После накопления определенного количества жидкого шлака дуга шунтируется шлаком и гаснет, а подача проволоки и подвод тока продолжаются. При прохождении тока через расплавленный шлак, являющийся токопроводящим электролитом, в нем выделяется теплота, достаточная для поддержания высокой температуры шлака – до 2000 °C и расплавления основного металла и электродной проволоки. За счет разницы в плотности электродный металл (плотность жидкого металла значительно больше плотности компонентов шлака) опускается на дно расплава, образуя металлическую ванну (5), а расплавленный флюс находится в верхней части расплава, образуя шлаковую ванну (4).
Шлаковая ванна, находясь сверху, защищает жидкий металл от окисления воздухом.
В начальном и конечном участках образуются дефекты. В начале шва – непровар кромок, а в конце шва – усадочная раковина и неметаллические соединения.
Наиболее экономически выгодным является применение электрошлаковой сварки при изготовлении толстостенных конструкций в тяжелом машиностроении, для изготовления ковано-сварных и лито-сварных конструкций, таких как станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых двигателей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления.
Рис. 6.
Схема процесса электрошлаковой сварки:
1 – кромки основного металла;
2 – сварочная проволока;
3 – формирующиеся устройства;
4 – шлаковая ванна;
5 – металлическая ванна;
6 – водная планка.
Технологические возможности ЭШС позволяют сваривать детали толщиной от 30–40 до 3000 мм. Для сварки используют проволоку, плавящиеся мундштуки, пластинчатые электроды, ленточные электроды. В качестве источников питания применяют специальные сварочные трансформаторы с жесткой внешней характеристикой, напряжением 30–55 В и токами от 50 А до 3000 А.
Аппараты для ЭШС условно разделяют на следующие типы:
• рельсовые аппараты, перемещающиеся по направляющим рельсам;
• безрельсовые аппараты, перемещающиеся непосредственно по изделию;
• аппараты подвесного типа, не имеющие ходового механизма, что делает их простыми и портативными.
Оборудование, необходимое для ЭШС:
• специальные сварочные аппараты;
• аппаратные шкафы;
• аппараты для подачи электродной проволоки или ленты;
• устройства для формирования сварочного шва;
• устройства фиксации и перемещения изделий.
Преимущества ЭШС:
• возможность получения за один проход сварных соединений практически любой толщины, от 25 и до 3000 мм;
• отсутствие необходимой специальной подготовки кромок свариваемых деталей;
• расход флюса в десятки раз меньший, чем при обычной электродуговой сварке;
• возможность применения электродов самой различной формы;
• улучшенная макроструктура шва (высокая однородность металла сварной ванны);
• высокая производительность процесса;
• сокращенный расход электроэнергии;
• малая зависимость зазора между соединяемыми деталями от толщины свариваемого металла и отсутствие подрезов;
• использование ЭШС для переплавки стали из отходов и получения отливок;
• возможность регулирования процесса при токах сварки от 0,2 А/мм2 и до 300 А/мм2 по сечению электрода;
• надежная защита сварочной ванны от воздуха;
• возможность получения за один проход швов переменной толщины.
Недостатки ЭШС:
• возможность сварки только в вертикальном или почти вертикальном положении свариваемых плоскостей (с отклонением от вертикали не более 30°);
• высокая степень перемешивания основного и электродного металлов;
• наличие крупнозернистой структуры в металле шва и в переходной зоне;
• необходимость изготовления и установки перед сваркой технологических деталей (планки, формирующие устройства, стартовые карманы);
• недопустимость остановки электрошлакового процесса до окончания сварки, т. к. при этом образуются неустранимые дефекты.
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)
Электронно-лучевая сварка основана на использовании энергии, высвобождаемой при торможении потока ускоренных электронов в свариваемых материалах.
Преобразование кинетической энергии электронов в тепловую энергию характеризуется высоким к.п.д. При электронно-лучевой сварке в качестве источника нагрева используется поток электронов, движущихся в высоком вакууме. Для сварки необходимо получить свободные электроны, сконцентрировать их и сообщить им скорость с целью увеличения энергии. Электронный луч, используемый для нагрева металла при сварке, создается в специальном приборе – электронной пушке.
Электронная пушка (рис. 7, 8) представляет собой устройство, с помощью которого получают электронные пучки с малым диаметром пятна и высокой плотностью энергии в нем. Пушка имеет катод (1), который нагревается до рабочей температуры с помощью нагревателя. Катод размещен внутри прикатодного электрода (2). На некотором расстоянии от катода находится ускоряющий электрод (3) с отверстием – анод. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму, обеспечивающую такое строение электрического поля между ними, которое фокусирует электроны в пучок диаметром dkp, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких десятков киловольт, поэтому электроны, эмитированные катодом, на пути к аноду приобретают значительную скорость и энергию.
После ускоряющего электрода электроны движутся равномерно. Электроны имеют одинаковый заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга. Вследствие этого диаметр пучка увеличивается, а плотность энергии в пучке уменьшается.
Для увеличения плотности энергии в пучке после выхода электронов из анода их фокусируют магнитным полем в специальной магнитной линзе (4). Сфокусированный поток электронов, попадая на поверхность свариваемых кромок, тормозится. При этом кинетическая энергия превращается в теплоту, идущую на разогрев металла (6) при сварке. Для перемещения луча по поверхности свариваемого изделия на пути электронов помещают магнитную отклоняющую систему (5), позволяющую устанавливать электронный луч точно по линии стыка свариваемых кромок.
Рис. 7.
Схема устройства формирования электронного луча
Для обеспечения свободного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию, для предотвращения «отравления» катода, а также для устранения возможности возникновения дугового разряда между электродами в камере электронно-лучевой установки создается высокий вакуум – примерно 10–4 мм рт. ст.
Движение электронов в вакууме не сопровождается световыми эффектами, и потому луч не виден, но место воздействия луча на свариваемый материал можно наблюдать по свечению металла за счет его разогрева.
Электронно-лучевая сварка позволяет сваривать тугоплавкие металлы, которые обычными методами не свариваются, например вольфрам, молибден, ниобий, тантал.
Высокая концентрация теплоты в пятне фокуса позволяет сверлить лучом такие материалы, как сапфир, рубин, алмаз, стекло.
Незначительная ширина зоны теплового воздействия дает возможность резко уменьшить деформацию заготовок. Кроме того, за счет вакуума в камере обеспечиваются зеркальная поверхность соединения и дегазация расплавленного металла.
Малый объем литого металла и кратковременность теплового воздействия обеспечивают незначительные термические деформации свариваемых деталей, что позволяет выполнять сварные швы вблизи металлокерамических и металлостеклянных спаев, чувствительных к термоударам.
Рис. 8.
Конструкция современной сварочной электронно-лучевой пушки:
1 – катод; 2 – управляющий электрод;
3 – анод; 4 – изолятор;
5 – фокусирующая линза.
Электронно-лучевые пушки можно разделить на типы:
• низковольтные пушки с ускорением электронов до энергии 20–30 кэВ;
• с промежуточным ускоряющим напряжением – 30–100 кэВ;
• высоковольтные пушки с энергией ускорения 100–200 кэВ.
Оборудование для ЭЛС:
• высоковольтный выпрямитель;
