ELEKTROSLAGOVÉ SVAŘOVÁNÍ – Technologické základy moderních metod svařování

Elektrostruskové svařování – tavné svařování, při kterém se k ohřevu využívá teplo vzniklé průchodem elektrického proudu roztavenou struskou.

Metoda elektrostruskového svařování byla vyvinuta v 50. letech 20. století. v Ústavu elektrického svařování Akademie věd Ukrajiny. Elektrostruskové svařování elektrodovými dráty bylo poprvé provedeno v roce 1949. G.Z. Vološkevič. Elektrostruskové svařování deskovými elektrodami v průmyslových podmínkách poprvé provedl Yu.A. Sterenbogen v Novokramatorsk Machine-Building Plant v roce 1955.

Tato metoda je široce používána pro spojování kovů se zvýšenou tloušťkou: oceli a litiny různého složení, mědi, hliníku, titanu a jejich slitin. Mezi výhody této metody patří možnost svařit kov prakticky libovolné tloušťky v jednom průchodu, což nevyžaduje odstraňování strusky a vhodné nastavení svařovací jednotky před svařováním dalším průchodem, jako u jiných metod svařování. V tomto případě se svařování provádí bez zkosení hran. Pro svařování lze použít jednu nebo více drátových elektrod nebo elektrod jiného zvětšeného průřezu. V důsledku toho je dosaženo vysoké produktivity a hospodárnosti procesu, která se zvyšuje s rostoucí tloušťkou svařovaného kovu.
Mezi nevýhody metody patří skutečnost, že elektrostruskové svařování je technicky možné při tloušťce kovu větší než 16 mm a až na vzácné výjimky je ekonomicky výhodné při svařování kovu o tloušťce větší než 40 mm. Tato metoda umožňuje svařování pouze vertikálních švů. Při svařování některých kovů vyžaduje vznik nepříznivých struktur ve svarovém kovu a svarem ovlivněné oblasti následné tepelné zpracování pro získání požadovaných vlastností svarového spoje.

Podstata metody.

Je známo, že roztavená tavidla tvoří strusky, které jsou vodiči elektrického proudu. V tomto případě se při protékání svařovacího proudu uvolňuje teplo v objemu roztavené strusky. Tento princip je základem elektrostruskového svařování (obr. 1. Elektroda 1 a obecný kov 2 jsou elektricky spojeny přes roztavenou strusku 3 (strusková lázeň). Teplo uvolněné ve struskové lázni ji přehřívá nad bod tání základních a elektrodových kovů. V důsledku toho se elektrodový kov a okraje základního kovu taví a v důsledku větší hustoty kovu než struska proudí ke dnu taveniny a tvoří lázeň roztaveného kovu. 4 (kovová vana).

Elektrodový kov ve formě samostatných kapek, procházejících kapalnou struskou, s ní interaguje, čímž se mění její složení. Strusková lázeň, umístěná nad povrchem roztaveného kovu, zabraňuje jeho interakci se vzduchem. Při správně zvolené rychlosti posuvu elektrody zůstává mezera mezi koncem elektrody a povrchem kovové lázně konstantní.

Obr.1. Schematické schéma procesu elektrostruskového svařování

Svařovaný kov, struska a kovová lázeň jsou obvykle chráněny před vytékáním speciálními tvářecími zařízeními – pohyblivými nebo pevnými měděnými jezdci 5, chlazený vodou 6, nebo zbývající desky. Horní hrana jezdce je umístěna mírně nad povrchem struskové lázně. Roztavený kov krystalizující ve spodní části kovové lázně tvoří šev 7. Strusková lázeň, umístěná nad povrchem kovové lázně, přichází do kontaktu s chlazenými šoupátky a vytváří na nich tenkou struskovou krustu, čímž eliminuje přímý kontakt roztaveného kovu s povrchem chlazeného šoupátka a zabraňuje vzniku krystalizačních trhlin ve svarovém kovu.

