Электрогазосварка. Электросварка. Газосварка

§ 37. Технология сборки и сварки

Изготовление изделий с применением ЭШС вносит коренные изменения в технологию производства массивных крупногабаритных изделий. С внедрением этого способа стало возможным заменить литые и кованые изделия сварно-литыми, сварно-коваными и сварно-прокатными конструкциями и тем самым значительно уменьшить загрузку литейных и кузнечно-прессовых цехов машиностроительных заводов и металлургических комбинатов без расширения производственных площадей, улучшить качество литья, а в ряде случаев и снизить массу изделий.

В номенклатуру ЭШС могут быть включены изделия, изготовление которых: а) обеспечивает существенный экономический эффект по сравнению с другими способами производства (литья, ковки и дуговой сварки — ручной, полуавтоматической и автоматической); б) значительно снижает загрузку уникального оборудования и производственный цикл изготовления изделий; в) позволяет уменьшить массу заготовки путем замены литых и кованых конструкций сварно-прокатными.

Требования к заготовками материалам. Материалы для заготовок плавящихся мундштуков, сварочная проволока и флюс должны удовлетворять требованиям стандартов или техническим условиям.

Если производится ЭШС заготовок из сталей низколегированных или легированных, то мундштуки изготовляют из сталей той же марки или аналогичной, но обеспечивающей требуемые прочностные показатели сварного соединения.

Для получения оптимальных прочностных показателей сварного соединения у кованых заготовок к стыку должна быть обращена сторона, находящаяся в донной части слитка.

При изготовлении особо ответственных деталей в сварно-литом и сварно-кованом вариантах (гидравлические цилиндры, барабаны подъемных устройств, клещевины и другие детали металлургических кранов, детали устройств, подведомственных инспекции Госгортехнадзора) производится контроль качества кромок заготовок и сварного соединения (заготовки и сварное соединение толщиной S< 400 мм контролируют на бетатроне; заготовки и сварное соединение из проката, поковок толщиной 5> 400 мм контролируют ультразвуковыми приборами соответственно их техническим возможностям). Объем и вид контроля регламентируются техническими требованиями и технологией на конкретное изделие.

Термообработку литых и кованых заготовок производят до ЭШС по режиму стали.

Заготовки при необходимости должны иметь припуски для последующей механической обработки, с учетом возможной усадки и коробления сварного соединения и изделия после термообработки.

Флюсы для электрошлаковой сварки должны обладать следующими качествами: обеспечивать быстрый переход дугового процесса в шлаковый; поддерживать устойчивое прохождение шлакового процесса; создавать полный провар кромок и удовлетворительное формирование поверхности шва; не производить отжатия охлаждающих устройств от поверхности свариваемого металла; не вытекать в зазоры между охлаждающими устройствами и свариваемым металлом; обеспечивать получение швов высокого качества; образовывать легкоотделяющуюся с поверхности шва корочку шлака; шихта флюса не должна содержать дефицитных компонентов.

В наибольшей мере обладают перечисленными качествами флюсы следующих марок: АН-8, АН-8М, АН-22, АН-25, АН-348А, ФЦ-7, АНФ-1 и 48-ОФ-6.

Отсыревший флюс перед употреблением должен быть прокален в электрической печи при температуре 300—700 °С в течение 1—2 ч при толщине слоя насыпки флюса 80—100 мм.

Сборка под сварку. Заготовки собирают под сварку с учетом усадки стыка после ЭШС и возможного коробления изделия в процессе термообработки.

В чертежах на сварное изделие обычно указывают расчетный зазор (конструкторский зазор) между свариваемыми кромками и сборку выполняют с учетом усадки.

Для получения требуемого качества сварного соединения и плотного прилегания охлаждающих устройств к кромкам стыка, на кромках свариваемых заготовок и смежных с кромкой зонах на ширине 100 мм по всей длине стыка не должно быть выступов, слоя окалины, ржавчины, грязи и технологической смазки.

Для качественного изготовления изделия необходимо проверить геометрию заготовок, марку стали на литых и кованых заготовках, а на заготовках из проката проверить дополнительно коробоватость, серповидность.

Схема сборки заготовок под ЭШС на трех опорах
При сборке заготовок из листов с допустимой коробоватостью смещение плоскости одного листа по отношению к другому должно быть разнесено на обе стороны на одну величину. Смещение плоскости одного листа по отношению к другому допускается не более 1 —1,3 мм на 1 м длины стыка.

