ESW: Wprowadzenie, konfiguracja i aplikacje

Po przeczytaniu tego artykułu dowiesz się o: - 1. Wprowadzeniu do spawania elektrodą (ESW) 2. Materiałach potrzebnych do spawania elektrodą (ESW) 3. Obwodzie i konfiguracji 4. Stawki osadzania 5. Spoina projektowa złącza 6. Struktura spoiny i Właściwości 7. Aplikacje.

Wprowadzenie do spawanie elektrodą:

Spawanie elektrodrążowe jest procesem zgrzewania zespolonego do łączenia grubych elementów za pomocą pojedynczego przejścia. Proces ten NIE jest procesem spawania łukowego, chociaż większość konfiguracji jest podobna do zwykłych procesów spawania łukowego, a do zainicjowania procesu wymagane jest wyładowanie łukowe, a także może nastąpić później, gdy zakłócona zostanie stabilność procesu.

Ciepło powstaje w wyniku przepływu prądu przez stopiony żużel, który zapewnia niezbędny opór zastępujący opór łuku. Proces ma właściwości, które przypominają procesy odlewania, ale w tym przypadku dwie strony ścianki formy topią się, aby połączyć dodatkowy stopiony metal. Charakterystyczną cechą tego procesu jest jego pionowy ruch w górę w większości przypadków. Może wykorzystywać jedną lub więcej elektrod w zależności od grubości pracy.

Wynalazek procesu w 1951 r. Został zapisany w Paton Welding Institute w Kijowie (ZSRR) oraz w niektórych późniejszych pracach Instytutu Spawalnictwa w Bratysławie (Czechosłowacja). Obecnie proces ten jest stosowany na całym świecie do spawania grubościennych elementów, takich jak zbiorniki ciśnieniowe, obudowy turbin, ramy maszyn itp.

Proces ten eliminuje problemy związane z wielospadowymi spoinami i prowadzi do ekonomicznych spawów przy dużej prędkości spawania i bez zniekształceń kątowych. Nie ma górnej granicy grubości, którą można spawać w tym procesie, chociaż 50 mm jest zwykle dolną granicą dla ekonomicznej pracy.

Chociaż żeliwo, aluminium, magnez, miedź, tytan itp. Mogą być spawane w ten sposób, ale producenci stali są głównymi użytkownikami. Stal spawana metodą spawania elektrodą może obejmować stale węglowe i niskostopowe, stale wysokostopowe, stale odporne na zużycie i korozję.

Materiały wymagane do spawania elektrożużlowego:

Oprócz materiału roboczego, inne wymagane materiały eksploatacyjne to drut elektrody i strumień. Materiały spawalnicze można skutecznie wykorzystać do kontrolowania składu metalu spoiny, a tym samym jego właściwości mechanicznych i metalurgicznych.

1. Elektrody:

Zasadniczo stosuje się dwa typy elektrod tj. Stałe i rdzeniowe. Chociaż elektrody stałe są bardziej popularne, elektrody z rdzeniem metalowym umożliwiają regulację składu metalu wypełniacza do spawania stali stopowych poprzez dodanie stopów (np. Żelazomangan, żelazo-krzem itp.) W rdzeniu i pomagają w uzupełnianiu strumienia w stopionej kąpieli .

W spawaniu elektrodrą stali węglowych i stali HSLA drut elektrodowy zwykle zawiera mniej węgla niż metal nieszlachetny. Zapobiega to pękaniu stopiwa stali zawierającej węgiel do 0-35%. Jednak druty elektrodowe używane do spawania. Stale do stali zwykle pasują do składu metalu podstawowego. Spawy elektrodrążowe w stalach stopowych są zwykle poddawane obróbce cieplnej w celu osiągnięcia pożądanych właściwości spoiny metalowej, a kompozycja drutów HAZ i elektrod dopasowujących zapewnia podobną reakcję na takie obróbki z różnych części spawanego elementu.

