Электрошлаковая сварка: основные итоги, задачи и перспективы развития

12.07.2018
Электрошлаковая сварка (ЭШС) разработана в Институте электросварки им. Е.О. Патона HAH Украины. В сочетании с принудительным формированием шва электрошлаковый процесс позволяет осуществлять однопроходную сварку металлических заготовок практически любой толщины. За сравнительно короткий период ЭШС получила широкое распространение как в отечественном, так и зарубежном сварочном производстве, оказывая решающее влияние на характер и темпы технического прогресса в тяжелом энергетическом, транспортном и других отраслях машиностроения, а также в строительстве.

Применение ЭШС позволило заменить крупные литые и кованые конструкции, габарит и масса которых ограничены техническими возможностями существующего на заводах оборудования, сварно-литыми, сварно-коваными и прокатно-сварными. При этом свариваемые материалы используются в наилучших сочетаниях, что значительно снижает уровень металлоемкости и трудоемкости изготовления конструкций.

Эффективность ЭШС сильно возрастает с увеличением толщины свариваемого металла. Анализ современного состояния технологии ЭШС показывает, что ее применение целесообразно и вполне рационально при соединении металла толщиной 40 мм и более. При толщине свариваемого металла свыше 100 мм ЭШС по-прежнему остается наиболее эффективным способом сварки в условиях как серийного, так и индивидуального производства.

В случае толщины стенки 450 мм максимальная длина швов в реально существующих конструкциях достигает 8000 мм, диаметр кольцевых швов 2600 мм. Рекордная фактическая толщина металла свариваемых заготовок достигала 2600 мм.

В промышленности наиболее широко применяются три основных варианта ЭШС — электродными проволоками, плавящимся мундштуком и электродами большого свечения. Благодаря им можно выполнить практически любые соединения (стыковые, угловые, тавровые) и все типы швов (прямолинейные, кольцевые, переменного профиля).

Осуществление ЭШС возможно на специализированных участках, оснащенных сварочными установками и вспомогательным оборудованием. Оборудование для ЭШС относится к устройствам средней степени сложности, оно весьма надежно в работе. На отечественном серийном оборудовании процесс может продолжаться непрерывно до 15...16 ч. Средняя загрузка установок составляет 30...35 %.

Необходимо отметить, что исследования физической сущности и особенностей электрошлакового сварочного процесса с самого начала имели технологическую направленность, поскольку в первую очередь следовало решить конкретные производственные задачи. Однако одновременно были выполнены важные научные исследования, касающиеся стабилизации электрошлакового процесса, температурно-временных условий образования сварного соединения, параметров термических циклов сварки и т. п.

При этом были разработаны и опробованы оригинальные методики исследований, например методики оценки склонности металла шва к образованию трещин, измерения температурных полей однопроволочными термопарами, кинофотосъемка плавильного пространства через прозрачную среду, физическое моделирование электрошлакового свароч ного процесса и др., которые позволили значительно расширить наши представления о природе и особенностях этого уникального процесса обработки металлов.

Всесторонне были исследованы режимы ЭШС и их влияние на качество сварного соединения, разработано технологическое обоснование выбора оптимальных режимов, которые гарантируют требуемые служебные характеристики сварных металлоконструкций. Особое внимание уделено изучению механизмов образования горячих и холодных трещин, а также разработке приемов их предупреждения.

Разработка и применение новых принципов конструирования сварных металлоконструкций тяжелого машиностроения, предполагающего применение различных вариантов ЭШС, в значительной мере способствовали расширению рациональных областей использования ЭШС при изготовлении крупных деталей. Параллельно с исследованием электрошлакового процесса для промышленности разрабатывались техника и технология производства крупных металлоконструкций из углеродистых и легированных сталей, а также из титана, меди, алюминия и сплавов на их основе.

В различных отраслях машиностроения наибольшее распространение получили сварные металлоконструкции ответственного назначения из низколегированных сталей повышенной и высокой прочности типа 09Г2С, 10ХСНД, 14Г2АФ, 14Х2ГМР, 12ХМ, 35ХМЛ и др.

Основная технологическая задача при сварке этих сталей заключается в обеспечении требуемой ударной вязкости металла шва и ЗТВ. Достигается это благодаря рациональному выбору основных и сварочных материалов (легирование металла шва), режимов сварки и термообработки в зависимости от конкретных условий.