Spotřeba tavidla u tohoto způsobu svařování je nízká a obvykle nepřesahuje 5 % hmotnosti naneseného kovu. Vzhledem k malému množství strusky dochází k legování uloženého kovu především díky elektrodovému drátu. Podíl obecného kovu ve svaru lze snížit na 10-20%. Vertikální poloha kovové lázně, zvýšená teplota její horní části a významná doba setrvání kovu v roztaveném stavu přispívají ke zlepšení podmínek pro odstraňování plynů a nekovových vměstků ze svarového kovu. Ve srovnání se svařovacím obloukem je strusková lázeň méně koncentrovaným zdrojem tepla. Proto je tepelný cyklus elektrostruskového svařování charakterizován pomalým ohřevem a ochlazováním základního kovu. Odchylka polohy osy svarového švu od svislice je možná maximálně o 15° v rovině plechů a o 1-30° od horizontály.

Protože k vývinu tepla ve struskové lázni dochází převážně v oblasti elektrody, je maximální tloušťka základního kovu svařovaného jedním elektrodovým drátem obvykle omezena na 60 mm. Při svařování kovu větší tloušťky se elektroda v mezeře mezi hranami pohybuje vratně (až 150 mm) nebo se používá několik pevných nebo pohyblivých (obr. 2) elektrod. V tomto případě je možné svařovat kov jakékoli tloušťky.

Rýže. 2. Schémata procesu víceelektrodového elektrostruskového svařování; a – tři elektrody, b – deset pevných elektrod.

Svařovací technika.

Elektrostruskový proces probíhá stabilně při proudových hustotách asi 0,1 A/mm2 (při obloukovém svařování asi 20-30 A/mm2). Proto je možné nahradit drátěné elektrody deskovými (obr. 2) nebo páskovými elektrodami. Není-li však možné použít podávací mechanismus pro deskové elektrody (nedostatek místa nad výrobkem apod.) a při svařování výrobků se složitým průřezem (desková elektroda musí být stacionární), používá se pro kompenzaci nedostatku kovu pro vyplnění prostoru mezi elektrodami a elektrodami a okrajů základního kovu metoda svařování s přídavnou tryskou. V tomto případě může desková elektroda opakovat tvar svařovaných hran a být kompozitní (obr. 3).

Rýže. 3. Schéma elektrostruskového svařování deskovou elektrodou

Přívod proudu do elektrodového drátu se provádí kluzným kontaktem s deskovou tavnou elektrodou (tryskou). Jeden ze způsobů navařování rovných povrchů je znázorněn na obr. 4,. Při kontaktním struskovém svařování (obr. 5, б)při svařování tyčí různých průřezů se po vytvoření kovové lázně požadovaného objemu vypne svařovací proud a horní tyč se usadí. Tato metoda může být použita pro svařování tyčí na rovný povrch.

Stabilita elektrostruskového procesu, tvar svaru a hloubka průvaru základního kovu závisí na parametrech svařovacího režimu. Mezi hlavní parametry patří: rychlost svařování V, svařovací proud I_St., rychlost posuvu elektrody V_п, svařovací napětí U_cv, tloušťka kovu na elektrodu, vzdálenost mezi elektrodami z. Pomocné součásti režimu: mezera mezi hranami b_р, složení tavidla, hloubka struskové lázně h_w.v., rychlost vratných pohybů elektrody, její „suché“ prodloužení l_э, průřez elektrody atd. Hloubka struskové lázně se v závislosti na síle svařovacího proudu pohybuje od 25 do 70 mm. Rychlost vratného pohybu elektrody je 25-40 m/h. Prodloužení suché elektrody 60-80 mm.

