ELEKTROSTRUSKÉ SVAŘOVÁNÍ – Svařování

Podstata metody elektrostruskového svařování spočívá v tom, že tavení elektrodového drátu a svařovaných hran se provádí díky teplu roztaveného tavidla, které se ohřívá průchodem proudu jím (obr. 2.18). Zpočátku se část tavidla taví obloukem vzníceným mezi technologickým podkladem a elektrodou. Postupně se na podkladu v důsledku tavení elektrod a podkladového materiálu vytvoří vrstva tekutého kovu a tekuté strusky. S rostoucí teplotou strusky působením neustále hořícího stacionárního oblouku se zvyšuje její množství a elektrická vodivost. Celkový elektrický odpor vrstvy strusky o značné tloušťce se stává úměrným odporu oblouku, je struskou odtlačována a zhasíná. Poté proces přechází do fáze, kdy se hlavní část tepla potřebného k tavení kovu elektrody a spojovaných částí vytváří ve struskové lázni při průchodu proudu. Elektrostruskový proces se tedy provádí díky Jouleovu teplu a je bezobloukový. Teplota ve struskové lázni, která zůstává roztavená po celou dobu svařování, je rozložena nerovnoměrně (obr. 2.19). Maximální je blízko konce elektrody a minimální na povrchu strusky.

Obr. 2.18.Schéma procesu elektrostruskového svařování:

• 1 – strusková lázeň; 2 — svařovaná část;
• 3 – měděné chladicí podložky; 4 — elektrody; 5 — trysky pro přívod proudu; 6 — svařovací lázeň

Obr. 2.19. Povaha rozložení teploty G podle hloubky Н strusková lázeň

Svařování se provádí svisle zdola nahoru. Svařované díly se instalují s mezerou, jejíž velikost závisí na tloušťce dílů. Mezera je zespodu omezena technologickou výstelkou a ze strany vodou chlazenými měděnými podložkami. Ke svařování se používá jedna nebo více deskových elektrod nebo drátových elektrod. Pro rovnoměrné vyplnění spoje se elektrodám někdy přizpůsobuje vratný pohyb podél roviny spoje. Trysky pro vedení drátu jsou vyrobeny z trubek z nízkouhlíkové oceli, které se taví, když strusková lázeň stoupá a prochází do švu.

Měděné vodou chlazené boční desky mohou být stacionární (pro díly s nízkou výškou) nebo se pohybovat zdola nahoru, jak svar krystalizuje.

Elektrostruskové svařování se používá ke spojování dílů o tloušťce větší než 40-50 mm a horní hranice svařovaných tlouštěk je prakticky neomezená. Elektrostruskové svařování umožňuje výrazné zvýšení produktivity, zejména při svařování silných kovů, a to díky následujícím vlastnostem:

• 1. Svařovací proces probíhá bez přerušení s jednou instalací spojovaných dílů. To zvyšuje faktor využití stroje. Pro automatické svařování plněnou elektrodou je tedy specifikovaný faktor 0,6 a pro elektrostruskové svařování dosahuje 1,0.
• 2. Koeficient depozice se zvyšuje, což je vysvětleno zvýšením hustoty proudu při elektrostruskovém svařování 2,2krát ve srovnání se svařováním pod tavidlem, jakož i zvýšením prodloužení elektrody na 60-70 mm oproti 25-35 mm při svařování pod tavidlem.
• 3. Množství naneseného kovu se snižuje díky absenci zkosených hran spojovaných dílů.

Elektrostruskové svařování zajišťuje vysokou kvalitu svarových spojů díky spolehlivé ochraně před interakcí s atmosférou roztaveného kovu kapalnou struskou; snížení pórovitosti navařeného kovu, která je způsobena pomalejším chlazením svarové lázně, v důsledku čehož mají bubliny plynu čas vyplavat na povrch kovu a být odstraněny; zvýšené odolnosti svaru proti praskání, což je důsledkem příznivých podmínek pro chlazení svarového spoje.

Náklady na svařovací práce při elektrostruskovém svařování se snižují, mimo jiné díky 15–20násobnému snížení spotřeby tavidla ve srovnání s automatickým svařováním pod tavidlem a absenci nutnosti zkosení hran.