Процесс ЭШС характерен тем, что в начале процесса и при окончании процесса сварки стыка, как правило, получаются участки частичного непровара и незаконченного металлургического процесса (технологические прибыли сварного шва), поэтому эти участки располагают вне стыка. С этой целью при сборке заготовок из проката и поковок по торцам стыков устанавливают входные карманы и выводные планки.

При однотипных изделиях и их серийном выпуске сборку и сварку производят в специальных кондукторах без применения сборочных скоб, входных и выходных планок с использованием кокилей.

Размер технологического зазора между свариваемыми кромками зависит от толщины заготовок и протяженности стыка, марки стали и толщины мундштука. Ориентировочные размеры технологических зазоров и технологические параметры режима ЭШС плавящимися мундштуками для прямолинейных стыков приведены в табл. 83.

Собранные на трех подставках заготовки под. дном кармана должны иметь временную подставку (сухарь). Подставку после сварки стыка на длине 150—300 мм удаляют. Высота временной подставки должна быть такой, чтобы после ее удаления деталь могла стать прямой, опираясь на три опоры (рис. 98).

Плавящиеся мундштуки изготовляют из стальных пластин применительно к материалу заготовок (МСт 3, 10ХСНД, 20Х2МА, 14Х2ГМР и т. д.) толщиной 5—12 мм. Пластины должны быть выправлены на ребро

Технологические параметры ЭШС прямолинейных стыков

Технологические параметры ЭШС прямолинейных стыков (продолжение)

Технологические параметры ЭШС прямолинейных стыков (продолжение)

и плоскость. Спираль (наружный диаметр 11 мм, внутренний 5 мм) для подачи проволоки от подающего механизма к месту сварки изготовляется обычно из проволоки диаметром 3 мм марки Св-10Г2.

Для правильной установки мундштука в зазоре и электрической изоляции мундштука от стенок стыка на мундштук устанавливают и приваривают изоляторы (рис. 99). Изоляторы изготовляют намоткой на стальную выгнутую пластину размером 2X12X60 мм стеклоткани, смоченной жидким стеклом, окунанием пластин в электродное покрытие, применяемое при изготовлении электродов для ручной дуговой сварки или заливкой стальных колец расплавленным флюсом в специальных кокилях.

Собранный мундштук устанавливают в середине зазора между свариваемыми кромками с таким расчетом, чтобы мундштук был параллельным к свариваемой кромке длинной более тяжелой заготовки. Такого положения мундштука в зазоре достигают подгибкой изоляторов на необходимый размер и приварки мундштука к кронштейну (изоляционная скоба). Нижний конец мундштука устанавливают в зазоре с таким расчетом, чтобы расстояние от нижнего торца мундштука до дна кармана составляло 40—50 мм (рис. 100).

Подвод тока от сварочного трансформатора к мундштукам и заготовкам осуществляют с помощью медных проводов и стальных планок (медные наконечники проводов крепят с помощью болтов диаметром 16 мм к стальной, зачищенной до металлического блеска планке), которые приваривают ручной дуговой сваркой соответственно к скобе и заготовке.

Сборка заготовок с прямолинейными стыками под ЭШС проволочными электродами, а также требования к заготовкам и материалам те же, что и для ЭШС плавящимися мундштуками.

Поскольку тепловой баланс электрошлаковой сварки проволочными электродами (ШЭ) обычно бывает меньшим, нежели при шлаковой сварке плавящимися мундштуками (ШМ), то и усадка после ШЭ имеет меньшую величину. Сборку заготовок под ШЭ производят с меньшим и технологическими зазорами

Схема установки изоляторов на мундштуке

При ШЭ прямолинейных швов аппаратами типа А-372Р заготовки устанавливают и закрепляют в стенде или на сварочной плите с таким расчетом, чтобы стык находился в вертикальном положении против мундштуков, остальные этапы сборки те же, что и для сварки ШМ.

Сборку цилиндрических заготовок с кольцевыми стыками выполняют на сборочной плите с горизонтальным положением стыков и щ фиксацией технологических зазоров с помощью планок или непосредственно в специальных роликовых опорах с вертикальным положением стыков без сборочных планок.

Технологический зазор между цилиндрическими заготовками устанавливают обычно по окружности с помощью трех стальных прокладок (сухарей) из проката диаметром 30 мм, расставленных на одинаковом расстоянии по стыку заготовок, высоту сухарей выбирают в зависимости от технологического зазора. В процессе ШЭ при подходе мундштуков к сухарю, последние удаляют из зазора. Схема установки сухарей и сборочных планок на стыке показана на рис. 101.

