Материалы для электрошлаковой сварки

Флюсы. Для выделения требуемого количества теплоты при электрошлаковой сварке флюсы должны обладать определенным электрическим сопротивлением в расплавленном состоянии, обеспечивать устойчивый электрошлаковый процесс в широком диапазоне напряжений и сварочных токов и удовлетворительное формирование поверхности шва.

Расплавленный флюс не должен вытекать в зазоры между кромками и формирующими шов устройствами и отжимать ползуны от свариваемых кромок.

Лучшими технологическими свойствами при сварке углеродистых и низколегированных сталей обладают плавленые флюсы электропроводные в твердом и расплавленном состоянии. Флюс перед употреблением прокаливают в электрической печи при 300... 700°С в течение 1...2 ч.

Электродные и присадочные материалы. При ЭШС в качестве электродов используют проволоку, пластины, трубы и ленты. В основном применяют проволоку сплошного сечения диаметром 1,6...6 мм.

Химический состав электродного металла выбирают в соответствии с основным металлом и требованиями к служебным характеристикам металла шва. Лучшим вариантом считается такой, когда в качестве электродного металла применяют пластины или стержни, аналогичные по химическому составу основному металлу. При сварке плавящимся мундштуком металл шва легируют, дополнительно подавая проволоку соответствующего состава.

ЭШС иногда выполняют с подачей в шлаковую ванну специальных порошкообразных присадочных металлических материалов, а также стружки или стержней, по составу идентичных основному металлу.

Благодаря хорошему перемешиванию в ванне расплавленного металла, электрошлаковую сварку возможно вести несколькими электродами, различными по химическому составу, и получать заданный состав шва.

Электрошлаковой сваркой могут быть выполнены стыковые, угловые и тавровые соединения с прямолинейной и кольцевой конфигурацией шва, переменного сечения, переменной кривизны. Наиболее распространены стыковые соединения. Угловые и тавровые соединения встречаются реже. Основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений при ЭШС сталей приведены в ГОСТ 15164-78.

ЭЛЕКТОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА

Электронно-лучевая сварка - это сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия ускоренных электронов. Сварку производят в специальных камерах в глубоком вакууме.(давление 10^-2...10^-3 Па) электронным лучом, который представляет собой сфокусированный поток электронов, движущихся с высокими скоростями. Электроны излучает нагретый вольфрамовый или металлокерамический катод, установленный в специальной электронной пушке. Ускорение движения электронов обусловлено постоянным высоким напряжением (до 100кВ) между катодом и анодом(изделием).

Поток электронов фокусируется магнитной линзой в узкий луч и направляется в место соединения деталей. Энергия, необходимая для нагрева и плавления металла, выделяется в результате интенсивной бомбардировки места сварки быстро движущимися электронами.

В соответствии с технологическими признаками классификации различают сварку без колебаний и с колебаниями электронного луча. Для регулирования вводимой в изделие теплоты сварку ведут остросфокусированным или расфокусированным лучом. Электронным лучом осуществляют сварку тугоплавких и химически активных металлов, выполняют узкие и глубокие швы с малыми остаточными деформациями на деталях больших толщин (до 70 мм и даже более). Наиболее широко освоено промышленное применение ЭЛС в мире в авиакосмической промышленности, ядерной энергетике, энергетическом машиностроении, турбиностроении, электромакуумном, приборном и релейном производстве, автомобильной промышленности и др.

Основные параметры режима.Наиболее важными технологическими параметрами электронного пучка при сварке являются ускоряющее напряжение (25...120кВт), мощность (1... 120 кВт), угол сходимости луча (1... 5°), сила тока луча (40...500 мА) и скорость сварки (3...100м/ч).

Главное влияние на качество шва оказывают мощность пучка, положение его минимального сечения относительно поверхности свариваемых деталей и скорость сварки. Стабильность положения фокуса пучка обеспечивает равномерность глубины проплавления, а скорость сварки определяет форму шва, размеры зоны термического влияния и, как следствие, сопротивляемость образованию трещин и величину деформаций. С увеличением толщины свариваемых деталей от 1,5 до 150 мм скорость сварки должна быть снижена с 200 до 3 м/ч для получения качественного сварного соединения.