Rýže. 6. Závislost velikosti a tvaru svaru (a) na hlavních parametrech elektrostruskového svařování (b – e). Hodnoty svařovacích parametrů kromě uvažovaného: I_St. = 600 A; PROTI_пр = 40 m/h; U_St. = 38-40 V; b_p — 20 mm

S rostoucím proudem se zvyšuje rychlost tavení elektrody a zvyšuje se hloubka kovové lázně. h_m.v. Šířka švu se mírně mění (obr. 6, b). S rostoucí rychlostí posuvu elektrody v_пр (obvykle 100-500 m/h) je konec elektrody ponořen hlouběji do struskové lázně. Tím se snižuje namáhání při svařování. U_St., hloubka kovové lázně h_ш B a šířka švu b_ш. Koeficient tvaru svaru (tvar kovové lázně) ψ =b _пр /h _m.v . klesá s rostoucí proudovou silou a zvyšuje se s rostoucím průměrem elektrody a svařovacím napětím.

Rýže. 7. Instalace výstupních (a) a vstupních (b) pásů při elektrostruskovém svařování	Rýže. 8. Elektrostruskové svařování obvodového švu: a – vyříznutí vad na začátku svařování; b — uzavření švu; šipky: A — směr otáčení výrobku; B – pohyb stroje

Počet elektrodových drátů, jejich průměr a průřez deskových elektrod nebo tavných trysek, jejich rychlost posuvu a další parametry se volí tak, aby byla získána rychlost svařování a napětí, které zajistí stabilitu procesu a požadované rozměry a tvar švu.

Použití elektrostruskového svařování přináší zásadní změny v technologii výroby velkorozměrových výrobků. Je možné nahradit velké lité nebo kované díly svařovanými odlévanými nebo svařovanými kovanými díly z menších výkovků nebo odlitků.

Obrobky pro svařování by měly být sestaveny s ohledem na smrštění spoje po svařování. Aby bylo zajištěno těsné usazení jezdců a tvářecích zařízení na hrany spár, jsou tyto očištěny od otřepů, okují atd. do šířky až 100 mm. Pro odstranění smršťovací dutiny na konci svaru za svarem (obr. 7) se instalují výstupní lišty a pro odstranění nestavnosti na začátku svaru se instalují vstupní lišty, které se po svařování odstraní řezáním. Pro zahájení svařování se do kapsy tvořené vstupními pásy nalije tavidlo, které se taví svařovacím obloukem, dokud se nezíská strusková lázeň požadované velikosti. Poté je oblouk posunut struskou a proces se stává bezobloukovým – elektrostruskou.

Před zahájením svařování můžete nalít strusku roztavenou ve speciální chladicí formě. K vytvoření elektrostruskové lázně lze použít speciální tavidla, která jsou v pevném stavu elektricky vodivá. Proces svařování kruhových švů je původní (obr. 8). Svařování začíná na vstupním pásu 1. Při dalším svařování, kdy se výrobek otáčí, vadná oblast na začátku švu 2 vystřihnout, aby se šev uzavřel. Když je šev uzavřen, rotace produktu se zastaví a svařovací jednotka se začne pohybovat nahoru jako při normálním svařování rovného švu. Šev se uzavře a smršťovací dutina se odstraní pomocí speciální kapsy z plátů. 3 nebo chladící plíseň. Typy svarových spojů a typ svarových spojů získaných elektrostruskovým svařováním jsou znázorněny na obr. 9. Obr.

Rýže. 9. Hlavní typy svarových spojů prováděných elektrostruskovým svařováním: a a b – natupo; in a d – ve tvaru T; g – hranatý; e – proměnný průřez

Elektrostruskové svařování (ESW) je proces vytváření trvalého spoje, při kterém dochází k tavení základního a přídavného kovu vlivem tepla vznikajícího při průtoku elektrického proudu roztaveným tavidlem. V tomto případě vrstva roztaveného tavidla slouží k ochraně kovu svarové lázně před interakcí s kyslíkem a dusíkem ve vzduchu. Schéma elektrostruskového procesu je na Obr. 2.40. Strusková lázeň 2 vzniká (indukuje) tavením tavidla, které vyplňuje prostor mezi okraji základního kovu 1 a speciální vodou chlazené jezdce 3, pevně přitlačeny k povrchu svařovaných dílů. Rýže. 2.40. Schéma procesu ESW. Svislá šipka ukazuje směr svařování, vodorovná šipka ukazuje směr pohybu elektrody v mezeře