При сборке цилиндрических заготовок помимо сухарей к свариваемому торцу одной из заготовок для начала ШЭ устанавливают и припаривают карман для удержания металлической и шлаковой ванны в зазоре.

Сварка. Процесс электрошлаковой сварки можно разделить, по меньшей мере, на три основных стадии: начало процесса (наведение шлаковой ванны), собственно процесс сварки (создание сварного шва), окончание процесса (вывод шлаковой ванны).

Схема установки сухарей и сборочных планок при сборке цилиндрических заготовок

В практике производства находят применение следующие способы наведения шлаковой ванны: «твердый старт», когда сварочный флюс плавится теплом электрической дуги в специальном в стартовом кармане, и «жидкий старт», когда в пространство, образуемое свариваемыми деталями и формирующими водоохлаждаемыми устройствами, заливают жидкий флюс, который предварительно расплавляют в отдельном агрегате.

Техника «твердого старта» показана на рис. 102 и осуществляется в следующем порядке:

устанавливают в положение сварки соединяемые детали 1; устанавливают в исходное положение водоохлаждаемые формирующие устройства—ползун 4 и неподвижную пластину 2;

устанавливают стартовый карман 8, конструкция и материалы которого могут быть различны;

Схема установки плавящегося мундштука в стыке свариваемых заготовок

вводят электрод 3 в полость между кромками свариваемых деталей;

засыпают в пространство между кромками деталей твердый флюс 5 необходимой марки.

После выполнения перечисленных операций на электрод и изделие подается напряжение от источника питания и в промежутке между концом электрода и дном стартового кармана возбуждается электрическая дуга6. Под действием тепла дуги начинают плавиться электродная проволока и флюс, образуется малый объем жидкого шлака 7.

Когда объем жидкого шлака становится достаточно большим, благодаря хорошей его электропроводности значительная часть сварочного тока шунтируется через шлак. Плотность тока в дуге становится недостаточной для ее устойчивого горения, дуга гаснет, и с этого момента процесс переходит в бездуговой (шлаковый).

Тепло, генерируемое в жидком шлаке и металлической ванне, используется для расплавления основного и электродного металлов, а медные водоохлаждаемые устройства, удерживая расплавленный металл и шлак от вытекания, интесивно охлаждая образующийся расплав, принудительно формируют сварной шов. При сварке несколькими электродами шлаковая ванна наводится последовательным их — «закорачиванием» с дном стартового кармана. Процесс наведения шлаковой ванны осуществляют на более высоких электрических режимах, чем сам процесс создания сварного шва.

Для более легкого возбуждения дуги можно в промежуток между концом электрода и дном стартового кармана производить засыпку мелкоизмельченного металлического порошка или «закорачивать» этот промежуток металлическими вставками различных конструкций.

В практике для улучшения наведения ванны в дуговой промежуток помещают в смеси с флюсом двуокись титана (ТЮ2), которые образуют состав, обладающий электропроводностью в твердом состоянии. Для быстрого наведения шлаковой ванны применяют также смеси, дающие при своем горении тепловой эффект. Такие смеси называют экзотермическими. Они представляют собой чисто механические порошкообразные составы, состоящие в основном из горючих и окисляющих веществ. Роль горючих веществ выполняют алюминиевый или магниевый порошок, а окисляющих —окись-закись железа Fe304 (окалина) или другие компоненты.

Химическая реакция при горении смеси алюминия с окалиной

формула

Qi— тепло, выделившееся в ходе реакции, в дополнение к теплу, выделяемому электрической дугой, идет на расплавление твердого флюса.

Схема наведения шлаковой ванны

В качестве горючих веществ применяют алюминиево-магниевые порошки марки ПАМ-3, ПАМ-4, которые выпускает промышленность.

Экзотермические смеси изготовляют тщательным перемешиванием входящих в их состав компонентов, процентное содержание компонентов в смеси может быть различным, в зависимости от требуемого теплового эффекта и химического состава шлаковой ванны.

Кроме того для наведения шлаковой ванны часто применяют так называемый «жидкий старт».

Применение «жидкого старта» требует решения следующих вопросов: изготовления специального плавильного агрегата, периодической транспортировки тигля с расплавленным шлаком к месту заливки и наличия заливочных устройств, но позволяет ускорить процесс наведения шлаковой ванны и максимально уменьшить размеры входной технологической прибыли сварного шва.

