Электрошлаковая сварка
Электрошлаковая сварка появилась в свое время как дальнейшее развитие дуговой сварки под флюсом, когда было установлено, что при определенных режимах электрод «закорачивается» на слой расплавленного шлака и выделение теплоты (рис. 3.14) происходит при прохождении электрического тока через жидкую шлаковую ванну. Общее количество теплоты, выделяемое в зоне
сварки за 1 с, определяется как
|
а б Рис. 3.14. Схемы электрошлаковой сварки проволочным электродом без колебаний {а) и с колебаниями (б): 1 - металл шва; 2 - металлическая ванна; 3 - шлаковая ванна; 4 - проволока; 5 - ползуны |
Я = /2ЯСум > гае *сум - суммар-
ное сопротивление шлаковой и металлической ванн.
При электрошлаковой сварке почти вся электрическая мощность передается шлаковой ванне, а от нее - электроду и свариваемым кромкам. Устойчивый процесс возможен только при постоянной температуре шлаковой ванны. Рабочая температура шлаковой ванны под электродом может достигать 2200... 2300 К.
При электрошлаковой сварке более равномерное выделение теплоты по объему сварочной ванны по сравнению со сваркой под флюсом позволяет сваривать за один проход детали значительных сечений (до нескольких квадратных метров); это обусловило широкое распространение электрошлаковой сварки в тяжелом машиностроении.
Применяемые при электрошлаковой сварке флюсы отличаются высокой электропроводностью в расплавленном состоянии и низ
кими стабилизирующими свойствами по отношению к дуговому разряду. Например, флюс АНФ-1 содержит до 92 % плавикового шпата CaF2, являющегося активным дестабилизатором дуги.
После развития начального дугового разряда расплавленный шлак полностью шунтирует дугу и дуговой процесс переходит в так называемый шлаковый. Температура плавления шлака должна быть выше, чем температура плавления свариваемого металла.
Электрошлаковую сварку обычно ведут на переменном токе при низком напряжении (40...50 В) и рабочих токах до нескольких тысяч ампер. Баланс энергии этого сварочного процесса показан нарис. 3.15.
|
Рис. 3.15. Примерный тепловой баланс при электрошлаковой сварке листов стали толщиной около 100 мм: 1 - плавление проволоки - 23 %; 2 - плавление основного металла - 60 %; 3 - потери на излучение -1,5 %; 4 - потери в кромках - 1,5 %; 5 - перегрев металлической ванны - 9 %; 6 - нагрев ползунов 2,5 * 2 = 5 % |
Вследствие большой поверхности контакта теплоносителей - шлаковой и металлической ванн - с основным металлом плотность тепловых потоков в металл невысока, поэтому для электрошлаковой сварки необходима более высокая удельная энергия (от 100 до 200 кДж/см2), чем для большинства способов дуговой сварки.
Химическая реакция взаимодействия оксидов железа с алюминием (алюмотермическая реакция) протекает с большим выделением теплоты по следующему уравнению:
ЗРезС>4 + 8А1 —* 4AI2O3 + 9Fe + 3242 кДж.
Такая реакция реализуется в технике при сжигании смесей алюминиевого порошка и железной окалины, получивших название термитов. Сравнительная простота осуществления алюмо - термической реакции и доступность применяемых материалов положили начало широкому применению термитов в промышленности, особенно в металлургии и для сварочных процессов.
При термитной сварке сначала производят поджиг термита, происходит его сгорание, а затем разделка кромок обычно заполняется жидким металлом, образующимся в результате алюмотер- мической реакции. Разогрев и плавление кромок свариваемых деталей при термитной сварке осуществляются за счет теплосодержания жидкого присадочного металла, поэтому его объем выбирают в 2-3 раза большим, чем это необходимо для заполнения разделки.
Одно из основных достоинств процесса термитной сварки - простота осуществления в полевых условиях, что обусловило его применение для сварки рельсов, контактной сети железных дорог и некоторых строительных конструкций.