Elektrostruskové svařování našlo široké uplatnění v těžkém strojírenství (při výrobě rámů, lisů, hřídelí, hydraulických turbín atd.), kde jeho zavedení způsobilo skutečnou technickou revoluci v navrhování a výrobě velkých konstrukcí. Při výrobě letadel se elektrostruskové svařování používá ke svařování tupých svarů prstencových polotovarů pro spojování rámů z oceli, titanu a hliníkových slitin.

Elektrostruskové svařování bylo vynalezeno, dalo by se říci, náhodou. G. Voloshkevich, vědecký pracovník Institutu elektrického svařování Akademie věd Ukrajinské SSR, zdokonalil technologii automatického svařování pod tavidlem vertikálních švů s nucenou tvorbou. Během svého výzkumu si všiml, že při určitých parametrech procesu oblouk zmizel, ale svařování se nezastavilo. Tak se objevil tento druh elektrotermického zpracování kovů, který nejen rozšířil možnosti výroby silnostěnných masivních kovových konstrukcí, ale dal podnět k vytvoření samostatného a velmi důležitého oboru speciální elektrometalurgie slitin – elektrostruskového přetavování. Tavení základního a elektrodového kovu v procesu elektrostruskového přetavování se provádí v důsledku tepla, které se uvolňuje v roztaveném stavu a přehřívá se na teplotu 1700-2200 ° C strusková lázeň, když jí protéká svařovací proud:

kde /_St. — svařovací proud, A; Я_sh – elektrický odpor roztavené strusky, Ohm. Okraje svařovaného kovu, umístěné v určité vzdálenosti od sebe, se zahřejí na teplotu tavení a prostor mezi nimi je vyplněn roztaveným přídavným kovem. Schéma procesu je znázorněno na Obr. 9.1. V prostoru tvořeném hranami svařovaných výrobků 1 a zařízení pro zadržování strusky 3, vzniká lázeň roztavené strusky 4, do kterých jsou ponořeny kovové tyče elektrod 2. Proud procházející mezi elektrodami a základním kovem ohřívá taveninu a udržuje v ní vysokou teplotu a elektrickou vodivost. Teplota struskové lázně musí překročit bod tání základního a elektrodového kovu. Struska taví elektrodu v ní ponořenou a okraje výrobku. Roztavený základní kov se spolu s elektrodovým kovem shromažďuje na dně struskové lázně a vytváří kovovou lázeň 5, která po ztuhnutí vytvoří šev. 6, spojování okrajů výrobku. Jak se taví, elektroda se pohybuje směrem dolů. Obr. 9.1. Schéma elektrostruskového svařování: А_м — hloubka kovové lázně; A_sh — hloubka struskové lázně; L_s — hloubka ponoření elektrody do svarové lázně; L_c — suchá elektroda vyčnívat; У_э — rychlost podávání drátu elektrody; У_п — rychlost příčných pohybů náústku; L je vzdálenost mezi krajními polohami dvou náustků; D₂ — vzdálenost mezi náustkem a jezdcem Jednou z podmínek pro tok elektrostruskového procesu je přítomnost dostatečně hluboké struskové lázně. Nejjednodušší je získat, když je osa svaru svislá. Proto se elektrostruskové svařování obvykle používá v kombinaci s nuceným vytvářením švu. Nejohřívanější zóna se sice nachází v zóně proudění mezi elektrodou a kovovou lázní, ale působením magnetických polí dochází k intenzivnímu promíchávání struskové lázně a jejímu téměř vyrovnání v celém objemu. Jak se teplo přenáší hluboko do základního kovu a do vodou chlazených jezdců, kovová lázeň krystalizuje a vytváří svar 6, která je pokryta struskovou krustou malé tloušťky. Celý systém se svařovací hlavou a jezdci se pohybuje zdola nahoru rychlostí svařování V_CB, a pro vytvoření rovnoměrného tepelného gradientu struskové lázně a zajištění spolehlivého průniku v celé tloušťce produktu je náustek s elektrodou vystaven příčnému pohybu od jezdce k jezdci rychlostí příčných vibrací У_пк. V tomto případě je příčný pohyb elektrod omezen vzdáleností A! = D₂. Během procesu svařování se část strusky spotřebuje na odpařování a tvorbu struskové krusty, takže se do struskové lázně periodicky přidává tavidlo v malých dávkách.

