4.3. Электрошлаковая сварка
Этот
способ разработан в институте им. Е. О.
Патона. 
Электрошлаковая
сварка является процессом соединения
металлов, при котором основной и
электродный металлы расплавляются
теплотой, выделяющейся при охлаждении
электрического тока через шлаковую
ванну. Схема процесса электрошлаковой
сварки показана на рис. 4.7.
Процесс начинается с образования шлаковой ванны 3 в пространстве между кромками основного металла 6 и приспособлениями (ползунами) 7, охлаждаемыми водой, подаваемой по трубам 1 , путём расплавления флюса электрической дугой, возбуждаемой между сварочной проволокой и вводной планкой 9. После накопления определённого количества жидкого шлака дуга шунтируется шлаком и гаснет, а подача проволоки 4 и подвод тока продолжаются. При прохождении тока через расплавленный шлак, являющийся электропроводящим электролитом, в нём выделяется определённое количество теплоты, достаточной для поддержания высокой температуры шлака и расплавления кромок основного металла и электродной проволоки. Проволока вводится в зазор, подаётся в шлаковую ванну с помощью мундштука 5 и служит для подводка тока и пополнения сварочной ванны 2 расплавленным металлом. Как правило электрошлаковую сварку выполняют при вертикальном положении свариваемых деталей. По мере заполнения зазроа между ними мундштук для подачи проволоки и формирующие ползуны передвигаются в вертикальном направлении, оставляя после себя затвердевший сварной шов 8.
В начальном и конечном участках шва образуются дефекты. В начале шва – непровар кромок, в конце шва – усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают на вводной 9, а заканчивают на выходной 10 планках, которые затем удаляют газовой резкой.
Шлаковая ванна является более распределённым источником теплоты, чем электрическая дуга. Основной металл расплавляется одновременно по всему периметру шлаковой ванны, что позволяет вести сварку металла большой толщины за один проход.
Рис. 4.7. Схемы электрошлаковой
сварки одним электродом
По типу применяемого электрода различают сварку одной и тремя электродной проволокой, пластинчатым электродом и плавящимся мундштуком.
Сварка одной электродной проволокой. Эта сварка является основным методом электрошлаковой сварки прямолинейных и круговых швов на металле толщиной до 600 мм. Заготовки толщиной до 150 мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечные колебания в зазоре для обеспечения равномерного разогрева шлаковой ванны по всей толщине. Металл толщиной более 150 мм сваривают тремя, а иногда и большим числом проволок, исходя из использования одного электрода на 45-60 мм толщины металла. Сварку проволокой ведут специальными автоматами, обеспечивающими подачу электродных проволок и их поперечное перемещение в зазоре. Автоматы перемещаются непосредственно по свариваемому изделию (безрельсовые) или по рельсовой колонне, устанавливаемой параллельно свариваемым кромкам. Скорость движения регулируется автоматически в зависимости от скорости заполнения зазора расплавленным металлом. Для сварки применяют проволоку диаметром 2 – 3 мм. Сварочный ток составляет 750-1000 А. В качестве источников питания применяют специальные трансформаторы для электрошлаковой сварки с жесткой внешней характеристикой.
Сварка тремя электродами. Вытеканию ванны вбок препятствуют медные, водоохлаждаемые башмаки 2, которые вместе с электродами перемещаются по мере сварки вверх по свариваемым частям 3 и 4 . На начальном и конечном участках привариваются планки. Шлаковая ванна защищает расплавленный металл от действия газов атмосферы.
Рис.4.8. Схема электрошлаковой сварки тремя электродами
Сварка пластичным электродом. Этим методом сваривают прямолинейные швы длиной не более 1,5 м. Толщина пластинчатого электрода составляет примерно ½ ширины зазора, а длина соответственно в 3,5 раза больше длины шва. Во время сварки электрод опускается в шлаковую ванну специальным механизмом. Преимуществом этого метода является простота применяемой аппаратуры и повышенная устойчивость процесса сварки. К недостаткам следует отнести необходимость мощных источников питания: на каждый пластинчатый электрод требуется ток 1500-2000 А.
Сварка плавящимся мундштуком. Этим методом сваривают прямолинейные швы на заготовках большой толщины (более 500мм) и соединяют детали сложной формы. Плавящийся мундштук представляет собой пластину толщиной 5 – 6 мм с формой и размерами свариваемого сечения. Пластина имеет каналы для направления электродных проволок в зону сварки. Плавящийся мундштук закрепляют в свариваемом зазоре и изолируют от заготовок специальными прокладками. Мундштук расплавляется в процессе сварки, а непрерывно подающаяся проволока служит присадочным металлом для заполнения зазора. Особенно целесообразен плавящийся мундштук для сварки криволинейных швов переменного сечения, так как он обеспечивает равномерное распределение присадочного металла по сечению.
Преимущества и недостатки электрошлаковой сварки. Электрошлаковая сварка имеет преимущества по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом:
повышенную производительность вследствие непрерывности процесса сварки, выполняемой за один проход при любой толщине металла, увеличения сварочного тока в 1,5 – 2 раза;
уменьшения расхода электродного металла, так как сваривают по зазору без разделки кромок;
лучшую структуру сварного соединения вследствие более однородного строения шва;
отсутствие многосложности и шлаковых включений;
меньшие затраты на выполнение 1 пог. м сварного шва (в 10 раз и более) за счёт повышенной производительности;
уменьшения расхода флюса, электроэнергии, упрощения подготовки кромок свариваемых деталей.
К недостаткам электрошлаковой сварки следует отнести образование крупнозернистой структуры шва и околошовной зоны вследствие замедленного нагрева и охлаждения. После сварки необходима термическая обработка для получения мелкозернистой структуры металла сварного соединения. Толщина свариваемого металла составляет 50-2000 мм (рис.4.9)
а)
архитрав пресса б)
баба бесшаботного молота
Рис. 4.9. Примеры применения электрошлаковой сварки
Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжёлом машиностроении для изготовления таких сварно-кованых и сварно-литых конструкций, как станины и детали мощных процессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т. п.
Способ применяется для сварки изделий толщиной свыше 16 мм. Известны случаи сварки толщин около 3 м. Сварочные токи могут здесь достигать нескольких тысяч ампер. Источники сварочного тока - стационарные трансформаторы, например ТЗШ-100-3, ТРМК-3000-1 и выпрямители, например ВДУ-1201, ВДУ-505 и другие.
Автомат А-820К выполняет электрошлаковую сварку вертикальных стыковых швов материалов толщиной 18-70 мм. Автомат А-1304 сваривает сталь до 400 мм, а сплавы алюминия – до 140 мм. Автомат А-535 предназначен для сварки толщин до 450 мм.