Так, изделия из сталей типа 16ХСНД, 08ГДНФЛ и др. можно сваривать без последующей нормализации, причем прочность металла шва обеспечивается за счет легирования марганцем, кремнием, никелем, молибденом и хромом (в суммарном количестве около 1 %) при использовании сварочных проволок типа Св-08Г2С, Св-08ГС, Св-04Х2МА, Св-08ГСМТ и т. п. В этих случаях целесообразнее применять флюсы АН-8, АН-9У, АН-22, АНФ-6.

При сварке толстостенных конструкций рекомендуют предварительный подогрев начального и конечного участка шва до температур 423...573 К.

В случае ЭШС среднелегированных сталей типа 30ХГСА, 30ХГСНА, 20ХНМФ, 25ХЗНМФ возникают особые затруднения, связанные с обеспечением требуемых свойств металла ЗТВ, поскольку в процессе образования сварного соединения здесь могут появляться горячие трещины-надрывы, а влияние перегрева можно устранить только посредством сложной многоступенчатой термообработки.

Эти стали в большей степени, нежели низколегированные, склонны и к образованию холодных трещин, предупредить которые удается предварительным (от 423 до 773 К), а иногда и сопутствующим подогревом до температуры 423...623 К с последующим высоким отпуском еще не остывшего сварного соединения (табл. 1).

Кроме того, возникают трудности с достижением значений ударной вязкости металла шва на уровне основного металла даже после нормализации (закалки) с отпуском. Поэтому иногда применяют такие специальные дополнительные меры, как ковка сварных соединений, или ужесточают требования к содержанию вредных примесей в основном и присадочном металле. В случаях, когда необходимо достичь высоких значений ударной вязкости металла шва в состоянии после сварки, прибегают к увеличению содержания никеля, марганца или хрома в пределах 1,8...3 % (сталь типа ХГН2М, Х2Г2М, Х2ГНМ).

Для ЭШС среднелегированных сталей применяют присадочный материал идентичного с основным металлом состава или сварочные проволоки типа Св-08ХН2М, Св-08ХЗГ2СМ, Св-10Х5М и др., которые обеспечивают равнопрочность металла сварного соединения основному металлу. При использовании низколегированных присадочных проволок типа Св-08Г2С, Св-08ГС, Св-08ГСМТ и др. прочность металла швов достигается за счет увеличения до 60 % доли основного металла. Используются флюсы марок АН-8, АН-9У, АН-45, ФЦ-6, 48-ОФ-6, АНФ-6.

Высоколегированные стали, представляющие собой сплавы на железной (> 45 % Fe) основе, в которых суммарное содержание легирующих элементов составляет не менее 10 % (хром, никель и др.), характеризуются высокими антикоррозионными, жаростойкими или жаропрочными свойствами. Естественно, что физико-химические свойства и условия эксплуатации изделий из этих сталей в решающей степени определяют особенности технологии ЭШС.

В технологических процессах ЭШС очень важно правильно определить необходимую термическую обработку (предварительную, сопутствующую или последующую). Так, при сварке сталей мартенситного класса типа 16Х11Н2В2МФ, чтобы избежать образования холодных трещин, необходим подогрев кромок и металла шва до температуры не ниже 773 К (сварка в специальных термостатах).

Весьма широко применяются стали аустенитного класса типа 12Х18Н10Т, 10X11H23T3MP (жаропрочные), 10X17H13M3T (коррозионно-стойкие), ХН78Т (жаростойкие), для которых разработаны технологические процессы ЭШС, обеспечивающие высокий уровень служебных свойств сварных соединений. В табл. 2 приведены примеры режимов ЭШС высоколегированных сплавов электродами большого сечения.

ЭШС меди и ее сплавов применяют для соединения массивных заготовок толщиной 60...200 мм с протяженностью стыка до 1000 мм. Техника и технология сварки должны обеспечивать образование качественного соединения стыков, имеющих высокий уровень теплопроводности. Сварку выполняют преимущественно пластинчатым электродом путем формирования швов неподвижными накладками из графита, с использованием специальных флюсов на основе фторидов щелочноземельных элементов, например типа АНМ-10. Сварные соединения отличаются равнопрочностью и одинаковой с основным металлом электропроводностью.

Широкое распространение получила ЭШС алюминия и его сплавов, применение которой особенно экономически выгодно при толщине металла 25 мм и более. Сварку алюминия осуществляют пластинчатым электродом, плавящимся мундштуком или неплавящимся электродом, а швы формируют преимущественно неподвижными накладками.