Spawy elektrodrążowe z powodu przygotowywania kwadratowych krawędzi zwykle mają duże rozcieńczenie w zakresie od 25 do 50%. Przy dopasowaniu drutu elektrodowego nie ma to większego znaczenia, ponieważ metal z elektrody i stopiony metal podstawowy mieszają się dokładnie, aby zapewnić niemal jednolity skład chemiczny w całym tekście.

Drut elektrodowy dla F.SW zwykle ma średnicę od 1, 6 do 4, 0 mm; jednak bardziej popularne są druty o średnicy 2, 4 i 3, 2 mm. Przewody te są dostarczane w formie szpulowej, a szpule różnią się wielkością i ważeniem maksymalnie do 350 kg; ale najbardziej popularne opakowanie waży około 25 kg.

2. Strumień:

Topnik jest prawdopodobnie najważniejszym materiałem eksploatacyjnym ESW. W stanie stopionym przekształca energię elektryczną w energię cieplną, która pomaga w topieniu drutu elektrodowego i metalu podstawowego w celu utworzenia złącza spawanego. Konieczne jest również zabezpieczenie stopionego metalu spoiny od atmosfery i zapewnienie stabilnej pracy.

Strumień w stanie stopionym jest wymagany do przewodzenia elektryczności, ale jednocześnie powinien zapewniać dostateczny opór przepływowi w celu wytworzenia odpowiedniego ciepła do spawania. Jeśli rezystancja jest mniejsza niż wymagana, powoduje to wyładowanie łukowe. Żużel musi również mieć optymalną lepkość, tzn. Nie powinien być zbyt gruby, aby utrudniać dobre krążenie i powodować włączanie żużla, ani zbyt cienki, aby spowodować nadmierny wyciek.

Temperatura topnienia topnika musi być znacznie niższa od temperatury topnienia metalu podstawowego, a jego temperatura wrzenia musi być znacznie wyższa od temperatury roboczej, aby uniknąć nadmiernych strat, które mogłyby mieć szkodliwy wpływ na charakterystykę pracy. Temperatura robocza dla stali spawalniczych wynosi około 1650 ° C. Stopiony strumień powinien być dość obojętny w stosunku do metalu podstawowego i powinien być stabilny w szerokim zakresie warunków spawania.

Głównymi składnikami strumieni ESW są złożone tlenki krzemu, manganu, tytanu, wapnia, magnezu i aluminium z dodatkiem fluorku wapnia.

Pomijając straty przez wyciek, ilość stosowanego strumienia wynosi około 5 do 10 kg na każde około 100 kg osadzonego metalu. Wraz ze wzrostem grubości płyty lub długości spoiny zużycie topnika spada do 1, 5 kg na około 100 kg osadzonego metalu. Innym przybliżeniem jest około 350 g strumienia na metr pionowy wysokości złącza.

Istnieją dwa rodzaje strumieni zwykle używane w ESW. Jeden nazywa się strumieniem początkowym, a drugi przepływającym strumieniem. Strumień rozruchowy jest tak zaprojektowany, aby szybko ustabilizować proces ESW; ma niską temperaturę topnienia i wysoką lepkość. Szybko topi się i nawilża powierzchnię studzienki, ułatwiając rozruch.

Jest wysoce przewodzący i szybko generuje wysokie temperatury. Niewielka ilość tego strumienia jest używana do rozpoczęcia procesu. Może pomóc w rozpoczęciu procesu bez miski olejowej. Strumień prądu roboczego lub roboczego jest zaprojektowany w celu zapewnienia właściwej równowagi między parametrami roboczymi w celu uzyskania prawidłowego przewodnictwa elektrycznego, temperatury kąpieli i lepkości, tak aby uzyskać pożądaną analizę chemiczną. Płynący strumień może działać w szerokim zakresie warunków.

Stałe elektrody do ESW stali węglowych i HSLA są podzielone na trzy klasy, mianowicie średni mangan (około 1% Mn), wysoki mangan (około 2% Mn) i specjalne klasy. Strumienie ESW są klasyfikowane na podstawie właściwości mechanicznych złoża spawalniczego wykonanego za pomocą określonej elektrody i określonego metalu nieszlachetnego.

Skład strumienia pozostaje w gestii producenta, ale określono dwa poziomy wytrzymałości na rozciąganie dla metalu spoiny: 415-550 MPa i 485-655 MPa; musi być również spełniony minimalny wymóg odporności. Typowy strumień do spawania stali konstrukcyjnej niskowęglowej miałby nominalną analizę głównych składników, jak pokazano w tabeli 11.1.

Dodanie CaF2 zmniejsza lepkość i poprawia przewodność elektryczną stopionego żużla.

Obwód elektryczny i konfiguracja dla ESW:

Obwody elektryczne dla procesu ESW pokazano na rys. 11.5 (a), a odpowiedni schemat dla konfiguracji pokazano na rysunku 11.5 (b).

Współczynniki osadzania spawania elektrodą:

Szybkość osadzania procesu spawania elektrodrążowego należy do najwyższych w każdym procesie używanym do wykonania tej samej pracy. Rys. 11.11 pokazuje szybkości osadzania, na które ma wpływ prąd spawania dla drutów elektrodowych o średnicy 2, 4 mm i 3, 2 mm.

Liczba użytych elektrod jest również ważnym czynnikiem wpływającym na szybkość osadzania w ESW i wynosi około 16 - 20 kg / godzinę na elektrodę. Do pracy przy grubej grubości za pomocą trzech elektrod można odkładać 45 - 60 kg / godz. Metalu spoiny. Przy zastosowaniu odstępu między przegrodami wynoszącego 30 mm szybkość spawania jest pokazana na rys. 11.12. Ciężkie płyty o grubości od 75 do 300 mm są spawane przy prędkościach od 60 do 120 cm / godz.

Połączenie spawane do spawania elektrodą:

Główne typy połączeń, które mogą być spawane w procesie ESW, obejmują dybel, zaokrąglenie, narożnik, przejście, połączenie typu T i spoinę poprzeczną, jak pokazano na rys. 11.13; jednak specjalnie zaprojektowane stopki zabezpieczające są potrzebne do połączeń innych niż połączenia tynkowe, narożne i trójnikowe. Niektóre typowe spoiny zespawane elektrodą przedstawiono na ryc. 11.14.

Przygotowanie krawędzi i dopasowanie:

Przygotowanie krawędzi do spawania elektrodrążowego jest znacznie prostsze niż w przypadku spawania łukowego, a większość przypadków wymaga jedynie cięcia płyt o kwadratowych krawędziach. Dla grubości do 200 mm można to zrobić za pomocą oksy-acetylenowych maszyn do cięcia płomieniem. Ponieważ spawanie elektrodrążowe zapewnia głęboką penetrację, gładkość przyciętych krawędzi jest niewielka; Wykopane na zewnątrz rowki o głębokości 2-3 mm można łatwo pomieścić bez żadnych skutków ubocznych. Jednak w grubszych sekcjach, takie rowki, zwane przegrzebkami, często rosną na głębokości, co wymaga obróbki skrawanych krawędzi.

Aby dopasować części do ESW, zwykle używa się zacisków typu U, jak pokazano na rys. 11.15. Są one przyspawane spoiną po tylnej stronie złącza. Zaciski w kształcie litery U są stosowane do zapewnienia swobodnego ruchu bloków ustalających z miedzi lub do przejścia wózka bez obciążenia. Czasami zaciski typu U można zastąpić pasami, które usuwa się za pomocą uderzeń młotkiem lub palnikiem do cięcia gazowego, gdy zbliża się głowica spawalnicza.

Aby dopasować części do ESW, konieczne jest zachowanie zaprojektowanej szczeliny. Jednak zwykle przyjmuje się, że istnieje różnica między szczeliną projektową a szczeliną dopasowania. Luka projektowa jest często uważana za założoną wielkość używaną do obliczania wymiarów gotowego spawu i jest mniejsza niż szczelina dopasowania o wielkość skurczenia osadzonego metalu. Szczelina dopasowania jest odległością pomiędzy powierzchniami zespalającymi, zmontowanymi do spawania.

