Технологии сварки на основе процессов специальной электрометаллургии

12.07.2018
Идея использовать шлаковую ванну в качестве источника нагрева при сварке изделий сложной формы была впервые реализована по предложению Б.Е. Патона в процессе изготовления крупнотонажных сосудов с патрубками. Электрошлаковый процесс позволяет одновременно осуществлять две операции: образовывать стенку сосуда и приваривать к ней патрубок, тоже полученный электрошлаковым методом — электрошлаковым литьем. При этом обеспечивается плавный переход от патрубка к поверхности сосуда, поверхность литых патрубков не требует дополнительной механической обработки.

Среди наиболее известных, взаимообогащающих одна другую технологий этого же направления можно назвать ЭШС по бифилярной схеме (ЭШСб) крупных заготовок из поковок и отливок, а также использование токоведущего кристаллизатора для наплавки и переплава. Важным вкладом в развитие отечественного сварочного производства стал разработанный по указанной схеме на основе электрошлакового переплава принципиально новый способ сварки заготовок сверхбольших толщин с использованием неподвижных токоподводящих расходуемых электродов и добавкой кусковых присадочных материалов (ЭШСб КПМ). Сварной шов из простого соединительного элемента превратился в составную часть сварного изделия.

Впервые способ был освоен на ПО «Ждановтяжмаш» (ныне «Азовмаш») при изготовлении ковано-сварных заготовок рабочих валков из стали 50ХН для толстолистового стана горячей прокатки ЛП-4500. Масса такой заготовки после сварки составляла 103 т при диаметре 1250 мм. Сварные соединения сталей практически любого химического состава имеют здесь минимальную зону термического влияния.

Вот уже несколько десятилетий в металлургическом производстве биметалл и биметаллические заготовки получают методами электрошлакового процесса (ЭШН, ЭШС, ЭШП и др.), которые обеспечивают максимальное по сравнению с другими методами сопротивление срезу плакирующего и основного слоев (>400 МПа), высокую сплошность соединения слоев по площади листов. Эта идея использования электрошлаковой наплавки для получения крупнотоннажных биметаллических заготовок для прокатки на биметаллические листы впервые в мире была предложена в ИЭС им. Е.О. Патона и прошла апробацию в промышленности еще около полувека назад. На Ждановском заводе тяжелого машиностроения (ЖЗТМ — ныне «Азовмаш») и металлургическом комбинате им. Ильича было освоено промышленное производство, по новой технологии, двух- и трехслойного проката толщиной до 170 мм из биметаллических заготовок ЭШС массой до 15 т. Это позволило в 1962 г. впервые изготовить на ЖЗТМ сосуды высокого давления с толщиной стенки 100 мм и диаметром 1000 мм из биметалла в штампо-сварном исполнении, предназначенные для работы при давлении 35 МПа и температуре от -70 °С до +100 °С. На этом же заводе освоено производство цилиндрических баллонов (с полусферическими днищами) из биметалла толщиной 170 мм и диаметром 1500 мм для работы при давлении 32 МПа и температуре от -40 °C до +100 °С. В 1967 г. на ЖЗТМ впервые в отечественной практике изготовлен штампо-сварной корпус транспортного атомного энергетического реактора ОК-350 из биметаллического проката. В создании биметаллического корпуса OK-350, кроме ИЭС им. Е.О. Патона, ЖЗТМ, металлургического комбината им. Ильича, принимали участие НИКИЭТ, ИАЭ им. И.В. Курчатова, ЦНИИ «Прометей» и другие организации.

В начале 1980-х гг. в ИЭС им. Е.О. Патона была предложена принципиально новая технология получения цилиндрических заготовок для сосудов высокого давления из раскатных многослойных заготовок. Сущность этой технологической схемы состоит в том, что многослойную заготовку, полученную путем канонической навивки рулонной ленты толщиной 3...6 мм, нагревают в печи, а затем осуществляют раскатку заготовки на стане до достижения требуемого сцепления между слоями на основе автовакуумной сварки давлением.

Испытания показали, что специальная конструкция многослойной заготовки и оптимальная технология ее раскатки обеспечивают надежное сцепление между слоями и получение так называемого квазислоистого металлического материала.

Широкие возможности для изготовления биметаллических заготовок, таких, как прокатные валки, открылись благодаря применению нового электрошлакового процесса — наплавки с использованием жидкого присадочного металла (ЭШН ЖМ), разработанного в ИЭС в 1990-е гг. Безусловным преимуществом этого процесса является возможность наплавки металлов различного химического состава: нержавеющих, инструментальных и быстрорежущих сталей, жаропрочных никелевых сплавов и др.

В рамках совместных работ с Новокраматорским машиностроительным заводом (НКМЗ) создан первый в мире промышленный агрегат для производства методом ЭШН ЖМ композитных заготовок прокатных валков диаметром до 1000 мм, с длиной наплавляемой бочки до 2500 мм и массой до 20 т. Промышленные испытания на широкополосном стане партии композитных валков станов горячей прокатки диаметром 740 мм с рабочим слоем из быстрорежущей стали, изготовленных на НКМЗ по технологии ЭШН ЖМ, показали повышение стойкости в 2-3 раза по сравнению с серийными чугунными валками с отбеленным слоем.

Новые технологии сварки плавлением на основе специальной электрометаллургии перспективны для использования в тяжелом машиностроении. Лучшим подтверждением этого являются разработанный на основе применения жидкого присадочного металла принципиально новый способ электрошлаковой сварки деталей сверхбольших сечений и габаритов и специальное устройство для его осуществления, которые были созданы в ИЭС в 2005 г. Применение электрошлаковой сварки с использованием жидкого присадочного металла позволяет поднять на новую качественную ступень производство крупногабаритных слитков и заготовок, в частности роторных заготовок для энергомашиностроения, и знаменует новый путь в развитии электрошлаковой сварочной технологии.