Разработка технологии ЭШС титана и его сплавов способствовала решению сложных проблем в самолетостроении, судостроении, химическом машиностроении и др. Титановые конструкции можно сваривать теми же способами, что и стальные. Однако существует ряд специфических особенностей, например, необходимость защиты зоны сварки аргоном и др. Освоена сварка титановых заготовок толщиной 40...1000 мм. Для обеспечения равнопрочности основного металла сварного соединения иногда применяют последующую термообработку (отжиг).
Электрошлаковая сварка: основные итоги, задачи и перспективы развития

Внедрение техники и технологии ЭШС и электрошлаковой наплавки (ЭШН) в различных отраслях промышленности подтвердило их целесообразность и высокую эффективность, позволило создавать уникальные образцы крупных металлоконструкций на монтаже (рис. 1), при производстве элементов мощных ГЭС (рис. 2), несущих конструкций энергетических агрегатов (рис. 3), кузнечно-прессового оборудования (рис. 4 и 5) и при выполнении ремонтно-восстановительных работ (рис. 6). При этом можно использовать как отдельные серийные сварочные аппараты (типа А-535, А-1304, А-550 и др.), так и установки, укомплектованные специализированными аппаратами, оснасткой и приспособлениями, создаваемыми в ИЭС им. Е.О. Патона по индивидуальным заданиям. Эти установки универсальны, высоконадежны и, как правило, снабжены дублирующими элементами, обеспечивающими замену любого вышедшего из строя рабочего узла резервным в течение 3...5 с без остановки процесса сварки.


Систематические научные поиски в направлении дальнейшего изучения энергетических возможностей ЭШС с целью уменьшения перегрева металла шва и ЗТВ, повышения экономичности и эффективности электрошлаковой технологии способствовали разработке новых приемов сварки. Среди наиболее важных — ЭШС с увеличенным вылетом электродной проволоки, с дозированной (модулированной) подачей электрической энергии, с дополнительной подачей порошкообразного присадочного материала, с сопутствующим охлаждением, с дифференцированием режимов по толщине свариваемого металла и т. д.

При ЭШС с увеличенным «сухим» вылетом электродная проволока погружается в шлаковую ванну предварительно нагретой до температуры 1473...1573. Фиксированное направление нагретой проволоки в зону сварки достигается благодаря специальному мундштуку с неэлектропроводными направляющими. Этот вариант обеспечивает увеличение скорости сварки в 1,5—2,0 раза при сокращении расхода электроэнергии на 25...30 %. Так, например, пластины толщиной 100 мм из стали 20Х2М можно сваривать со скоростью 1,9...2,0 м/ч, тогда как при ЭШС по обычной схеме уже при vc — 0,9 м/ч в металле шва появляются горячие трещины.

Существенно уменьшить долю тепловой энергии, идущей на перегрев основного и присадочного металла, возможно путем ее дозирования, когда при непрерывной подаче электродной проволоки по заданной программе периодически отключают (полностью или частично) источник питания.

Такая дозировка позволяет, например, для стали 20Х2М, получать при температуре испытания 233 К значения ударной вязкости металла ЗТВ на уровне 40...90 Дж /см2.

Дальнейшее усовершенствование способа скоростной ЭШС с автоматической коммутацией токоподвода к группам электродов и свариваемым кромкам для сталей типа 20К, 16ГС при толщинах 40...140 мм способствует достижению высоких показателей ударной вязкости металла сварного соединения без последующей высокотемпературной обработки (табл. 3). Нормативный уровень ударной вязкости для сварных соединений из конструкционных низколегированных сталей, используемых в котлостроении, составляет 29 Дж/см2. Исходя из этого, можно сделать вывод о перспективности применения разработанной технологии при изготовлении сосудов высокого давления.

Для реализации указанной технологической схемы разработаны автоматические коммутаторы переменного (до 6 кА) или постоянного (до 1,5 кА) тока, которые могут работать в комплекте с серийными источниками питания.

Введением в зону плавления электродной проволоки некомпактного присадочного материала (крупка, порошок и др.) достигают более эффективного использования тепловой энергии за счет значительного увеличения удельной поверхности присадочных материалов. Процесс ЭШС с применением порошковых присадочных материалов (ППМ) позволяет увеличить скорость сварки (табл. 4) при одновременном улучшении качества сварного соединения. Так, например, при ЭШС листов из стали 10Г2ФР толщиной 40 мм без последующей нормализации значение порога хладноломкости повысилось от 253 К до 233 К.