• • průměr elektrody d₃, mm, nebo průřez deskové elektrody, které se volí v závislosti na tloušťce svařovaného kovu a výkonu zdroje energie;
• • počet elektrod p, v závislosti na tloušťce svařovaného kovu. Obvykle nepřesahuje tři, ale v některých případech to může být i více, například při svařování tavnou špičkou. Takže s jedním drátem můžete svařovat kov až do tloušťky 60 mm bez vibrací a s vibracemi – až 150 mm. Největší tloušťka, kterou lze svařit třemi oscilačními elektrodami, je 450 mm.

Velikost deskových elektrod a jejich počet se volí v závislosti na tloušťce svařovaného kovu při konstantní tloušťce plechu 10-12 mm.

Kov o tloušťce 200 mm lze svařovat buď jednou elektrodou šířky 200 mm nebo dvěma elektrodami šířky 92-94 mm. Při svařování kovu o tloušťce 400 mm se používají tři elektrody o šířce 122-125 mm. Pokud je tloušťka kovu 800 mm, šířka každé ze tří elektrod je 258-268 mm;

• • síla svařovacího proudu /_St. = 500–2500 А, v závislosti na průřezu elektrody a rychlosti jejího posuvu a do určité míry na rychlosti svařování;
• • namáhání struskové lázně 1/_shv = 25-50 V v závislosti na síle svařovacího proudu s klesající charakteristikou a téměř se rovná napětí naprázdno s tuhou charakteristikou zdroje;
• • rychlost svařování V_CB = 0,5-2,5 m/h v závislosti na rychlosti posuvu elektrody a jejím průřezu, počtu elektrod, tloušťce svařovaného kovu a velikosti mezery.

Další parametry režimu jsou:

• • suché vysunutí elektrody /_э = 45-60 mm v závislosti na průměru elektrody, její přehřátí při protékání proudu;
• • hloubka struskové lázně /?_shv = 35-60 mm v závislosti na množství tepla, které se uvolňuje, když jím protéká svařovací proud. V malé hloubce se proces změní na oblouk ve velké hloubce, strusková lázeň „zamrzne“ kvůli jejímu nedostatečnému ohřevu;
• • velikost mezery je 25-35 mm, což určuje možnost umístění náustku bez nebezpečí, že se dotkne svařovaných dílů, bez ohledu na tloušťku svařovaného kovu;
• • rychlost vratných pohybů náustku V_UK = 60-90 m/h a dobu jeho zpoždění v krajní poloze jezdců t₃ = 4-6 s, určující rovnoměrnost ohřevu a průniku v celé tloušťce kovu.

Technika elektrostruskového svařování je složitější než dříve diskutované metody. Příprava hran a rozměry svarů jsou upraveny GOST 15164-80. Norma stanovuje povahu a čistotu opracování koncových ploch svařovaných hran (provádí se mechanickým nebo plynovým řezáním), stav bočních ploch hran, po kterých se budou tvářecí zařízení pohybovat nebo instalovat, vzájemnou polohu úseků svařovaných dílů po montáži pomocí speciálních pásů ve tvaru U, vstupní kapsy a výstupních pásů.

Na rozdíl od výše diskutovaných metod musí být elektrostruskové svařování prováděno od začátku do konce bez přerušení, aby se zabránilo tvorbě vad ve svaru, které je obtížné odstranit. Proces svařování je dokončen na olověných pásech, kde se odstraní strusková lázeň a horní část svaru, která zpravidla obsahuje vady ve formě plynových dutin, struskových vměstků, trhlin atd. Po dokončení procesu se kapsa a olověné pásky odříznou.

Rohové a T-spoje se svařují stejným způsobem. Technicky nejnáročnější na provedení jsou obvodové švy, které vyžadují obzvláště pečlivou přípravu a vysoce kvalifikované pracovníky.

Tavidla pro elektrostruskové svařování musí splňovat vedle obecných i speciální požadavky dané specifiky samotného procesu, které jsou splněny při odpovídajících hodnotách elektrické vodivosti a viskozity strusky.

U elektrostruskového svařování, stejně jako u obloukového svařování, technologické vlastnosti procesu závisí na chemickém složení tavidla. Oxidační tavidlo s vysokým obsahem křemíku a manganu, například jakost AN-8 (33-36 % Si0₂; 21-26 % MnO; 4-7 % CaO; 11-15 % A1₂0₃; 13-19 % CaF₂; 1,5-3,5 % Fe₂0₃), zajišťuje stabilitu procesu při jakémkoli proudu, nepřispívá k protáčení skluzů a netěsnosti svarové lázně a nevyžaduje vysokou přesnost montáže pro svařování. Během procesu svařování však legující prvky vyhoří.

