ELEKTROSTRUSKÉ SVAŘOVÁNÍ, Schéma procesu elektrostruskového svařování – Příručka svářečského technika

Tato metoda je široce používána v průmyslu pro spojování kovů se zvýšenou tloušťkou: oceli a litiny různého složení, mědi, hliníku, titanu a jejich slitin. Mezi výhody metody patří možnost svařit kov téměř libovolné tloušťky v jednom průchodu, což nevyžaduje odstraňování strusky a vhodné nastavení svařovacího zařízení před svařováním následného průchodu, jako u jiných metod svařování. V tomto případě se svařování provádí bez zkosení hran. Pro svařování lze použít jednu nebo více drátových elektrod nebo elektrod jiného většího průřezu. V důsledku toho je dosaženo vysoké produktivity a účinnosti procesu, které se zvyšují s rostoucí tloušťkou svařovaného kovu.

Mezi nevýhody metody patří skutečnost, že elektrostruskové svařování je technicky možné s tloušťkou kovu větší než 16 mm a až na vzácné výjimky je ekonomicky výhodné při svařování kovu silnějšího než 40 mm. Metoda umožňuje svařování pouze svislých švů. Při svařování některých kovů vyžaduje vznik nepříznivých struktur ve svarovém kovu a v blízkosti svaru následné tepelné zpracování pro dosažení potřebných vlastností svarového spoje. Tavidla roztavená elektrickým obloukem tvoří strusky, které jsou vodiči elektrického proudu. Strusková lázeň je setrvačný nelineární aktivní elektrický odpor. Pokud se konec elektrody ponoří do struskové lázně, bude struskou protékat proud a uvolní se teplo, které zahřeje svařované okraje. To je základ elektrostruskového svařování (obr. 6.1). Elektroda a základní kov jsou elektricky spojeny struskovou lázní. Teplo uvolněné ve struskové lázni ji přehřívá nad bod tání kovu. V důsledku toho se kov elektrody a okraje základního kovu taví. Tekutý kov, který má vyšší hustotu než struska, stéká dolů a vytváří svarovou lázeň tekutého kovu. Struska a kov Obr. 6.1.Schéma elektrostruskového svařování:И_м A /?_в — hloubka kovových a struskových lázní; В — šířka švu;

• 1 — elektroda; 2 — obecný kov; 3 – vodou chlazená tvářecí zařízení z mědi; 4– svarový šev; 5 – kov; 6– svařovací lázeň;
• 7— strusková lázeň

Lázně jsou chráněny před únikem speciálními měděnými vodou chlazenými tvářecími zařízeními. Kov krystalizující ve spodní části kovové lázně vytváří svar, jehož povrch je pokryt tenkou struskovou krustou, která tvoří oddělovací vrstvu mezi kovovou lázní a povrchem chladicího zařízení. Díky tomu nedochází k přímému kontaktu tekutého kovu s povrchem tvářecího zařízení a svarový kov není nasycen mědí. Strusková lázeň chrání roztavený kov před přímou interakcí se vzduchem, čímž zajišťuje oxidačně-redukční reakce a zušlechťování svarového kovu od nekovových a plynových vměstků. Spotřeba tavidla v tomto případě obvykle nepřesahuje 5 % hmotnosti svarového kovu. Vzhledem k malému množství strusky dochází k legování svarového kovu přídavným materiálem. Svar se vytváří kontinuálně díky konstantnímu podávání elektrody rychlostí K._э, jeho roztavení a vyplnění mezery mezi díly tekutým kovem, čímž se strusková lázeň posune směrem nahoru rychlostí svařování V_CR. Vznik svaru je ovlivněn mnoha faktory, z nichž nejdůležitější jsou tepelný příkon a tepelný cyklus, určený svařovacím režimem.

Celkový tepelný výkon uvolněný ve struskové lázni se určí podle vzorce

kde U- úbytek napětí na prodloužení elektrody ve struskové lázni, V; 1 — síla svařovacího proudu, A.

Až 23 % uvolněného tepla se spotřebuje na tavení elektrody, až 60 % na tavení základního kovu a až 5 % na tavení tavidla. Ztráty tepla sáláním, odvodem do tvářecích zařízení a do základního kovu činí 12 %. Pokud se uvolněné teplo rovná teplu odevzdanému, proces probíhá stabilně. Pokud je uvolněného tepla nadbytek, strusková lázeň se přehřeje, začne vařit a stabilita procesu se naruší. Pokud je tepla málo, lázeň se ochladí, struska ztrácí elektrickou vodivost a proces svařování se zastaví.