При ЭШС термоупрочненных сталей типа 14Х2ГМХР наблюдаются разупрочнение металла ЗТВ и снижение уровня его пластических свойств. Для борьбы с этим явлением используют принудительное сопутствующее охлаждение зоны, примыкающей непосредственно к фронту кристаллизации шва, суть которого заключается в воспроизведении режима упрочнения металла сварного соединения в процессе ЭШС за счет создания соответствующего термического цикла. Такое решение отличается минимальной продолжительностью нагрева и повышенной скоростью охлаждения в области высоких температур, что предотвращает рост зерна и распад аустенита в промежутках образования равновесных низкопрочных структур, а также замедленное охлаждение при заданных температурах распада аустенита, ограничивая тем самым образование мартенсита и обеспечивая режим частичного отпуска.

Практически эта сложная задача в процессе выполнения шва решается следующим образом. Ниже ползуна устанавливают спреер, который, перемещаясь со скоростью сварки, охлаждает водой шов и ЗТВ. Ширина зоны охлаждения составляет 130...140 мм. Изменение тепловой ситуации в области действия спреера сводится к значительному увеличению скорости охлаждения металла шва и ЗТВ. У сварного соединения из стали 14Х2ГМР толщиной 40...50 мм с сопутствующим принудительным охлаждением разупрочнение уменьшается до 5...10 % (27...30 % при обычной сварке), а ударная вязкость при температуре 233 К составляет 60...70 Дж/см2. В табл. 5 показано влияние сопутствующего охлаждения на параметры термического цикла.

Как следует из приведенной информации, практически все перечисленные способы относятся к энергосберегающим технологиям, обеспечивающим повышение производительности сварки в 1,5...3,0 и более раз в зависимости от толщины металла, особенностей конструкций и теплофизических свойств материалов. Все они призваны обеспечивать или способствовать улучшению качества сварных соединений, особенно выполняемых без применения высокотемпературной термообработки.

Ho увеличение производительности процесса за счет повышения скорости сварки, к сожалению, ведет к серьезным проблемам, связанным с техникой выполнения шва. Опыт свидетельствует, что увеличение скорости сварки до 5...6 м/ч в значительной мере затрудняет управление сварочным аппаратом, а начиная со скорости 7...8 м/ч управлять аппаратом вручную в условиях производства практически невозможно.

Успешное внедрение в производство перспективных технологических приемов ЭШС невозможно без совершенствования имеющегося или создания нового современного высокомеханизированного сварочного оборудования, а также источников питания, включая системы автоматизированного контроля и управления параметрами сварки. В Институте электросварки разработаны проекты новых образцов сварочного оборудования, которые могут быть изготовлены по индивидуальным заказам. Рассмотрены некоторые из них.

Аппарат AШ-112 представляет собой подвесной трехэлектродный автомат для ЭШС вертикальных и кольцевых швов углеродистых и легированных сталей толщиной 30...450 мм, который может быть установлен либо на механизме вертикального перемещения по типу аппарата А-535 (рис. 7), либо на выдвижной балке, вертикально перемещаемой по колонне модели Т33050 (рис. 8). Оба варианта компоновки автомата AШ-112 могут комплектоваться универсальной площадкой Т81090 для обслуживания заднего ползуна.

Основные преимущества подвесного автомата AШ-112 перед аппаратом А-535: он снабжен тремя индивидуальными приводами подачи проволоки; обеспечивает механизированное изменение «сухого» вылета электрода в процессе сварки; имеет систему автоматизированного контроля (САК) на базе микропроцессора с электронными программаторами режимов сварки, а также систему индикаторов фактической ширины сварочного зазора и индикатор уровня жидкой металлической ванны; обеспечивает питание сварочным током каждой электродной проволоки от отдельного источника постоянного тока типа ВДУ-1201 или ВСЖ-1600.

Колонна модели Т33050 (рис. 8) предназначена для установки и перемещения подвесного автомата АШ-112 при ЭШС вертикальных и кольцевых швов; кроме того, она может быть использована для установки аппаратов дуговой сварки.