Электронно-лучевую сварку применяют для получения стыковых, угловых и тавровых соединений в нижнем и вертикальном положении на подъем, а также горизонтальных швов на вертикальной плоскости. Сварку в нижнем положении выполняют вертикальным электронным пучком без подкладок или с применением подкладок для формирования обратной стороны шва при толщине соединяемых деталей до 80 мм. Горизонтальные швы и вертикальные на подъем выполняют горизонтальным пучком без подкладок для металла любой толщины. Для получения качественных соединений необходима тщательная очистка кромок стыка и прилегающих внешних и внутренних поверхностей деталей. Возможна также дополнительная очистка в камере непосредственно перед сваркой маломощным сканирующим пучком электронов.

При электронно-лучевой сварке не требуется разделка кромок, но предъявляются жесткие требования к зазору в стыке, который в большинстве случаев не должен превышать 0,3мм.

ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА

Это сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия излучения лазера (название по первым буквам английской фразы, которая в переводе означает: усиление света посредством стимулированного излучения).

В соответствии с технологическими признаками классификации по виду источников света относится к световой сварке. Излучение лазера может быть сфокусировано в пятно диаметром несколько микрометров, что обеспечивает концентрацию энергии, в десятки раз превышающую концентрацию других сварочных источников.

Для сварки используют газовые и твердотельные лазеры. Газовые лазеры дают непрерывное излучение, а твердотельные — непрерывное или импульсное.

Твердый активный элемент (стержни из кристалла искусственного рубина, стекла с присадкой неодима, алюмоиттриевого граната с добавкой неодима) 2 размещают в резонаторе между двумя зеркалами 1 и 3. Зеркало 1 полностью отражает все падающее на него излучение, а зеркало 3 является полупрозрачным. Оптическая накачка активной среды осуществляется энергией газоразрядной лампы-вспышки 4 с источником питания 6. Для получения более эффективного облучения лампу 4 и активный элемент 2 помещают в кожух 5, на внутреннюю поверхность которого нанесено отражающее покрытие типа серебра. Кожух 5 имеет эллиптическую форму, а лампа и активный элемент размещаются в фокусах эллипса.

Мощность твердотельных лазеров относительно невелика и обычно не превышает 1–6 кВт. Твердотельными лазерами в связи с их небольшой мощностью свариваются только мелкие детали небольшой толщины, обычно объекты микроэлектроники. Например, привариваются тончайшие выводы из проволок диаметром 0,01–0,1 мм, изготовленные из тантала, золота, нихрома. Возможна точечная сварка изделий из фольги с диаметром точки 0,5–0,9 мм.

Более мощными являются газовые лазеры, в которых в качестве активного тела используют смесь газов, обычно СО₂+N₂+Не. Газ прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Для энергетического возбуждения газа используется электрический разряд между электродами. Электроды подключены к источнику питания. По торцам газоразрядной трубки расположены зеркала.

Они позволяют достичь общей мощности 20 кВт и больше, что дает возможность сваривать металлы толщиной до 20 мм с достаточно высокой скоростью, около 60 м/ч.

Современные промышленные лазеры применяют для сварки, резки, наплавки, поверхностной обработки, прошивки отверстий и других видов обработки различных конструкционных материалов во многих специальных отраслях машиностроения.

Вакуум при сварке лазером не нужен, и ее можно выполнять на воздухе, в аргоне, гелии или углекислом газе даже на значительном расстоянии от генератора излучения.

Лазерный луч с помощью оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные места. При этом обеспечивается надежное и оперативное управление процессом лазерной сварки с регулируемыми энергетическими характеристиками. На лазерный луч в отличии от электронного луча, электрической дуги и плазмы не влияют магнитные поля, что позволяет получать устойчивое формирование сварного соединения. Благодаря высокой концентрации энергии в процессе сварки обеспечивается малый объем расплавленного металла и незначительные размеры зоны термического влияния.

