Электрошлаковая сварка

Вариант №3

Задание№1. Нарисуйте и опишите схему строения металлического слитка. Объясните процесс образования отдельных зон.

Задание№2. Кратко опишите технологический процесс. Укажите его разновидности, оборудование, материалы, параметры режима, преимущества, недостатки и область применения. Приведите примеры практического использования процесса с указанием и расшифровкой марок стали. Дайте необходимые схемы: электрошлаковой сварки.

Задание№3. Охарактеризуйте предложенные марки сталей с указанием химического состава, качества, степени раскисления, назначения, категории, микроструктуры в равновесном состоянии, предполагаемые виды термообработки и свариваемость: Ст1кп; 65Г; 16Г2АФД; ХГС.

Задание№4. Изобразите схему автоматической сварки в среде аргона плавящимся электродом и опишите сущность процесса. Укажите особенности и достоинства сварки в среде защитных газов. Разработайте процесс сварки сосуда (рис.а,б,в) из стали 12Х18Н10Т.

 

Укажите тип соединения и форму разделки кромок под сварку. Дайте эскиз сечения с указанием  его размеров. Выберите марку и  диаметр электродной проволоки. Подберите режим сварки. Укажите  вылет электрода, род тока и полярность. По  размерам шва подсчитайте  массу наплавленного металла. Определите расход электродной проволоки с  учетом потерь: защитного газа, электроэнергии и время сварки изделия. Укажите  методы контроля качества сварного шва.

Задание№1.

Строение  металлического слитка

Кристаллы, образующиеся в  процессе первичной кристаллизации, могут иметь различную форму  в зависимости от скорости охлаждения, направления теплоотвода, а также  от содержания примесей.

Первичный древовидный кристалл называется дендритом.

Максимальная скорость роста  кристаллов наблюдается по таким  плоскостям и направлениям, которые  имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные  ветви, которые называются осями  первого порядка (рисунок 1). На осях первого порядка появляются и начинают расти ветви второго порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендрита.

1, 2 и 3 – оси  первого, второго и третьего  порядка

Рисунок. 1 – Схема строения дендрита

 

При заливке жидкого металла  в форму и последующей кристаллизации получается слиток, отдельные зоны которого отличаются микроструктурой. Схема строения металлического слитка приведена на рисунке 2.

1 – мелкозернистая  корка; 2 – столбчатые кристаллы  (дендриты); 3 – крупные равноосные  кристаллы; 4 – усадочная раковина

Рисунок 2 – Схема  строения металлического слитка

Структура литого слитка состоит из трех основных зон:

 Первая зона — наружная мелкозернистая корка 1, состоящая из неориентированных мелких кристаллов — дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы (форма, куда заливают жидкий металл) в тонком прилегающем слое жидкого металла возникают большой градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого числа центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.

Вторая зона слитка — зона столбчатых кристаллов 2. После образования самой корки условия теплоотвода меняются, градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из-за небольшого числа центров кристаллизации начинают расти в направлении теплоотвода столбчатые кристаллы. С увеличением перегрева расплава в момент начала заливки происходит, как правило, расширение зоны столбчатых кристаллов.

Третья зона слитка — зона крупных равноосных кристаллов 3. В центре слитка уже нет определенной направленности отвода тепла. В результате образуется крупная равноосная структура.

Жидкий металл имеет больший  объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации уменьшается  в объеме, что приводит к образованию  пустот, называемых усадочными раковинами 4. Верхнюю часть слитка с усадочной  раковиной отрезают. В слитках  небольших размеров зона 3 может отсутствовать. Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, называется транскристаллизацией.

Слитки сплавов, особенно высоколегированных, имеют неоднородный химический состав.

Неоднородность по химическому  составу называется ликвацией.

Ликвация может быть зональная (различная концентрация элементов  по зонам сечения слитка), гравитационная (образуется в результате разницы  в удельных весах твердой и  жидкой фазы, а также при кристаллизации несмешивающихся жидких фаз), дендритная (более тугоплавкие и чистые элементы образуют оси 1-го порядка, менее тугоплавкие  — 2-го и 3-го порядка, а самые легкоплавкие и содержащие примеси — заполняют  межосное пространство).