На консоли крепят аппарат АШ-112, катушки с проволокой, располагают место сварщика-оператора, на платформе колонны устанавливают всю пускорегулирующую аппаратуру и источники питания. Такой сварочный комплекс позволит значительно сократить сроки ввода аппарата в эксплуатацию, поскольку нет необходимости в изготовлении нестандартного оборудования; при этом улучшаются условия труда сварщика, повышаются качество свариваемых изделий и культура производства. Для повышения надежности выполнения ЭШС плавящимся мундштуком применяют дублирование электродных проволок и оборудования. Разработанный под эту схему аппарат АШ-113 (рис. 9) состоит из двух одинаковых отдельных механизмов подачи электродных проволок. В процессе сварки вышедший из строя механизм снимают с рабочего места без удаления сварочных проволок из направляющих каналов и заменяют его исправным. Допускается многократное дублирование не только электродных проволок, но и подающих механизмов.


Другие преимущества аппарата заключаются в следующем: подающие ролики изолированы друг от друга; имеется возможность использования маломощных источников питания; отжатие прижимного ролика производится автоматически и вручную; управление дублированием проволоки осуществляется автоматически.

Аппаратом можно сваривать стальные и алюминиевые металлоконструкции по трем схемам: три рабочие — три дублирующие проволоки (рис. 9, а); шесть рабочих проволок: подающие механизмы установлены в один ряд (рис. 9, б); сварка двух отдельных стыков с индивидуальным управлением каждого подающего механизма (одновременно или со смещением во времени).

Аппарат комплектуется двумя сварочными источниками питания ТРМК-3000/1, двумя пультами и шкафом управления, а также пневмоблоком.

Технический уровень новых образцов сварочных аппаратов позволит успешно реализовать уже имеющиеся технологические приемы и обеспечить базу для дальнейшего совершенствования электрошлакового процесса.

Поэтому организация изготовления новых аппаратов и осуществление комплексной механизации сборочно-сварочных работ — одна из главных задач повышения эффективности производства крупных металлоконструкций на данном этапе развития сварочного производства.

Можно предположить, что в ближайшие 5-10 лет развитие ЭШС будет осуществляться в следующих направлениях:

- создание новых качественных низколегированных высокопрочных сталей с хорошей свариваемостью, соединения из которых (в состоянии после ЭШС) не требуют высокотемпературной термической обработки, особенно в диапазоне толщин металла 80...200 мм;

- совершенствование имеющихся и создание новых сварочных материалов;

- разработка научно обоснованных требований к исходным заготовкам больших (до 3000 мм) толщин из легированных сталей повышенной прочности;

- дальнейшее совершествование техники и технологии ЭШС кольцевых швов, особенно заготовок диаметром более 2500 мм, на основе современных представлений об электрошлаковом процессе и с использованием новых образцов сварочного оборудования;

- исследование и разработка новых типов сварных соединений и присадочных материалов, обеспечивающих высокое качество соединений и уменьшение удельных затрат на единицу продукции;

- исследование и разработка приемов и способов выполнения неразъемных соединений компактного сечения с применением электрошлакового процесса и жидкого присадочного металла;

- широкое использование технологий ЭШС и ЭШН в ремонтных работах при восстановлении массивных деталей, вышедших из строя в процессе эксплуатации;

- разработка и создание экспертных систем и банков данных о технологиях электрошлаковой сварки и наплавки.

Для развития автоматизированных процессов ЭШС необходимо проводить научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки в области поиска систем контроля положения проволочного электрода в плавильном пространстве и его фиксации в заданном положении с целью управления глубиной и равномерностью проправления кромок; бесконтактной оценки глубины проправления кромок и глубины металлической ванны; автоматизированного контроля глубины шлаковой ванны.

Выводы

1. Электрошлаковая сварка как процесс получения стыковых, угловых и тавровых соединений с прямолинейными, кольцевыми или переменного профиля швами был и остается основным и наиболее эффективным технологическим приемом производства металлоконструкций со стыками большой (свыше 100 мм) толщины практически из всех используемых классов сталей, алюминия, меди, титана, а также сплавов на их основе.

2. Научно-технический уровень технологий и техники выполнения ЭШС позволяет обеспечить изготовление практически любой крупногабаритной металлоемкой конструкции с высоким уровнем служебных свойств сварных соединений.

3. Разработаны основные критерии проектирования, созданы опытные образцы конструкций надежного и высокофункционального сварочного оборудования, способного воспроизводить в условиях сварочного производства новые эффективные приемы ЭШС.

4. Осуществление намеченных на ближайшую перспективу мероприятий будет способствовать поддержанию высокого потенциала ЭШС и значительному расширению сферы ее применения в машиностроении.

Другие новости по теме: