Сварочное производство

 

Вопрос 9

Первоначальным назначением электрошлакового процесса была сварка вертикальных монтажных  швов изделий, швы которых нельзя поставить в удобное для дуговой  сварки нижнее положение. Однако высокая  эффективность электрошлакового процесса вывела его за пределы монтажной  сварки, сделав его основным способом сварки металла большой толщины, а затем и за пределы собственно сварочного производства. Сейчас электрошлаковый  процесс применяется не только при  сварке и наплавке, но также для  получения отливок и слитков  специального назначения и для уплотнения обычных слитков и отливок.

Электрошлаковая сварка применяется  в производстве барабанов паровых  котлов и других сосудов высокого давления, где уже полностью вытеснила  применявшуюся ранее многослойную автоматическую сварку, при изготовлении станин крупных механических прессов, траверс, архитравов и цилиндров  гидравлических прессов, валов крупных  гидротурбин и гидрогенераторов, станин прокатных станов, судовых  корпусов, ахтерштевней, форштевней и  других судовых деталей, корпусов крупных  электромашин, паровозных и тепловозных  рам, стоек мартеновских печей, коленчатых валов, крупных фланцев и многих других деталей. Широкое распространение  получила электрошлаковая сварка стыков арматуры. Несмотря на сравнительно небольшое  сечение сварных соединений, этот способ оказался эффективнее других.

В ряде случаев применение сварных  конструкций позволяет сэкономить большое количество металла. Так  для сварных валов Варваринской ГЭС развес слитков составил 59 т  вместо 100 т для цельнокованых; сварная станина механического ковочно-штамповочного пресса давлением 4000 т весит на 24 т меньше, чем в литом варианте. С применением сварки при изготовлении стоек мартеновских печей на Днепропетровском заводе металлоконструкций получена большая экономия толстого проката за счёт ликвидации отходов.

Рис 1. Схема электрошлаковой наплавки

Главная особенность электрошлаковой  сварки (наплавки) заключается в  том, что сварочная цепь электрического тока проходит по электроду, жидкому  шлаку и основному металлу, обеспечивая  расплавление основного и присадочных  материалов. Ванна расплавленного шлака, имея меньшую, чем у расплавленного металла, плотность, постоянно находится  в верхней части расплава. Этим самым исключается доступ и воздействие  окружающей среды на жидкий металл. Кроме того, капли присадочного металла, проходя через шлак, очищаются  от вредных примесей и легируются (в случае наличия в шлаке необходимых  легирующих компонентов).

 Сущность электрошлаковой сварки (наплавки) (рис. 1) заключается в следующем.  В полость, образованную наплавляемой  поверхностью 1 и водоохлаждаемым  кристаллизатором 2, подается присадочный  материал 3. Ток, проходя между  электродом и наплавленным металлом 4 через жидкий шлак 5, поддерживает  в нем высокую (до 2000° С) температуру  и электропроводность. Шлак расплавляет  подаваемый в него присадочный  материал и оплавляет кромки  поверхности изделия. Расплавленный  металл опускается на дно шлаковой  ванны и, кристаллизуясь, образует  наплавленную поверхность.

В качестве присадочного материала  в практике используются один или  несколько электродов из сварочной  проволоки, пластинчатые электроды  большого сечения, плавящиеся мундштуки. Наиболее часто находит применение проволока диаметром 3 мм, но можно использовать проволоку и других диаметров.

Химический состав электродного металла  выбирается в соответствии с составом основного металла. Лучшим вариантом  считается такой, при котором  металл шва и металл наплавляемого  изделия близки по химическому составу  и механическим свойствам.

Иногда при сварке в шлаковую ванну подаются легирующие компоненты или используется флюс, содержащий такие компоненты.

При сварке применяются в основном плавленые флюсы. Лучшими технологическими свойствами для сварки углеродистых и низколегированных сталей обладают следующие марки флюсов АН-8, АН-8М, АН-22. Хорошие результаты при сварке углеродистых сталей дают флюсы марок  АН-348В и АН-47.

Для сварки легированных сталей повышенной прочности типа 25ХН3МФА, 20Х2М и  других используется флюс марки АН-9. Легированные и высоколегированные стали свариваются под флюсом марок АНФ-1, АНФ-7, 48-ОФ-6. Хорошие результаты при сварке коррозионно-стойких  и углеродистых сталей получаются при  использовании флюса марки АН-45.

