Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка — это вид сварки плавлением, при котором для нагрева и расплавления металла используется тепло, выделяемое при прохождении электрического тока через расплавленный шлак (электропроводный флюс). Процесс относится к группе электрошлаковых процессов и применяется преимущественно для сварки металлов большой толщины (от 20 мм и более) вертикальными швами за один проход. Отличительной особенностью является то, что дуговой разряд, характерный для большинства видов сварки, в установившемся режиме отсутствует.

История

Технология электрошлаковой сварки (ЭШС) была разработана в начале 1950-х годов в Институте электросварки имени Е. О. Патона Академии наук Украинской ССР (ныне — Национальная академия наук Украины). Авторами изобретения являются советские учёные Б. И. Медовар, В. Е. Патон, Д. А. Дудко и другие. Первая промышленная установка была создана в 1951 году. Разработка была направлена на решение проблемы сварки толстостенных конструкций, которые ранее требовали либо трудоёмкой многослойной ручной дуговой сварки, либо использования дорогостоящих поковок и литья.

В 1952 году технология была впервые применена для изготовления корпусов гидравлических прессов. В 1953 году на заводе «Красное Сормово» (Нижний Новгород) с помощью ЭШС были сварены секции судовых корпусов. К концу 1950-х годов метод получил широкое распространение в тяжёлом машиностроении, энергетике и судостроении СССР. В 1960-е годы были разработаны варианты сварки с использованием нескольких электродов и пластинчатых электродов, что позволило сваривать детали толщиной до 2 метров и более.

Физическая сущность процесса

Процесс ЭШС основан на выделении джоулева тепла в слое расплавленного шлака, обладающего высокой электропроводностью. Шлак нагревается до температуры, превышающей температуру плавления основного и присадочного металла (обычно 1600–2000 °C). Расплавленный шлак находится в зазоре между свариваемыми кромками и электродом (или электродами), который непрерывно подаётся в шлаковую ванну.

Основные этапы

1. Возбуждение процесса. Сварка начинается с кратковременного возбуждения дуги между электродом и дном зазора (или специальным стартовым устройством). Дуга расплавляет твёрдый флюс, образуя первичную шлаковую ванну.
2. Переход в шлаковый режим. Как только образуется достаточный слой жидкого шлака, дуга гаснет, так как шлак становится проводником. Электрический ток начинает проходить через шлаковую ванну, нагревая её.
3. Плавление электрода и кромок. Тепло от шлака передаётся к электроду и кромкам основного металла, вызывая их плавление. Капли расплавленного металла электрода проходят через шлаковую ванну и оседают на дне, образуя сварочную ванну.
4. Формирование шва. Сварочная ванна, состоящая из смеси расплавленного основного и электродного металла, постепенно затвердевает, формируя сварной шов. Шлак, будучи легче металла, всплывает на поверхность и образует шлаковую корку, которая защищает шов от окисления.
5. Перемещение вверх. По мере оплавления электрода и кромок устройство (или заготовка) перемещается вверх, обеспечивая непрерывность процесса.

Классификация

Электрошлаковая сварка классифицируется по нескольким признакам.

По типу электрода

• Сварка проволочным электродом. Используется один или несколько электродов в виде проволоки диаметром 2–6 мм. Применяется для сварки деталей толщиной до 100–150 мм.
• Сварка пластинчатым электродом. Электрод выполняется в виде пластины, ширина которой близка к толщине свариваемых деталей. Обеспечивает равномерный прогрев по всей толщине, используется для сварки деталей толщиной более 150 мм.
• Сварка плавящимся мундштуком. Электрод (проволока) подаётся через специальный полый мундштук, который также плавится, увеличивая количество наплавленного металла. Применяется для сварки деталей сложной формы и большой толщины.

По положению шва

• Вертикальная сварка. Наиболее распространённый тип. Детали устанавливаются вертикально, сварка ведётся снизу вверх.
• Горизонтальная сварка. Применяется реже, обычно для сварки кольцевых швов на цилиндрических изделиях (например, труб большого диаметра).
• Наклонная сварка. Используется для соединения деталей, расположенных под углом к вертикали.