Energie potřebná k provedení struskového procesu je dodávána ze zdroje energie s tuhou AC nebo DC charakteristikou, připojeného k základnímu kovu a spotřební elektrodě (elektrody). 6, vloží se do mezery mezi svařenými okraji a ponoří se do struskové lázně. Elektroda je umístěna uprostřed struskové lázně nebo se pohybuje v mezeře z jednoho povrchu svařovaných dílů na druhý. Proud je přiváděn do elektrody pomocí náustku 5. Proud struskovou lázní ji ohřívá na teplotu 2000 °C, překračující bod tání kovu báze a elektrody. Struska taví okraje základního kovu a elektrodu, která je přiváděna do struskové lázně rychlostí rovnou rychlosti jejího tavení. Roztavená elektroda a základní kovy proudí na dno struskové lázně a tvoří svařovací (kovovou) lázeň 4. Když je zdroj tepla odstraněn, kov svarové lázně krystalizuje. Roztavená struska umístěná nad kovovou lázní spolehlivě chrání kov před působením vzduchu. Když je mezera mezi svařovanými hranami vyplněna, náustek se pohybuje podél svařovaného obrobku pomocí speciálního pohonu. Strusková lázeň, vytvořená na začátku svařování, se při vytváření svaru pohybuje od začátku dílu ke konci. Lázeň na nich při kontaktu s chlazenými šoupátky vytváří tenkou struskovou krustu, která zabraňuje přímému kontaktu roztaveného kovu s povrchem šoupátka. Spotřeba tavidla u tohoto způsobu svařování nepřesahuje 5 % hmotnosti naneseného kovu. Vzhledem k malému množství strusky dochází k legování uloženého kovu především díky elektrodovému drátu. V tomto případě lze podíl obecného kovu ve svaru snížit na 10-20%. Ve srovnání se svařovacím obloukem je strusková lázeň méně koncentrovaným zdrojem tepla, proto se TVD vyznačuje pomalejším ohřevem a chlazením. Významná doba zdržení kovu v roztaveném stavu pomáhá zlepšit podmínky pro odstraňování plynů a nekovových vměstků ze svarového kovu. Elektrostruskový proces probíhá plynule i při proudových hustotách y = 0,1 A/mm 2 (při ručním obloukovém svařování obalenými elektrodami y = 10-30 A/mm 2, při automatickém pod vrstvou tavidla y = 200 A/mm 2, s svařovací elektroda v ochranných plynech y = 400 A/mm 2 ), proto je možné použít elektrody dostatečně velké sekce. V praxi používané metody ESW se rozlišují podle typu elektrody: svařování elektrodovým drátem, svařování elektrodovou deskou nebo tyčí a svařování odtavnou tryskou (kombinovaná elektroda). Při svařování elektrodový drát Jako elektrody se používá drát o průměru 2,5-3,5 mm. Jedna elektroda může svařovat kov až do tloušťky 60 mm. Když je tloušťka svařovaných obrobků velká, pro zajištění rovnoměrného tavení základního kovu se elektrodě uvede vratný pohyb ve vodorovné rovině rychlostí 30-40 m/h, nebo se použije víceelektrodové svařování. Proudová hustota v elektrodách se může měnit od 15 do 160 A/mm 2 (100-600 A pro každou elektrodu).