Электрошлаковая сварка и наплавка чугуна ведется на флюсах марок АНФ-14, АН- 75.

Флюс перед использованием прокаливается  при температуре 300–700° С в  течение 1–2 часов.

Наплавленный металл при электрошлаковой  сварке формируется с помощью  водоохлаждаемых кристаллизаторов или медных подкладок.

Часто используются замковые соединения.

Рассматриваемый способ сварки (наплавки) обладает целым рядом достоинств:

- высокой устойчивостью процесса (мало зависящей от рода тока) и нечувствительностью к кратковременным  изменениям тока и даже его  прерыванию;

- высокой производительностью;

- значительной экономичностью  процесса (на плавление равного  количества электродного металла  электроэнергии затрачивается на 15–20% меньше, чем при дуговой сварке);

- исключением необходимости подготовки  свариваемой или наплавляемой  поверхности;

- высокой защитой сварочной  ванны от воздуха;

- возможностью получения за  один проход наплавленной поверхности  теоретически любой толщины;

- возможностью наплавки без  особых затруднений из чугуна, цветных металлов и сплавов  и других трудносвариваемых материалов.

 К недостаткам следует отнести:

- возможность формирования наплавленных  поверхностей только в вертикальном  положении;

- недопустимость прерывания процесса  до окончании сварки;

- необходимость изготовления технологической оснастки, формирующей шов;

- крупнозернистую структуру металла  шва и зоны термического влияния.

В качестве источников питания при  электрошлаковой сварке используются трансформаторы (ТШС-1000-1, ТШС-1000-3, ТШС-3000-1, ТШС-3000-3, ТШС-10000-1 и другие), преобразователи (ПГС-500, ПСМ-1000, ПС-1000), выпрямители (ВС-600, ВС- 1000, ВКСМ-1000-1, ВДМ-3001, ВДМ1601, ВМГ-5000 и  другие).

Электрошлаковая сварка имеет серьезные  преимущества не только по сравнению  с ручной сваркой открытой дугой, но также и по сравнению с многослойной автоматической сваркой под флюсом. Наиболее важным преимуществом электрошлаковой  сварки, как уже было сказано выше, является возможность однопроходной  сварки изделий большой (практически  — неограниченной) толщины. Эта особенность электрошлаковой сварки позволила решить одну из сложнейших проблем современного тяжелого машиностроения — проблему изготовления крупногабаритных стальных изделий без привлечения уникального ковочного и литейного оборудования, при значительном удешевлении и упрощении производства.

При электрошлаковой сварке кромки деталей не требуют специальной  подготовки. Поэтому отпадают такие  трудоемкие операции, как строжка  кромок, вследствие чего объем подготовительных работ значительно уменьшается.

Электрошлаковая сварка производится в один проход. Это значит, что  не требуется зачистка шлака после  наложения каждого слоя, как при  многослойной сварке в нижнем положении. Вследствие этого уменьшается трудоемкость сварочных работ, а также улучшается качество швов, так как при недостаточно тщательной зачистке шлака в многослойных швах часто встречаются дефекты  в виде шлаковых включений.

При электрошлаковой сварке расход флюса примерно в 15—18 раз меньше, чем при обычной электродуговой сварке под флюсом. Подача флюса  в шлаковую сварку и процессе сварки необходима только для того, чтобы  компенсировать его расход на образование  шлаковой корочки, покрывающей поверхность  сварного шва. Витима такой корочки  равна примерно 1,0—1,5 мм.

В отличие от многослойной сварки под флюсом, при электрошлаковой  сварке не требуется частая кантовка, так как процесс сварки производится в вертикальном положении.

Электрошлаковая сварка обеспечивает равномерный провар кромок свариваемых  деталей. При этом форма провара  получается симметричной относительно плоскости, проходящей через середину толщины листов, и листов после  электрошлаковой сварки не имеют  угловых формаций.

Производительность электрошлаковой  сварки значительно (в 10-15 раз) выше производительности многослойной сварки под флюсом, а  при сварке некоторых изделий производительность возрастет еще выше.

