлаковой ванне:

q=І_св∙ U∙ η_в

где U - падение напряжения в шлаковой ванне;

η_в - КПД эффективный и зависит от соотношения между тепловыми потоками в сварочное изделие и формирующие устройства, составляет 0,6...0,9.

Выбор способа ЭШС определяется сечением соединяемых элементов, их длиной и типом применяемого электрода. В зависимости от типа применяемого электрода различают следующие способы процесса ЭШС: электродной проволокой, электродной пластиной, плавким мундштуком.