Základní fluoridové tavidlo, například ANF-14 (14-16% Si0₂; 8 % CaO; 4-8 % MgO; 10-12 % A1₂0₃; 60-65 % CaF₂; 1 % Fe₂0₃), zajišťuje zachování legujících prvků, ale stabilita procesu je zachována při konstantním proudu obrácené polarity. Tavidlo způsobuje vytlačení jezdců a vytékání svarové lázně vyžaduje vysokou přesnost montáže dílů pro svařování.

Obsah škodlivých nečistot – síry a fosforu – v oxidačních tavidlech je 0,1-0,12%, ve fluoridových tavidlech – každý 0,05%.

Nízkouhlíkové a nízkolegované oceli jakostí StZ, 20, 22K, 10G2S1, 09G2DT jsou svařovány drátem jakostí Sv-10G2, Sv-10G2S, vysokopevnostní oceli jakosti 25Kh2GMT, 35NZMFA – drát Sv-20KhN

V závislosti na tloušťce a uhlíkovém ekvivalentu vyžaduje elektrostruskové svařování někdy předehřátí. Vzhledem k tomu, že tepelný cyklus elektrostruskového svařování zajišťuje pomalé ochlazování svarového kovu a tepelně ovlivněné zóny, jsou kotlové oceli 20K, 22K dlouhodobě za vysokých teplot, což vede k růstu zrn austenitu. vytvoření jehlovité struktury, v důsledku čehož se zhorší plastické vlastnosti spojení. Proto jsou po svaření podrobeny tepelnému zpracování – normalizaci při 900-910 °C a popouštění při 650-670 °C. Někdy se svařování kombinuje s tepelným zpracováním pomocí plynových hořáků, které se pohybují za sklíčky. Od tepelného zpracování lze upustit, pokud svařujete nízkolegovanou ocel 09G2DT s primární jemnozrnností, speciálně určenou pro elektrostruskové svařování.

pro vysoce legované oceli и slitiny Při výrobě kovových konstrukcí je elektrostruskové svařování omezeno v použití z důvodu přehřátí tepelně ovlivněné zóny, a proto je nutné výrobky podrobit tepelnému zpracování. Svařování se provádí pomocí fluoridových tavidel.

pro svařování litiny Tepelný cyklus elektrostruskového procesu je velmi příznivý, neboť zajišťuje pomalé ochlazování výrobku a uvolňování uhlíku ve formě grafitu, díky čemuž mají svary vysoké mechanické vlastnosti a dobře se opracovávají běžnými řeznými nástroji. Jako elektrody se používají desky a tyče odlévané z litiny stejného složení jako základní kov a plněné dráty jakosti PPCh-2 a PPCh-3. Svařování se provádí pomocí tavidla třídy ANF-6. Tento postup je vhodné použít pro opravy a svařování průchozích a nepropustných odlitků, pokud průřez přesahuje 10 cm.

Defekty musí být vyčištěny a připraveny k vytvoření tvarovacích zařízení a výstupních prstenců z grafitu. Technika svařování je stejná jako u oceli. Vyvolání struskové lázně lze provést tak, že se potřebné množství tavidla nejprve roztaví, přehřeje a nalije do vytvořeného tavného prostoru, poté se zapne svařovací proud a začne pohyb elektrody.

pro měď elektrostruskové svařování vyžaduje zvýšení tepelného příkonu, čehož je dosaženo použitím deskové elektrody nebo odtavné trysky. Potřebného vývinu tepla a dostatečného natavení spojovaných hran i čištění svarového švu je dosaženo použitím speciálního nízkotavného tavidla značky AN-M10 na bázi fluoridů kovů alkalických zemin (50-70% NaF, 10-20 % LiF, 10-20 % CaF₂5-10 % SiO₂3 % CaO). K vytvoření lázně se používají grafitové desky. Měděné obrobky o průřezu 140×160 mm se svařují deskovou elektrodou o tloušťce 18 mm při zvýšených svařovacích proudech 8000–10 000 A při 1/_shv = 40–50 V, mezera 55–60 mm, hloubka struskové lázně 60–70 mm.