Основные параметры режима. Основными параметрами луча лазера являются мощность, длительность импульса, диаметр светового пятна и положение фокуса относительно свариваемой поверхности. Количество световой энергии, поглощенной основным металлом, зависит от шероховатости и отражательной способности поверхности, которыми определяют потери энергии вследствие отражения светового потока. Эти особенности теплового воздействия обеспечивают минимальные деформации сварных конструкций.

Сварку деталей малых толщин до 1 мм выполняют в импульсном и непрерывном режимах. При этом плотность мощности выбирают в диапазоне 10⁵...10⁶ Вт/см², а диаметр сфокусированного луча — от 0,05 до 1,0 мм. Скорость сварки в импульсном режиме определяется диаметром точки (диаметр сфокусированного луча), коэффициентом перекрытия (0,3...0,9) и частотой импульсов и может достигать 20 м/ч при частоте импульсов до 20 Гц.

При сварке с глубоким проплавлением основными параметрами режима являются мощность лазерного излучения, скорость сварки и параметры фокусирующей системы. Лазерное излучение фокусируется в пятно диаметром 0,5...1,0 мм и при мощности, выбранной из условия 1 кВт на 1 мм толщины металла, скорость при сварке сталей толщиной до 5 мм может достигать 100м/ч.

Из параметров фокусирующей системы наиболее значимыми являются фокусное расстояние (обычно 120... 150 мм) и положение фокальной плоскости относительно поверхности свариваемых деталей. Максимальная глубина проплавления достигается при расположении фокуса под поверхностью детали на глубине, зависящей от толщины и состава свариваемого материала (для стали от 1,0до 1,5мм).

ГАЗОВАЯ СВАРКА И РЕЗКА

Газовая сварка относится к сварке плавлением. Источником нагрева при газовой сварке служит пламя сварочной горелки, получаемое сжиганием горючего газа в смеси с технически чистым кислородом. Газовая сварка осуществляется как с применением присадочной проволоки, так и без нее, если формирование шва возможно за счет расплавления основного металла.

Этим способом можно сваривать почти все металлы, применяемые в технике. Такие металлы, как чугун, медь, свинец, латунь, легче поддаются газовой сварке, чем дуговой. Наиболее широкое применение газовая сварка получила при строительно-монтажных работах, в сельском хозяйстве и при ремонтных работах.

К преимуществам газовой сварки можно отнести то, что она не требует сложного и дорогого оборудования и источника электроэнергии.

Недостатками газовой сварки являются понижение производительности с увеличением толщины свариваемого металла и большая зона нагрева. Однако при правильном выборе мощности и вида сварочного пламени, марки присадочной проволоки газовая сварка обеспечивает получение качественных сварных соединений.

Для выполнения сварочных работ необходимо, чтобы сварочное пламя обладало достаточной тепловой мощностью. Мощность пламени определяется количеством ацетилена, проходящего за один час через горелку, и регулируется наконечниками горелки. Для сварки различных металлов требуется определенный вид пламени - нормальное, окислительное, науглероживающее. Различают два способа сварки: правый и левый.

Левым называется такой способ, при котором сварка производится справа на лево, сварочное пламя направляется на еще не сваренные кромки металла, а присадочная проволока перемещается впереди пламени. Применяется при сварке тонких и легкоплавких металлов, при этом кромки основного металла получают предварительный подогрев, что обеспечивает хорошее перемешивание сварочной ванны.

Правым называется такой способ, при котором сварка производится слева на право, сварочное пламя направляется на сваренный участок шва, а присадочная проволока перемещается вслед за горелкой, при этом обеспечивается лучшая защита сварочной ванны и замедленное охлаждение металла шва в процессе сварки.

Кислородная резка основывается на способности металла сгорать в струе технически чистого кислорода. Резка начинается с нагрева металла в начале реза подогревающим пламенем резака до температуры воспламенения металла в струе кислорода. Металл сгорает с выделением тепла, которое передается через образовавшийся шлак нижележащим слоям; происходит сгорание металла по все толщине разрезаемого листа с образованием узкой щели. Образующиеся в процессе резки окислы и шлаки удаляются из реза струей кислорода.

Различают поверхностную, разделительную и копьевую кислородную резку. По характеру применяемого подогрева резка подразделяется на кислородную, кислородно-флюсовую, кислородно-дуговую, плазменно-кислородную и т.п.

Разделительная кислородная резка нашла широкое применение при раскрое листов и резке профильного материала. Основное применение поверхностной кислородной резки - исправление брака на литье и прокатке.

КОНТАКТНАЯ СВАРКА

В соответствии с ГОСТ 2601-84 контактной сваркой(КС) называется сварка с применением давления, при которой используется теплота, выделяющаяся в контакте свариваемых частей при протекании электрического тока. Так как для выполнения КС требуется нагрев и давление, то в общей классификации по ГОСТ 19521-74 она относится к термомеханическому классу.

В процессе сварки детали сжимаются определенной силой с помощью электродов. Сила сжатия зависит от типа материала, толщины деталей и площади их поперечного сечения. Сжатие может быть локальным, т.е. в отдельных местах соединяемых поверхностей, так и по всей поверхности контакта. Сварное соединение формируется в контакте между соединяемыми поверхностями деталей. Кроме сжатия, детали необходимо нагреть в области их контакта для получения сварного соединения. В случае изготовления нахлесточных соединений нагрев выполняется до расплавления некоторого объема металла обеих деталей. В случае изготовления стыкового соединения нагрев можно вести как до расплавления поверхностных слоев, так и до пластического состояния.

При контактной сварке для нагрева используется тепло, которое выделяется при протекании тока через свариваемые детали, имеющие определенное электрическое сопротивление. Подвод сварочного тока к месту нагрева выполняется теми же электродами, которые обеспечивают сжатие.

Количество тепла, выделяющегося в зоне сварки, определяется законом Джоуля-Ленца:

Q=I²_CB·R·t_CB,

где I_CB - сварочный ток, R - сопротивление зоны сварки, t_CB - время сварки.

Сопротивление зоны сварки характеризуется малыми величинами в пределах до сотен миллионных долей ома. Влияние тока на выделение тепла имеет квадратичную зависимость, т.е. более эффективно, чем время сварки. Поэтому контактная сварка характеризуется применением больших сварочных токов, величиной от нескольких тысяч до сотен тысяч ампер. Контактная сварка делится на точечную, шовную, рельефную и стыковую.

КОНТАКТНАЯ ТОЧЕЧНАЯ СВАРКА

КТС - характеризуется получением сварного соединения между торцами электродов, которые к свариваемым деталям подводят ток и передают на них силу сжатия. К основным параметрам режима точечной сварки относят силу сварочного тока I_св, усилие сжатия F_св и время импульса t_св. Характерные этапы образования соединения и циклограмма процесса показаны на рис ниже.

1-й этап — от начала сжатия деталей электродами усилием F_св до начала импульса тока I_СВ;

2-й этап — от начала импульса тока I_СВ до начала расплавления металла в контакте деталь – деталь (до начала формирования ядра);

3-й этап — от начала формирования ядра диаметром d_Я в контакте деталь – деталь до окончания импульса сварочного тока I_СВ;

4-й этап — от окончания импульса сварочного тока I_СВ до снятия усилия F_св сжатия деталей электродами.

В точечном соединении необходимым условием является образование литого ядра номинальных размеров, определяющего прочность соединения. Конструктивные элементы точечных сварных соединений определяются по ГОСТ 15878-79. Сварное соединение может выполняться одной точкой или группой точек.

Точечная сварка получила широкое распространение в промышленности, особенно при массовом производстве штампосварных конструкций в автомобиле- и авиастроении, космической технике, сельскохозяйственном и транспортном машиностроении, строительстве, а также в приборостроении при создании миниатюрных и прецизионных узлов и изделий электронной техники, средств связи и управления. КТС можно сваривать детали из большинства известных конструкционных материалов: низко- и среднеуглеродистых, а также низколегированных и легированных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей, алюминиевых и магниевых сплавов, титана и его сплавов, некоторых медных сплавов и ряда других материалов.

Лучше всего свариваются между собой однородные металлы и сплавы, построенные на одной основе или имеющие разную основу, но образующие между собой ряд твердых растворов. Однако в ряде случаев КТС деталей из разнородных металлов и сплавов затруднена или невозможна, что обусловлено следующими основными факторами:

- различием теплофизических и механических свойств свариваемых пар металлов, что вызывает смещение теплового поля относительно плоскости стыка;

- существенной химической и структурной неоднородностью металла литого ядра вследствие несимметричного проплавления деталей и незавершенности процессов перемешивания металла в ядре;

- образование интерметаллических фаз и механических смесей, обладающих большой твердостью и хрупкостью, что приводит к низким механическим свойствам соединения.

Большое значение и широкое применение КТС обусловлены следующими ее достоинствами:

- высокой производительностью и степенью автоматизации вследствие кратковременности самого процесса и возможности использования многоточечных машин.

- возможностью получения сварных соединений высокого и стабильного качества.

- отсутствием присадочных материалов, флюсов и газов.

- высокими санитарно-гигиеническими условиями труда и культурой производства.

Как правило, точечной сваркой соединяют детали толщиной 0,5 ... 6,0 мм. На специальных машинах возможна сварка стали толщиной до 30 мм.

КОНТАКТНАЯ ШОВНАЯ СВАРКА

Процесс шовной сварки, включая подготовку поверхности деталей, сборку, прихватку, сварку и послесварочные операции, аналогичен точечной сварке. В отличии от точечной, шовная сварка выполняется между вращающимися дисковыми электродами. Сжатие, подвод тока и перемещение деталей, как правило, осуществляется с помощью роликов, что приводит к ряду особенностей процесса:

-повышенное сопротивление контактов между электродами и деталями;

-шунтированию сварочного тока через ранее сваренные точки;

-отсутствию проковки каждой точки.

Шовная сварка применяется для получения герметичных швов рядом перекрывающихся точек, а также для повышения производительности при сварке отдельными точками. Шовная сварка широко используется для соединения внахлестку деталей толщиной 0,3 ... 4 мм. Как правило, она обеспечивает получение прочных швов, когда каждая последующая точка перекрывает на 25 ... 40% предыдущую. Качественная шовная сварка обязательно сопровождается образованием литой зоны, параметры которой указаны в ГОСТ 15878-79. Шовная сварка может осуществляться при непрерывном и прерывистом включении тока. В первом случае свариваемые детали перемещаются с постоянной скоростью при непрерывно включенном сварочном токе. Непрерывная шовная сварка применяется для неответственных сварных соединений. При этом способе из-за повышенного тепловложения расширяется зона термического влияния, перегреваются электроды, возрастает шунтирование тока через ранее сваренный участок шва, увеличивается вероятность непроваров. В то же время непрерывное включение тока позволяет резко повысить скорость сварки, что подходит для сварки тонколистового металла (0,15 … 0,35 мм) с раздавливанием кромки.

Основным способом шовной сварки является прерывистая сварка, когда кратковременные импульсы тока чередуются с паузами при непрерывном движении деталей. Во время паузы теплота от несваренного участка отводится в электроды, что снижает нагрев этого участка. Электроды прокатываясь по нагретому несваренному участку шва, вызывают пластическую деформацию его выступов, частичное разрушение оксидных пленок и уменьшение контактного сопротивления. Это способствует уменьшению тока шунтирования и увеличению полезного тока. Длительность импульса тока подбирается таким образом, чтобы за время его действия образовалась литая зона определенного ГОСТ размера. Длительность паузы определяется так, чтобы произошло достаточное остывание несваренного участка и чтобы вновь формирующаяся литая зона перекрывала на 25 …40% предыдущую.

Шовную шаговую сварку с прерывистым включении тока используют при сварке цветных металлов или деталей толщиной более 2 мм. При этом способе сварки ток включается во время остановки роликов, следовательно кристаллизация происходит под давлением электродов и появляется возможность прикладывать повышенную силу проковки.

КОНТАКТНАЯ РЕЛЬЕФНАЯ СВАРКА

Рельефная сварка – вид контактной сварки, при котором сварное соединение получается на отдельных участках, обусловленных их геометрической формой, в том числе по выступам. Электротермодеформационные процессы при рельефной сварке сходны с процессами при точечной сварке. Металл в зоне контакта при рельефной сварке, как правило, доводится до плавления и либо выдавливается из соединения, либо образуется литое ядро.