Собранные заготовки под сварку в зависимости от содержания в них эквивалентного углерода (Сэ), толщины свариваемых кромок, а в некоторых случаях и протяженности стыка подвергают предварительному подогреву. Для подогрева используют термические печи, электрические индукторы, накладываемые на свариваемые кромки стыка, специальные газовоздушные горелки, сварные изделия в некоторых случаях подлежат немедленной посадке в термическую печь с целью предотвращения появления трещин и обеспечения требуемых механических свойств сварного соединения. Термические параметры для заготовок и сварных изделий, выполненных различными видами шлаковой сварки, приведены в табл. 84.

При ЭШС ответственных изделий со стыками значительной толщины и протяженности необходимо шлаковую ванну обновлять, т. е. шлак частично из ванны скачивать и досыпать в ванну новые порции флюса для лучшего рафинирования металла шва.

Характеристика сварного соединения при ЭШС зависит от многих факторов, которые определяют устойчивость процесса, а также размер, форму и качество шва. Совокупность этих факторов составляет режим электрошлаковой сварки.

К основным параметрам режима электрошлаковой сварки относятся следующие величины: сварочный ток; напряжение сварки; скорость подачи электродов в шлаковую ванну; сечение электродов; количество электродов; скорость колебаний (поперечных перемещений) электродов; глубина шлаковой ванны; расстояние между электродами; приближение электродов к формирующим ползунам; время выдержки электродов у ползунов; ширина зазора между свариваемыми деталями; сухой вылет электрода; напряжение холостого хода; род и полярность сварочного тока; интенсивность охлаждения формирующих ползунов, а также объем вновь вводимого по мере расхода шлаковой ванны флюса. Зависимость ширины проплавления от отдельных параметров режима сварки и его влияние на формирование швов показаны на рис. 103.

Скорость подачи электродной проволоки подбирают в диапазоне 150—250 м/ч. С увеличением скорости подачи проволоки и силы тока в сварочной цепи увеличивается возможность появления трещин в шве.

Напряжение сварки необходимо выбирать в диапазоне 32—52 В в зависимости от толщины свариваемого металла, марки стали и флюса.

Повышение напряжения увеличивает ширину проплавления. Глубину шлаковой ванны(hш. в) необходимо выбирать порядка 30— 60 мм и тщательно поддерживать постоянной во время сварки, периодически замеряя ее щупом и пополняя объем ванны по мере необходимости досыпкой флюса.

С увеличением глубины шлаковой ванны уменьшается ширина проплавления. С уменьшением глубины шлаковой ванны ухудшается устойчивость процесса сварки.

Диаграмма режимов ЭШС
Вылет электродов(кэ) обычно применяют 70—90 мм. Чрезмерное увеличение вылета ведет к ухудшению точности направления электродов в разделке и уменьшению силы тока. Уменьшение вылета ведет к перегреву мундштуков и снижению устойчивости шлакового процесса.

Количество электродов выбирают в зависимости от толщины металла:

формула

Термические параметры для изделий с прямолинейными стыками и стыками переменного сечения, выполненными электрошлаковой сваркой углеродистых и низколегированных сталей

Скорость поперечного перемещения электродов 20—60 м/ч; время остановки электродов в крайних положениях до 6 с; расстояние от электрода до ползуна в крайнем положении (Д2) 10 мм.

формула

Кинематическая скорость сварки (иа), на которую настраивают аппарат, должна превышать среднюю скорость сварки в 1,5—2 раза.

Скорость горизонтального (возвратно-поступательного) перемещения электродов в разделке постоянная, устанавливают в пределах 20—61,5 м/ч.

Технологические параметры ШЭ углеродистых, низкоуглеродистых и термоупрочненных сталей приведены в табл. 85.

Режимы ШЭ углеродистых, низколегированных и термоупрочненных сталей для прямолинейных стыков

Термические параметры для изделий в сварном варианте см. в табл.84. Оптимальные параметры скорости подачи проволоки и напряжения при сварке, обеспечивающие качество сварного соединения, даны на рис. 104.

Режим сварки ШЭ кольцевых стыков для углеродистых и низколегированных сталей

Режим ШЭ кольцевых стыков с использованием заготовок из углеродистых и низколегированных сталей приведен в табл. 86.

вверх страницы