Возможность измельчения  кристаллического зерна в стальных слитках и улучшения свойств  стали в результате перемешивания  расплава или сотрясения изложницы  была предсказана Д. К. Черновым. При  перемешивании расплава магнитным  полем, воздействии ультразвуковых колебаний и низкочастотной вибрации на процесс кристаллизации облегчается выделение газов, более равномерно распределяются неметаллические включения по сечению слитка, значительно увеличивается плотность и улучшаются механические свойства литой стали.

На практике стараются  получить металл с мелким зерном, который  имеет, как правило, лучшие эксплуатационные свойства. Получить мелкое зерно можно, увеличивая число центров кристаллизации или уменьшая скорость их роста.

Добавки, специально вводимые в жидкий металл для получения  мелкозернистой структуры, называются модификаторами, а технологическая  операция — модифицированием.

По механизму  действия их подразделяют на модификаторы I и II рода.

К модификаторам I рода относят  такие, которые образуют в расплаве высокодисперсную взвесь. Частицы этой взвеси служат зародышами, вокруг которых  образуются и растут кристаллы. Для  металлических расплавов такими модификаторами могут быть тугоплавкие  металлы или их соединения, частицы  которых находятся во взвешенном состоянии в предкристаллизационный период. К ним относятся, например, Ti, V, В, Al, Zr, Nb и их нитриды.

В качестве модификаторов  при модифицировании алюминиевых  сплавов применяют Ti, V, Zr; стали — Al, V, Ti; чугуна — Mg, Zr.

К модификаторам II рода относят  элементы или их соединения, которые  адсорбируются на гранях зарождающихся  кристаллов и тормозят их рост. Адсорбция  не происходит на всех гранях равномерно, в результате чего происходит задержка в развитии отдельных граней кристалла, что приводит к изменению его  формы.

Кроме того, замедление скорости роста кристалла сопровождается увеличением числа центров кристаллизации, что способствует измельчению зерна.

Хорошими модификаторами стали являются Na, К, Rb, Ba, редкоземельные элементы (РЗМ). Алюминиевые сплавы (силумины) приобретают мелкозернистое строение и лучшие механические свойства (повышается пластичность) после обработки  сплава в жидком состоянии фтористым  натрием (NaF) или легкоплавким тройным  модификатором 25 % NaF + 62,5 % NaCl + 12,5 % KCl.

Процесс кристалиизации Складывается из 2х процессов: 1) зароддение мельчайших частиц, называемых центрами кристаллизации (зародышами) 2) рост кристаллов из этих зародышей При температурах, близких  к температурам кристаллизации, в  жидком металле возможно образование  микрообъемов, в которых атомы "упакованны" так же как в будущем кристалле. Такие группировки атомов в жидком металле называются фазовыми (гетерогенными) флуктуациями, которые и являются центрами кристаллизации. 

Структура слитка, определяемая различной  скоростью охлаждения, состоит из трех основных зон: мелкокристаллической поверхностной зоны, зоны – столбчатых кристаллов и зоны равноосных кристаллов, расположенных в центре слитка. Химический состав отдельных зон слитка несколько  отличается от состава жидкого сплава. Неоднородность слитка по химическому  составу называется зональной ликвацией.

В некоторых случаях (малые объемы отливок, большая скорость охлаждения и т. д.) затвердевание заканчивается  образованием столбчатых кристаллов, встречающихся по оси слитка. Это  явление называется транскристаллизацией. По линии встречи фронтов кристаллизации образуются плоскости слабины с  пониженными механическими свойствами. В процессе последующей ковки  или прокатки может произойти  разрушение слитка по плоскостям слабины. Поэтому для малопластичных металлов и стали явление транскристаллизации  нежелательно.

В последнее время для улучшения  структуры слитков при кристаллизации пользуются ультразвуком.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание№2.

Электрошлаковая сварка

Описание процесса (рис. 3). Шлаковая ванна 3 образуется в результате расплавления сварочного флюса. В течение всего процесса глубина шлаковой ванны, находящейся в зазорe между свариваемыми кромками, закрытыми с боков формирующими водоохлаждаемыми устройствами 2 (ползунами, накладками) или остающимися стальными пластинами, сохраняется, как правило, постоянной. Сварочный ток, проходя через шлаковую ванну 3 между погруженными в нее электродами (проволочными 1, пластинчатым 7 или плавящимся мундштуком 6) и металлической ванной 4, поддерживает высокую температуру и электропроводность шлака. Металлическая ванна 4, кристаллизуясь, образует сварной шов 5.

