Этот вид сварки является принципиально новым процессом соединения металлов, при котором расплавление кромок основного и электродного металла производится за счет теплоты, выделяющейся при протекании тока через шлаковую ванну. При этом шлаковая ванна не только защищает металлическую ванну от вредного действия воздуха, но и служит активным средством металлургического воздействия на расплавленный металл. Схема процесса электрошлаковой сварки показана на рис. 210, а.
Рис. 210. Способы электрошлаковой сварки: а — принципиальная схема; б — сварка одним электродом с неподвижной осью; в — сварка тремя электродами, имеющими возвратно-поступательное движение; г — многоэлектродная сварка: 1 — свариваемый металл; 2 — медные ползуны, охлаждаемые водой; 3 — шлаковая ванна; 4 — электродная проволока; 5 — металлическая ванна; 6 — сварной шов; 7 — трубки для подвода и отвода воды; 8 — капли плавящегося электрода: 9 — капли оплавляемого металла; 10 — величина проплавления кромок металла; 11 — токоподводящий мундштук; 12 — ролики, подающие проволоку в шлаковую ванну.
При электрошлаковом процессе в отличие от дуговой сварки источником нагрева служит ванна сильно перегретого шлака (с температурой до 2000ºС). Количество теплоты, выделяемой в сварочной ванне, вычисляется по формуле:
Q = 0,24 IU кал/сек.
Положение конца электродной проволоки в расплавленном флюсе, форма и глубина ванны расплавленного металла и распределение температуры в шлаковой ванне определяются режимом сварки и свойствами флюса.Плавление электродной проволоки происходит за счет теплоты, выделяемой в расплавленном флюсе. Как и при дуговом процессе конец электрода на участке от токоподводящего мундштука до поверхности расплавленного флюса предварительно нагревается током. При увеличении длины этого участка (вылета) ввиду более сильного предварительного нагрева скорость плавления электрода, а следовательно, и сварки увеличивается.
По сравнению с дугой шлаковая ванна является менее концентрированным источником теплоты, поэтому нагрев и охлаждение основного металла более медленные.
Обычно электрошлаковая сварка продольных швов производится одним (рис. 210, б), несколькими проволочными (рис. 210, в и г) или пластинчатыми (рис. 211, а) электродами, а также плавящимся мундштуком (рис. 211, б). При этом проволочные электроды в процессе плавления совершают горизонтальные возвратно-поступательные движения. Сварка начинается в нижней части детали на стальной или медной подкладке, где при помощи дуги плавится насыпанный флюс, и после образования шлаковой ванны достаточной глубины процесс переходит в электрошлаковый. Формирование расплавленного металла осуществляется медными охлаждаемыми проточной водой ползунами (рис. 210, б). Для вывода шлаковой ванны и предотвращения образования усадочных трещин и рыхлостей служат выводные планки (рис. 211, в). Сварка кольцевых швов производится при механическом вращении изделия. Процесс сварки начинается аналогично сварке продольных швов. Сварка проволочными электродами наклонных (не более 40 — 45º), вертикальных и криволинейных швов с постоянной кривизной осуществляется сварочными автоматами, движущимися непосредственно по свариваемому изделию. Сварка коротких и прямоугольных изделии большой толщины производится пластинчатыми электродами, которые вводятся в зазор между кромками и погружаются в шлаковую ванну с заданной скоростью.
Рис. 211. Электрошлаковая сварка: а — схема электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком: 1 — электродная проволока; 2 — собранный мундштук; 3 — карман с изолятором; 4 — подвижной ползун; 5— металл сварного соединения; 6 — металлическая ванна; 7 — шлаковая ванна; б — схема электрошлаковой сварки пластинчатыми электродами: 1 — свариваемое изделие; 2 — пластинчатые электроды; 3 — шлаковая ванна; 4 — расплавленный металл; 5 — подвижной ползун; в — схема подготовки к электрошлаковой сварке: 1 — начальная планка; 2 — конечные планки
Сварка криволинейных и фигурных швов весьма больших толщин производится плавящимся мундштуком. При этом процессе в зазор между деталями помещается мундштук, остающийся в процессе сварки неподвижным. Мундштук состоит из нескольких трубок (проволочных спиралей), направляющих электродную проволоку в зону сварки, и соединительных планок (рис. 211, б).
Способ контактно-шлаковой сварки состоит в том, что свариваемые детали оплавляются в шлаковой ванне, удерживаемой специальной металлической формой, сдавливаются (при помощи механизма давления) и свариваются (рис. 212). Контактно-шлаковой сваркой выполняются соединения стержней диаметром от 50 до 120 мм. Можно сваривать стержни из сталей различных марок.
Рис. 212. Схема контактно-шлаковой сварки: а — сварка стержней встык; б — приварка стержня к плоской поверхности; 1 — свариваемые стержни; 2 — медный кокиль; 3 — металлическая ванна; 4 — шлаковая ванна.
Основными параметрами режима сварки являются глубина шлаковой ванны, сухой вылет электрода, величина зазора между деталями, скорость поперечных колебаний проволоки, время выдержки ее у ползунов, диаметр электродной проволоки, и др. Скорость подачи электродной проволоки принимается равной 100 — 400 м/час. Ток и напряжение шлаковой ванны устанавливаются в зависимости от внешней характеристики источника питания. В качестве источников тока используются трансформаторы с жесткими внешними характеристиками. На рис. 213 показана схема автомата для электрошлаковой сварки.
Рис. 213. Схема электрошлакового безрельсового автомата: 1 и 3 — тележки; 2 — тяги; 4 — изделие; 5 — электродная проволока.
При сварке электродами большого сечения (пластинчатыми) параметрами режима являются: скорость подачи электрода, сечение пластинчатого электрода, напряжение и глубина шлаковой ванны.
Общим условием при электрошлаковой сварке является правильный подбор количества электродных проволок, сечения пластинчатых электродов при сварке плавящимся мундштуком и скорость их подачи. Правильный выбор этих параметров обеспечивает и высокие механические свойства сварного соединения, скорость сварки, стабильность процесса и требуемую глубину проплавления.
Назначение флюса при электрошлаковой сварке является легкость возбуждения и стабильность процесса, получение полного провара кромок, хорошее формирование шва и др. Обычные плавленные флюсы (АН-8 и ФЦ-7, а также АН-348 и ОСЦ-45) применяются для сварки углеродистых сталей (Ст. 3, Ст. 4, 25Л, 35Л и др.).
Флюсы, построенные на основе фтористого кальция, применяются для сваркилегированных сталей, содержащих легко окисляющиеся элементы.
Флюсы АН-22 и другие применяются для сварки среднелегированных сталей (25Х3НМ, 30Х2НМ) при условии использования аустенитной электродной проволоки (Св-Х20Н10Г6).
Электрошлаковая сварка широко применяется при изготовлении сварно-литых, сварно-кованых и сварно-прокатных конструкций практически любой толщины: барабанов, котлов высокого давления, крупногабаритных станин, станков, прессов, различного рода валов, корпусов гидротурбин. Процесс применяется также для сварки титана большого сечения.