По количеству электродов

• Одноэлектродная. Простейший вариант, применяется для сварки деталей малой толщины.
• Многоэлектродная. Используется два и более электрода, что позволяет увеличить производительность и сваривать детали большой толщины за один проход.

Оборудование

Типовой комплект оборудования для электрошлаковой сварки включает:

• Источник питания. Обычно используется сварочный трансформатор с падающей или жёсткой внешней характеристикой, рассчитанный на длительный режим работы. Напряжение холостого хода — 40–60 В, рабочий ток — от 500 до 3000 А и более.
• Сварочная головка (аппарат). Устройство, обеспечивающее подачу электрода в шлаковую ванну. Включает механизм подачи проволоки, токоподводящий наконечник и систему управления.
• Механизм перемещения. Обеспечивает вертикальное перемещение сварочной головки или заготовки по мере формирования шва. Скорость перемещения регулируется автоматически.
• Формирующие устройства. Медные или стальные водоохлаждаемые ползуны (кристаллизаторы), которые удерживают расплавленный шлак и металл в зазоре, формируя шов с обеих сторон.
• Система охлаждения. Водяное охлаждение ползунов и токоподводящих элементов для отвода избыточного тепла.

Применение

Электрошлаковая сварка широко используется в отраслях, где требуется соединение толстостенных деталей:

• Тяжёлое машиностроение. Изготовление станин прессов, прокатных станов, корпусов дробилок, редукторов.
• Энергетика. Сварка корпусов гидротурбин, паровых котлов, реакторов, паропроводов большого диаметра.
• Судостроение. Сварка секций корпусов судов, особенно крупнотоннажных танкеров и сухогрузов.
• Металлургия. Сварка заготовок слитков, изложниц, ковшей.
• Мостостроение. Сварка массивных элементов мостовых конструкций, таких как коробчатые балки.
• Нефтегазовая промышленность. Сварка труб большого диаметра для магистральных газопроводов (например, при строительстве трубопроводов из стали толщиной 30–50 мм).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность. Возможность сварки металла большой толщины за один проход (до 2 м и более).
• Экономия материалов. Отсутствие необходимости в разделке кромок (прямоугольные кромки), что снижает расход основного и присадочного металла.
• Высокое качество шва. Мелкозернистая структура, отсутствие пор и шлаковых включений, высокая плотность металла шва.
• Малые деформации. Благодаря равномерному прогреву и вертикальному положению шва, термические деформации свариваемой конструкции значительно меньше, чем при многослойной дуговой сварке.
• Автоматизация. Процесс легко автоматизируется, что снижает влияние человеческого фактора.

Недостатки

• Ограниченная область применения. Эффективна только для сварки вертикальных швов на деталях значительной толщины (обычно более 20 мм).
• Сложность оборудования. Требуются громоздкие установки с водоохлаждаемыми ползунами и системами управления.
• Высокая тепловая нагрузка. Необходимость интенсивного охлаждения формирующих устройств.
• Крупнозернистая структура. В зоне термического влияния (ЗТВ) может образовываться крупнозернистая структура, требующая последующей термообработки (отжига или нормализации) для снятия напряжений и улучшения механических свойств.
• Сложность ремонта. При возникновении дефектов (например, непровара) их устранение требует значительных усилий и часто — полного удаления дефектного участка.

Интересные факты

• Первая в мире электрошлаковая сварка была выполнена в 1951 году на заводе «Красное Сормово» при изготовлении корпуса судна.
• В 1960-х годах в СССР с помощью ЭШС были сварены корпуса гидравлических прессов усилием до 100 000 тонн, используемых для изготовления крупногабаритных деталей.
• Технология ЭШС была запатентована в США, Великобритании, Франции и других странах, что свидетельствует о её мировом признании.
• В 1970-х годах в СССР был разработан метод электрошлаковой сварки с использованием плавящегося мундштука, который позволил сваривать детали толщиной до 3 метров.

Источники

1. Патон, Б. Е. Электрошлаковая сварка и наплавка. — М.: Машиностроение, 1974.
2. Медовар, Б. И. Электрошлаковая сварка и наплавка. — Киев: Наукова думка, 1981.
3. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х томах. Том 2. / Под ред. Г. А. Николаева. — М.: Машиностроение, 1978.
4. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Б. Е. Патона. — М.: Машиностроение, 1974.