Při svařování elektrodovou desku Desky o tloušťce 5-12 mm (ne více než Ouse mezera mezi svařovanými obrobky) a délka do 3,5 m Šířka desky je dána výkonem zdroje a obvykle nepřesahuje 150 mm. Proudová hustota v deskách je v rozmezí 0,3-2,5 A/mm2 (400-2500 A na desku). Při svařování švů složitého tvaru použijte tavící náustky, které fungují jako výplňový materiál. Tavicí tryska je deska, ke které jsou přivařeny vodicí trubky pro podávání svařovacího drátu. Náustek kopíruje tvar svařovaného spoje a jeho tloušťka je 15-20% šířky spáry. Náustek je upevněn v mezeře pomocí keramických držáků, destiček atd. Během procesu svařování se roztaví tryska a přídavný drát, který je dodáván automaticky. Průřez tavného náustku je menší než průřez elektrodových desek, takže proudová hustota se pohybuje mezi 3-7 A/mm 2 a celkový proud kolísá od 500 do 1500 A. Zpravidla ESW se provádí s produkty ve svislé poloze. Okraje jsou umístěny svisle nebo v úhlu až 30° k vertikále. Zrcadlo svarové lázně je stejně jako při svařování ve spodní poloze umístěno ve vodorovné rovině a pohyb roztavené elektrody a základních kovů probíhá ve směru gravitace. Hlavní typy připojení provedených ESW jsou znázorněny na Obr. 2.41. Mezera mezi svařovanými kusy závisí na tloušťce spojovaných hran a je zvolena dostatečná pro umístění elektrody. Mezera mezi formovacím zařízením (jezdcem) a výrobkem by neměla přesáhnout 0,5 mm, jinak může dojít k úniku strusky a kovových lázní. Svařování obvykle začíná v kovové matrici dlouhé 50-100 mm připevněné ke spodní části spoje, kde je zahájen obloukový proces. Aby se odstranila strusková lázeň a zabránilo se vzniku smršťovacích trhlin a uvolnění na konci švu, jsou na výrobku instalovány výstupní pásy o délce cca 100 mm. Hlavní parametry režimu EWS jsou svařovací proud, napětí na struskové lázni a rychlost svařování. Změna těchto parametrů má vliv na rozměry svarové lázně – šířku / a hloubku h. Konvexnost švu g určena velikostí tvářecích zařízení (obr. 2.42). Změna svařovacího proudu má největší vliv na hloubku kovového bazénu. S nárůstem /_St. hloubka lázně se zvyšuje podle závislosti blízké lineární. Šířka bazénu je mírně ovlivněna změnami svařovacího proudu. Obr. 2.41. Hlavní typy elektrostruskových svarových spojů: a-c – natupo; g, d – hranatý; f, g – odpaliště; b – svařovací mezera Obr. 2.42. Rozměry svarové lázně a svaru při TVD

Změna napětí na struskové lázni má velký vliv na šířku kovové lázně, vztah je lineární. S rostoucím napětím se mírně zvětšuje i hloubka kovové lázně. S rostoucí rychlostí svařování je pozorováno zvýšení hloubky bazénu. Technologické vlastnosti tavidla pro TVD jsou určeny jeho elektrickou vodivostí, viskozitou a nasycením plynem. Se zvýšenou elektrickou vodivostí tavidla se zvyšuje stabilita procesu a snadnost jeho iniciace. Při vysoké elektrické vodivosti tavidla však může být množství tepla uvolněného ve struskové lázni nedostatečné k roztavení okrajů svařovaných kusů. Při práci s „krátkými“ tavidly, jejichž viskozita se prudce mění s teplotou, stejně jako se žáruvzdornými tavidly, dochází k vytlačení šoupátek, zatímco tavidla s nízkou viskozitou mají tendenci unikat do mezery. Nasycení tavidla plynem by mělo být minimální, protože uvolňování plynu během procesu svařování vede k rozstřikování kovu a snížení stability procesu. Elektrostruskový proces se používá pro svařování uhlíkových a legovaných konstrukčních ocelí, speciálních ocelí, hliníku, titanu, slitin niklu a dalších kovů a slitin. Rozsah svařovaných tlouštěk v této technice je 8-2500 mm, i když v zásadě lze elektrostruskovým procesem spojovat kovy neomezené tloušťky.