8.5. Электрошлаковая сварка

Электрошлаковую сварку (рис. 8.9) применяют в тех случаях, когда сварной шов необходимо заполнить большим количеством расплавленного металла. Такая необходимость наиболее часто возникает в тяжелом машиностроении, при сварке крупных деталей мостов, котлов высокого давления, гидротурбин. Она используется для изготовления ковано-сварных и литейно-сварных конструкций станин и деталей прессов, молотов, станков, коленчатых валов судовых двигателей и др.

Рис. 8.9. Схема электрошлаковой сварки: 1 – свариваемые заготовки, 2 – сварочная ванна расплавленного металла, 3 – шлаковая ванна, 4 – сварочная проволока, 5 – мундштук, 6 – ползуны (формирующие устройства), 7 – затвердевший сварной шов

Как правило, электрошлаковую сварку выполняют при вертикальном положении свариваемых заготовок. Сварной шов заполняет зазор между свариваемыми поверхностями заготовок. В этом зазоре (или пространстве), ограниченном с двух сторон поверхностями свариваемых заготовок 6, а с двух других сторон формирующими устройствами (ползунами) 7 создается шлаковая ванна.

Рис. 8.10. Баланс тепловых потоков при электрошлаковой сварке: стальной заготовки при токе I = 1000 A, U = 20 В, ширина и длина cварного шва B·H = 300·150 мм.

При электрошлаковой сварке теплота образуется при пропускании электрического тока через шлаковую ванну. Высокая температура расплавленного шлака (до 2000 С) достаточна для расплавления металла электродной проволоки (или электродных пластин) и основного металла. Высокая температура поддерживается за счет больших токов (750–1000 А), обеспечивающих, соответственно, большую мощность источника тепла.

В связи с наличием перемещения электродной проволоки по ширине шва, вертикальное перемещение мундштука вдоль шва осуществляется с очень малой скоростью. Высокая производительность электрошлаковой сварки определяется большим объемом заполняемого в единицу времени металлом сварочного шва, а не скоростью перемещения мундштука в вертикальном направлении. В отличие от плазменной сварки при электрошлаковой сварке тепловые потоки в деталь относительно невелики (рис. 8.10).

Из-за большого объема расплавляемого металла подача электродной проволоки при электрошлаковой сварке осуществляется с гораздо более высокой скоростью, чем скорость перемещения ползунов.

8.6. Газовая сварка

При газовой сварке место соединения нагревают до расплавления высокотемпературным газовым пламенем (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Схема газовой сварки: 1 – свариваемые заготовки, 2 – присадочный пруток, 3 – горелка, 4 – пламя

При нагреве газовым пламенем 4 кромки свариваемых заготовок 1 расплавляются, а зазор между ними заполняется присадочным материалом 2, который вводят в пламя горелки 3 извне.

При газовой сварке заготовки нагреваются медленнее, чем при дуговой сварке. Этим определяются области рационального применения газовой сварки: для сварки листов металла малой толщины (0,2–3 мм), легкоплавких цветных металлов и сплавов, инструментальных сталей, для пайки и наплавочных работ и др.

Для образования газосварочного пламени используют газосварочные горелки. Наиболее распространены инжекторные горелки (рис. 8.12).

Рис. 8.12. Схема газосварочной инжекторной горелки: 1 – мундштук, 2 – наконечник, 3 – камера смешения, 4 – камера, 5 – инжектор, 6 – регулировочный вентиль, 7 – трубка, 8 – вентиль, 9 – ацетиленовые каналы

В инжекторной горелке кислород под давлением 0,1–0,4 МПа через регулировочный вентиль 6 и трубку 7 подается к инжектору 5. Выходя с большой скоростью из узкого канала инжекторного конуса, кислород создает разряжение в камере 4 и засасывает горючий газ, поступающий через вентиль 8 в ацетиленовые каналы горелки 9 и камеру смешения 3, где образуется горючая смесь. Горючая смесь поступает к наконечнику 2 к мундштуку 1, на выходе из которого при сгорании образуется сварочное пламя. Горелки имеют сменные наконечники с различными диаметрами выходных отверстий инжектора и мундштука для регулирования мощности ацетилено-кислородного пламени.

Эффективный КПД процесса нагрева металла газовым пламенем равен отношению эффективной мощности пламени к полной мощности, соответствующей теплотворной способности горючего

. (8.1)

Мощность газового пламени возрастает с увеличением расхода горючего хотя и медленнее, чем увеличивается расход. При этом КПД уменьшается с увеличением расхода горючего (рис. 8.13).

а)
б)

Рис. 8. 13. Зависимости мощности (а) и КПД (б) газового пламени от расхода ацетилена

Металл обычно нагревают средней зоной пламени. Расстояние от сопла до поверхности изделия выбирают равным от 1,2L до 1,5L, где L – длина ядра пламени. При этом наиболее нагретая зона пламени соприкасается с нагреваемой поверхностью. Теоретически соотношение кислорода и ацетилена должно быть 1:1. Однако практически в горелку подают смесь при соотношении кислорода к ацетилену  1,15–1,2.

Нагрев металла газовым пламенем обусловлен теплообменом между горячими газами пламени и омываемым ими участком поверхности нагреваемого тела. Вследствие растекания газового потока пламя нагревает значительную по размерам область поверхности изделия.

Газовое пламя горелки с наибольшим расходом ацетилена (9,4 кВт) развивает примерно в 8 раз меньшую плотность теплового потока, чем близкая по эффективной мощности электрическая дуга со стальными электродами при токе 550 А. При этом диаметр пятна нагрева газовым пламенем примерно втрое больше, чем электрической дугой.

Присадочную проволоку (или стержни) выбирают с учетом состава свариваемого сплава. Кроме того, для сварки цветных металлов и некоторых специальных сплавов используют флюсы в виде порошков или паст, которые растворяют оксиды, образуют шлаки и содержат элементы, раскисляющие и легирующие наплавленный металл. Например, для сварки меди применяют кислые флюсы: буру, буру с борной кислотой.