Svařování niklu a jeho slitin lze vyrobit jak dráty legovanými manganem např. Sv-NMTs2,5, Sv-NMTs5 (pro odstranění síry), tak deskovými elektrodami pod fluoridovými tavidly značek ANF-5, ANF-8 atd. Technika a parametry svařování se blíží těm, které se používají při svařování ocelí.

Titan a jeho slitiny lze spojovat všemi metodami elektrostruskového svařování pod žárovzdornými tavidly na bázi CaF systémů₂-VaS1₂—NaF a CaF₂-MgF₂-SrF₂ třídy ANT-2, ANT-4, ANT-6 s dodatečnou ochranou tavného prostoru argonem, vyhřívaného povrchu svaru v blízkosti jezdců a titanové elektrody u nástavce.

Protože všechny fluoridové strusky se vyznačují vysokou tekutostí, neměly by mezery mezi tvarovacími podložkami, jezdci a hranami svařovaných dílů přesáhnout 0,5 mm, na což jsou mechanicky zpracovány. Pro zlepšení tažnosti a houževnatosti některých dvoufázových slitin titanu po svařování se doporučuje provádět difúzní žíhání výrobků při teplotě 750–850 °C. Elektrostruskové svařování titanu se provádí na specializovaných zařízeních, která jsou napájena střídavým svařovacím proudem.

pro hliník a jeho slitiny elektrostruskové svařování se provádí deskovými elektrodami a odtavnou tryskou vyrobenou z kovu stejného složení jako základní kov, za použití tavidla AN-A301 (20 % LiCl, 50 % KCL, 10 % BaCl, 8 % LiCl, 2 % A1F₃). Proces se provádí při vyšším tepelném příkonu než u oceli. Z hlediska pevnosti není svar čistého hliníku horší než základní kov, pevnost svarů na slitinách typu AMg je 0,7-0,9 pevnosti základního kovu.

Pro zajištění samoregulace procesu tavení elektrody se používají zdroje AC a DC s přísnými vnějšími charakteristikami.

Zařízení pro elektrostruskové svařování by měla zajistit současný ohřev struskové lázně, svarových hran a přídavného kovu na jejich teplotu tavení, přívod elektrodového kovu do mezery mezi hranami s přívodem svařovacího proudu k ní a možnost vratného pohybu trysky od šoupátka k šoupátku , zadržení svarové lázně v tavicím prostoru při jejím pohybu spolu s tvářecími zařízeními. Všechny tyto operace zajišťuje soubor mechanismů, z nichž mnohé plní podobné funkce u strojů pro obloukové svařování. Například hlavy pro svařování drátovými elektrodami mají stejnou strukturu jako pro obloukové svařování. Podle způsobu pohybu mohou být samohybné (kolejové a bezkolejové) a zavěšené.

Formovací jezdce jsou měděné vodou chlazené desky. Když se vytvoří šev, pohybují se nebo se nepohybují. Provedení jezdců závisí na typu švů, stavu okrajů, kvalitě montážních prací atd. Při svařování kovu malé tloušťky a při vysoce kvalitní montáži se tedy používají tuhé jezdce. Při zkosení hran je vhodné použít pružné jezdce – kloubové, kompozitní, které zajišťují nezávislý přítlak na každou z hran. Posuvníky byly navrženy pro koutové a přeplátované svary nebo pro tváření svarového kovu. Šoupátka pro svařování titanu a jeho slitin mají zařízení pro přívod ochranného plynu horní hranou.

Typ zařízení se volí v závislosti na tloušťce svařovaného kovu, podmínkách práce, nomenklatuře a počtu výrobků.

Možnosti elektrostruskového svařování určitých konstrukčních materiálů jsou uvedeny v tabulce. 8.2.

Kontrolní otázky

• 1. Co je elektrostruskové svařování?
• 2. Vyjmenujte druhy elektrostruskového svařování.
• 3. Jak vzniká strusková lázeň při použití drátových a deskových elektrod?
• 4. K čemu slouží vstupní kapsa a výstupní pásy?
• 5. Jak se skládají díly pro svařování při elektrostruskovém svařování?
• 6. Jaké zvláštní požadavky platí pro tavidla pro elektrostruskové svařování?
• 7. Jaké materiály elektrod se používají pro elektrostruskové svařování uhlíkových ocelí?
• 8. Jaké parametry režimu jsou přiřazeny při elektrostruskovém svařování uhlíkových ocelí?
• 9. Jaké zařízení se používá pro elektrostruskové svařování?