Při ustálené tepelné rovnováze vytváří zdroj tepla ve svařovaném výrobku kvazi-stacionární (neměnné, pohybující se společně se svařovací zónou) teplotní pole, jehož parametry závisí na výkonu zdroje tepla, rychlosti jeho pohybu a termofyzikálních vlastnostech základního materiálu. Toto pole vytváří během tepelného svařování (ESW) poměrně širokou tepelně ovlivněnou zónu, jejíž šířka se zvětšuje se zvyšujícím se výkonem zdroje tepla, stejně jako se snižující se rychlostí svařování. Tepelný cyklus ESW se vyznačuje pomalým ohřevem a ochlazováním základního kovu, což vede k přehřátí svarové zóny a růstu zrn, což v konečném důsledku určuje kvalitu svarového spoje jako celku. Například při ESW nízkouhlíkové oceli o tloušťce 200 mm se svařované hrany základního kovu zahřívají do hloubky 50 mm na teplotu přes 800 °C. Doba setrvání jednotlivých úseků svarové zóny při této teplotě při průměrné rychlosti ochlazování 0,2. 0,8 °C/s je od 1 do 20 minut. Tento typ tepelných cyklů na jedné straně snižuje riziko vzniku trhlin v zóně ovlivněné svarem a na druhé straně vede k růstu zrn a vzniku struktur s nízkou plasticitou. Obzvláště prudce se snižuje rázová houževnatost. To je hlavní nevýhoda elektrosvarového svařování (ESW). Proto je po svařování zpravidla nutné vysokoteplotní zpracování hotového výrobku, zejména při spojování legovaných ocelí velkých tlouštěk.

Při ESW (elektrickém svařování svarem) je nutné usilovat o snížení přehřívání svarové zóny a o snížení růstu zrn v ní. Toho lze dosáhnout použitím vícevrstvého ESW, které umožňuje snížit růst zrn v svarové zóně a zbrousit je v důsledku ohřevu a ochlazování při nanášení následných vrstev. Další možností je lokální následné nebo souběžné tepelné zpracování svarového spoje přídavným zdrojem tepla (kyslíkový plamen, vysokofrekvenční induktor) nebo umělé chlazení svaru a svarové zóny během svařování.

Elektrostruskové svařování lze provádět třemi způsoby, z nichž každý má své vlastní charakteristiky a oblast použití. Jedním z nich je svařování drátovými elektrodami o průměru 3 mm, přiváděnými do svařovací mezery speciálními tryskami s měděnými sběrnými hroty (obr. 5, ). Do struskové lázně se najednou přivádějí až tři elektrodové dráty, což umožňuje použití třífázových zdrojů energie. Protože se teplo ve struskové lázni uvolňuje převážně v oblasti elektrody, je maximální tloušťka svařovaného kovu při použití jednoho elektrodového drátu obvykle 60 mm, tří – až 200 mm. Pokud se tryskám v mezeře přizpůsobí vratný pohyb rychlostí V_K, pak může být tloušťka svařovaných hran 2,5krát větší.

Obr. 6.2. Metody elektrostruskového svařování: а — drátové elektrody; b – deskové elektrody; в – s tavícím se náustkem

Další metodou je svařování elektrodami s velkým průřezem, které se zavádějí do svařovací mezery (obr. 6.2, b). Elektrody mohou být pásky o tloušťce 1 mm nebo destičky o tloušťce

10. 12 mm a délce rovnající se trojnásobku délky švu. Při použití třífázových zdrojů proudu nelze ke svařování použít více než tři elektrody současně. Jedna desková elektroda se používá pro svařování kovu o tloušťce do 200 mm a tři elektrody pro svařování kovu o tloušťce do 800 mm s jejich rychlostí posuvu У_э – 1,2. 3,5 m/h.

Obě tyto metody jsou vhodné pro svařování dílů relativně malé tloušťky. Jejich nevýhody jsou obzvláště výrazné, pokud je tloušťka svařovaných hran větší než 800 mm. Přítomnost pohyblivých trysek nebo desek ve svařovací mezeře může vést ke zkratům na hranách dílu, což narušuje stabilitu svařovacího procesu. Rychlé opotřebení sběrných trubek trysek komplikuje a zvyšuje náklady na údržbu svařovací jednotky a také negativně ovlivňuje stabilitu procesu. Krátká délka deskových elektrod omezuje délku svarů.

Podle třetí metody se svařování provádí tavnou tryskou ve stacionární poloze ve svařovací mezeře (obr. 6.2, in). Nedostatek přídavného materiálu potřebného k vytvoření švu je kompenzován podáváním elektrodových drátů o průměru 3 mm kanály vyrobenými z tenkostěnných trubek nebo ve formě pevně vinutých spirál svařovacího drátu. Jednou tryskou lze najednou podat až šest elektrodových drátů. Taková tryska svařuje kov o tloušťce až 500 mm, dvě trysky až 1000 mm, tři až 1500 mm atd. Tato metoda rozšiřuje možnosti elektrodového svařování svařováním (ESW) a eliminuje nevýhody dvou předchozích metod. Při použití ESW s tavitelnými tryskami je možné spojovat díly jakékoli tloušťky a složitého tvaru průřezu.