Задача 29

Полуавтоматическая сварка (наплавка) в среде защитного углекислого  газа. Наплавить изношенную поверхность  А надрессорной балки тележки вагона. Величина износа – 4 мм. Материал детали - 25ХГ. Требования к металлу шва или покрытию после наплавки - НВ 1200 МПа.

Решение.

1. На рисунке 1 представлена надрессорная балка тележки вагона. Поверхность А необходимо восстановить наплавкой в среде углекислого газа. Наплавку будем осуществлять без разделки и предварительной механической обработки.

Рис. 1. Надрессорная балка тележки вагона

2. Определим свариваемость материала. Хромомарганцовая конструкционная легированная сталь 25ХГ согласно ГОСТ 4543 имеет следующий состав (табл. 1).

Таблица 1. Химический состав стали 25ХГ, %

C	Si	Mn	Cr	Ti	Не более
					P	S	Cu	Ni
0,22-0,29	0,17-0,37	0,80-1,10	1,00-1,30	0,03-0,09	0,035	0,035	0,30	0,30

 

Рассчитаем углеродный эквивалент:

 

Очевидно, что материал требует  создания термического цикла сварки, устраняющего образование закалочных структур (предварительный и сопутствующий  подогревы, сварка короткими участками, термическая обработка сварного соединения непосредственно после  сварки). Сталь флокеночувствительна, поэтому необходимо применение мер  по снижению содержания водорода в  металле сварного соединения. Желательно использование технологических  приемов, снижающих остаточные напряжения (сварка каскадом, применение приспособлений, создающих напряжения сжатия и т. д.).

Найдём температуру предварительного подогрева, учитывая толщину металла  в месте сварки – 23 мм, а величина износа 4 мм:

 

 

Примем температуру предварительного подогрева равной 275 ^оС.

Определим чувствительность стали  к образованию горячих трещин:

 

Следовательно, в процессе сварки возможно возникновение горячих трещин.

Определим возможную твёрдость  зоны термического влияния:

 

Предварительный подогрев будем осуществлять ацетиленовой горелкой восстановительным  пламенем.

3. В качестве наплавочной проволоки будем использовать проволоку марки Св-18ХГС, обмеднённую, диаметром 1,6 мм.
4. При подготовке к наплавке место наплавке должно быть зачищено наждачным кругом, металлическими щетками, удалены загрязнения и ржавчина, остатки масел.
5. Выбор источника питания.

Для осуществления наплавки будем использовать полуавтомат типа А537У, обладающий следующими характеристиками (табл. 2).

Таблица 2. Технические характеристики полуавтомата для наплавки открытой дугой в  среде СО₂

Тип полуавтомата	Напряжение сети, В	Номинальный сварочный ток при  ПР = 60 %, А	Диаметр сплошной электродной проволоки, мм	Скорость подачи электродной проволоки, м/с	Источник питания
А537У	380	500	1,6–2	2⋅10–2–1,6⋅10–1	ВС-600

 

Примем  диаметр сварочной проволоки  равный 1,6 мм. Рассчитаем силу сварочного тока:

 

Наплавку  будем вести переменным током. Примем сварочный ток равным 240 А. В зависимости от тока принимаем напряжение дуги 27 В и расход углекислого газа 16 л/мин.

Наплавка  должна вестись максимально короткой дугой в пределах 1,5-4,0 мм, при этом вылет электродной проволоки составляет 15 мм.

Коэффициент расплавления проволоки:

 

Скорость  подачи проволоки:

 

Рассчитаем  скорость наплавки приняв площадь одного валика равной 0,7 см² и коэффициент потерь – 0,15:

 

 

Найдём  массу наплавленного металла  приняв припуск на механическую обработку  – 3 мм:

 

Вычислим  время горения дуги:

 

Полное  время сварки найдем, приняв коэффициент  использования сварочного поста 0,65:

 

Расход  проволоки:

 

Определим расход электроэнергии:

 

6. Наплавку будем вести в нижнем положении на роликовом манипуляторе.
7. Т.к. материал детали склонен к образованию трещин, необходимо после наплавки поддерживать температуру 300 ^оС путём газопламенного нагрева.

Для снятия остаточных напряжений проведём отпуск детали, после которого следует  механическая обработка до чистовых размеров.