Рис. 1. Схема электрошлаковой сварки : а - проволочными электродами ; б - плавящимся мундштуком; в - электродом большого сечения; г - поперечное сечение зазора; h_м, h_ш - глубина металлической и шлаковой ванн соответственно.

Электрошлаковая сварка применяется  при сварке прямолинейных, криволинейных  и кольцевых швов. Минимальная  толщина деталей, образующих стыковое соединение при ЭШС без технологических затруднений, находится в пределах 25—30 мм. Экономически целесообразнее использовать ЭШС при изготовлении толстостенных конструкций, а также при изготовлении конструкций из низко- и среднеуглеродистых, низко-, средне- и высоколегированных сталей, чугуна и цветных металлов (алюминия, титана). Кроме того, ЭШС применяют для наплавки различных сплавов на низкоуглеродистые и низколегированные стали.

Электрошлаковой сваркой  могут быть выполнены стыковые, угловые  и тавровые соединения с конфигурацией  шва: прямолинейной, кольцевой, переменного  сечения, переменной кривизны.

Самым распространенным и  простым с точки зрения техники  сварки является стыковое соединение. Угловые и тавровые соединения встречаются  реже, поскольку по технологическим  или конструктивным соображениям их заменяют стыковыми соединениями.

Разновидности процессов электрошлаковой сварки.

Существуют три основные разновидности электрошлаковой  сварки и наплавки: сварка проволочными электродами; плавящимся мундштуком; сварка электродами большого сечения.

Сварка проволочными электродами применяется в промышленности наиболее широко и имеет такие основные разновидности : одной, двумя, тремя электродными проволоками бeз колебаний; то же, c колебаниями (см . риc . 1, а) проволочными электродами бeз введения мундштука в зазор.

Проволочными электродами  чаще всего выполняют протяженные  или кольцевые сварные соединения металла толщиной 20...500 мм . Число  электродных проволок выбирают исходя из толщины свариваемого металла : толщиной до 50 мм обычнo сваривают одним неподвижным  электродом: если металл толщиной >50 мм, то при его сварке электроды  совершают в сварочном зазорe колебательные движения.

Сварка плавящимся мундштуком (см. рис. 1, б) - наиболее универсальный способ, которым можно сваривать детали толщиной 20 .. .3000 мм, в том числе детали, имеющие переменную толщину и криволинейную форму.

Плавящийся мундштук представляет собой набoр пластин или стержней, которыe снабжены каналами для подaчи электродной проволоки. В частнoм  случае плавящимся мундштуком может  быть толстостенная трубка с внутренним диаметром, на 1. . .2 мм превышающим диаметр  электродной проволоки. Форма плавящегося  мундштука определяется конфигурациeй  свариваемого стыка, a материал, как  правило, подобeн основному металлу  изделия или же выбирается в зависимости oт требований, предъявляемых к  химсоставу металла шва. Широкое распространениe получил мундштук c каналами для подaчи электродной проволоки в видe спиралей, навитыx из сварочной проволоки.

Электрошлаковая сварка электродами большого сечения (см. рис. 1, в) включает сварку однoй, двумя или тремя пластинами сплошногo сечения или c продольными разрезами, подключенными к общeму или отдельным источникам сварочного тока. Электроды могут подключаться к источнику питания по трехфазной или бифилярной схеме (рис. 2 и 3). Пластинчатые электроды чаще всего применяются при сварке прямолинейных швов длиной ≤1500 мм металла толщиной >30 мм. Толщина пластинчатых электродов обычно 10... 15 мм , пpи сварке алюминия и его сплавов 20.. .25 мм и при сварке металла толщиной дo 2000 мм с бифипярным подключением электродов достигает 60. .. 100 мм.

Рис. 2. Схема трехфазного  подключения электродов большого сечения  к источнику питания.

Рис. 3. Бифилярная схема подключения электродoв  к источнику питания: 1 - подвижные  электроды; 2 - неподвижные электроды ; 3 - устройство, формирующее наружную поверхность шва ; 4 - ковш со шлаком ; 5 - сифон.