Hrany pro ESW se obvykle řežou v pravém úhlu. Při svařování válcovaných kovových výrobků se čelní plochy hran připravují tepelnými metodami dělicího řezání a u dílů vyrobených z odlitků, výkovků a také z legovaných ocelí mechanickým zpracováním (soustružením, frézováním nebo drážkováním).

Někdy se při elektrosvarovém opracování (ESW) odlitků nemusí jejich hrany vůbec zpracovávat. Mezera pod ESW, vytvořená mezi dvěma svařovanými hranami, je jedním z nejdůležitějších technologických parametrů. Rozlišuje se mezi vypočítaným a montážním opracováním.

Obr. 6.3. Montáž dílů pro svařování: а — smontované díly; б – tvary montážních konzol;

• 1 — díly určené ke svařování; 2 – vstupní kapsa; 3 – výstupní kapsa;
• 4 – montážní konzoly; Ь_виЬ_н– montážní mezery; y je úhel otevření spoje;

Н — délka spoje částí

mezery. Konstrukční mezera je regulována výkresem svařované konstrukce a montážní mezera je stanovena technologickým procesem a zohledňuje deformace během svařování.

Pro kompenzaci deformace spojené s úhlovým natočením součástí během svařování je montážní mezera vytvořena klínovitě a rozšiřuje se směrem nahoru (obr. 6.3). Úhel otevření mezery je určen spodní a horní montážní mezerou. (b_в и Ь_н) a délku spoje částí N:

V závislosti na jakosti oceli, metodě ESW, jejím režimu a podmínkách upevnění se volí y = 1 (2-0 rad).

Spojení svařovaných dílů během montáže se provádí pomocí konzol přivařených podél spoje každých 500-1000 mm. Dole, na začátku spoje, je instalována tzv. vstupní kapsa pro ředění struskové lázně a nahoře výstupní kapsa pro odstranění smršťovací drobivosti vytvořené na konci švu. Po svařování se kapsy odříznou plynovým řezáním. Při elektrosvařování podobných výrobků jsou vstupní a výstupní kapsy vyrobeny z mědi chlazené vodou.

Hlavními parametry režimu elektrostruskového svařování jsou svařovací proud, napětí na elektrodách a rychlost svařování. Změna těchto parametrů ovlivňuje rozměry svarové lázně a švu. Rozměry lázně se odhadují podle její šířky. е a hloubka h. Konvexnost švu je určena rozměry tvarovacích zařízení.

Se zvyšující se silou proudu se hloubka lázně zvětšuje a má závislost téměř lineární. Proud je hlavním parametrem, kterým se mění hloubka lázně v požadovaných mezích. Změna proudu má malý vliv na šířku lázně.

Změna napětí na elektrodě má velký vliv na šířku kovové lázně. Závislost je lineární. V praxi se šířka lázně a švu mění v požadovaných mezích regulací napětí na elektrodě (elektrodách). Se zvyšujícím se napětím se poněkud zvětšuje i hloubka kovové lázně.

Změna rychlosti svařování pro udržení stability procesu vyžaduje změnu dalších parametrů procesu, zejména svařovacího proudu. S rostoucí rychlostí svařování se zvětšuje hloubka lázně. Její šířka se mění podle složitějšího vztahu, který má maximum.

Mezi další parametry režimu elektrostruskového svařování patří velikost mezery, rychlost podávání elektrody, počet elektrod a jejich průřez, hloubka struskové lázně, složení tavidla atd. Jejich vliv na rozměry svarové lázně a švu je slabší. Pro udržení stability procesu vyžaduje změna rychlosti podávání elektrody odpovídající změnu síly proudu. V důsledku toho se se zvyšující se rychlostí podávání elektrody zvětšuje i hloubka kovové lázně.

Pokud je hloubka nedostatečná, zvyšuje se pravděpodobnost vzniku obloukového výboje uvnitř lázně nebo na jejím povrchu. Hloubka struskové lázně se udržuje v rámci

Při elektrostruskovém svařování musí být zachována rovnost výkonu uvolněného ve struskové lázni a výkonu potřebného k vytvoření svarové lázně a švu. Stabilita procesu se zvyšuje při použití zdrojů střídavého proudu s nízkým vnitřním odporem (pevná voltampérová charakteristika).