Рельефная сварка, или сварки выступами, является разновидностью точечной контактной сварки. В этом случае на одной из свариваемых деталей или на обеих предварительно выштамповывают выступы (рельефы) в местах, подлежащих сварке. Подготовленные детали закладывают в специальную сварочную машину, носящую название "сварочный пресс". Одновременно с включением тока верхний электрод сжимает детали и спрессовывает их до полного уничтожения выступов. Таким образом, за один ход машины производится столько сварных точек, сколько было выштамповано выступов; число их может доходить до нескольких десятков на одной детали. Для получения качественной сварки требуется точная штамповка и плотное прилегание собранных деталей по всем выступам.

Рельефная сварка обладает рядом достоинств:

- высокая производительность, поскольку число одновременно свариваемых точек одним импульсом тока достигает 15 …20 и более

- компактность сварных узлов, так как шаг между точками при рельефной сварке может быть меньше, чем при точечной сварке

- возможность сварки деталей весьма различных толщин и сечения и из материалов с очень разными теплофизическими свойствами.

- возможность легирования литого ядра при рельефной сварке через вставки и прокладки

- повышенная стойкость электродов при рельефной сварке по сравнению с точечной

Недостатки :

- более высокая вероятность возникновения выплесков металла в момент включения сварочного тока

- необходимость создания рельефов штамповкой, высадкой или точением, что связано с дополнительными затратами, окупающимися лишь в условиях массового производства.

Рельефную сварку применяют для соединения деталей из стали, титановых сплавов и цветных металлов высокой твердости. В зависимости от конструкции изделия и взаиморасположения свариваемых деталей различают сварку: нахлесточных, тавровых и крестообразных соединений.

Процесс формирования сварного соединения при рельефной контактной сварке делится на четыре стадии.

Первой стадией процесса сварки является сжатие деталей перед пропусканием сварочного тока.При этом создается электрический контакт между вершиной рельефа и второй деталью. Рельеф должен сохранить свою форму, для чего сжатие должно быть безударным и с оптимальной силой F_CB. Перед протеканием тока зона сварки имеет сопротивления, аналогичные сопротивлениям при точечной сварке.

Вторая стадия процесса сварки - пластическая деформация (сжатие) рельефа начинается с момента включения сварочного тока. Высокая начальная плотность тока в контакте деталь- деталь может вызвать подплавление рельефа, выплеск расплавленного металла и преждевременную потерю формы и размеров рельефа.

Третьей стадией процесса сварки является формирование ядра точки . К данному времени диаметр пятна контактамежду деталями достигает величины, необходимой для образования жидкого ядра требуемых размеров и окружающей его зоны уплотнения. Начало образования ядра сопровождается увеличением теплового расширения металла в зоне сварки, которое при рельефной сварке создает соответствующие условия для протекания процесса.

Четвертой стадией процесса сварки является кристаллизация ядра. Она протекает в условиях замкнутого объема и ориентированного теплоотвода в электроды. Ядро имеет столбчатую структуру, как и при точечной сварке, но с более выраженными усадочными раковинами.

КОНТАКТНАЯ СТЫКОВАЯ СВАРКА

Стыковая сварка – вид контактной сварки, при которой заготовки свариваются по всей поверхности соприкосновения. Применяется при сварке деталей круглого, квадратного, трубчатого поперечного сечения из углеродистых и нержавеющих сталей, меди, латуни.

Свариваемые детали закрепляют в медных зажимах стыковой машины с усилием Р_З. Один из зажимов установлен на подвижной плите, перемещающейся по направляющим станины, а второй зажим на неподвижной плите. Вторичный виток сварочного трансформатора (вторичная обмотка состоит из одного или двух витков) соединен с зажимами медными гибкими шинами. Питание трансформатора осуществляется от сети переменного тока. Перемещение плиты и сжатие свариваемых деталей осуществляется механизмом осадки Р_ОС.

Различают стыковую сварку сопротивлением и стыковую сварку оплавлением.