Zwykle zmienia się wzdłuż tego samego stawu. Zasadniczo zwiększa się o 2 - 5 mm na każdy metr długości złącza podczas przesuwania się w górę wzdłuż szwu. Z tak dopasowaną szczeliną dopasowania, faktyczna szczelina po spawaniu i kurczeniu wychodzi jednolicie wzdłuż całej długości złącza i jest równa szczelinie projektowej. Sugerowane wartości szczeliny projektowej i dopasowania podano w tabeli 11.3, a na rys. 11.16 pokazano typowe dopasowanie dla ESW.

Niektóre sugerowane zestawy zmiennych dla ESW zestawiono w tabeli 11 .4 .:

Struktura spawania i właściwości spawania elektrożużlowego:

Spawanie elektrodrążarką stosuje się głównie do stali spawalniczych, chociaż stale Q & T (Hartowane i Hartowane) zwykle nie są łączone przez ten proces. Temperatura osiągnięta w bezpośrednim obszarze spawania wynosi około 1925 ° C. Ta wysoka temperatura z przedłużonym cyklem termicznym daje metalową strukturę spoiny składającą się z dużych uprzednich ziaren austenitu z kolumnowymi zestaleniami o grubych ziarnach, które wytwarzają kruche porcje w gotowym produkcie.

Zwykle pożądane jest normalizowanie metalu spoiny przez ogrzewanie do około 40 ° C powyżej dolnej temperatury transformacji materiału roboczego, a następnie powolne chłodzenie. To znacznie poprawia własności stali węglowych i niskostopowych, w szczególności ich odporność na kruche pękanie i propagację.

Resztkowe wzorce naprężeń powstające w stanie spawania są całkiem korzystne, jak pokazano na rys. 11.17. Zwykle nie powstają żadne zniekształcenia kątowe w złączach E5W ze względu na symetrię większości takich spoin (kwadratowe złącze w jednym przejściu). Wytrzymałość na rozciąganie spawów stalowych wynosi od 380 MPa do 420 MPa.

Zastosowania spawania elektrożużlowego (ESW):

Główne obszary zastosowania procesu ESW obejmują spawanie konstrukcji, maszyn, statków, zbiorników ciśnieniowych i odlewów.

Spawanie spoin czołowych typu przejściowego do łączenia różnych grubości jest powszechną aplikacją strukturalną ESW. Innym szerokim zastosowaniem w tym obszarze jest spawanie usztywnień w kolumnach skrzynkowych i szerokich kołnierzach; we wszystkich tych przypadkach spoina usztywniająca byłaby spoiną typu "T".

Łączenie dużych, szerokich belek kołnierzowych jest kolejnym imponującym zastosowaniem ESW, a jeszcze innym powszechnym zastosowaniem ESW jest spawanie kołnierzy, to jest zgrzewanie doczołowe płyt o tej samej grubości.

W produkcji maszyn, za pomocą ESW wykonuje się produkcję dużych pras i obrabiarek wymagających ciężkich i dużych płyt. Zastosowania specjalne obejmują zastosowanie w piecach, półfabrykatach przekładni, ramach silników, ramach pras, pierścieniach turbiny, korpusach kruszarek i felgach do walców drogowych.

Wielkogabarytowe bloki lochy, jak pokazano na ryc. 11.18, są stosowane w prasach do obróbki metali o wysokiej wytrzymałości, zwłaszcza tytanu, ponieważ zwiększa to dokładność wymiarów tłoczeń. Blok lochowy to pryzmat czworościenny o wysokości 1800 mm i wadze około 140 ton.

Wykonuje się go przez zgrzewanie trzech odkuwek ze stopu (0, 25 C - Cr - 3 Ni - Mo - V). Kształt, rozmiar i waga bloku loch nie pozwala kucie po spawaniu, aby zapewnić pożądane właściwości mechaniczne w połączeniach spawanych. Osiąga się to dzięki skomplikowanemu cyklowi obróbki cieplnej, jak pokazano na ryc. 11.19.

Spawanie elektrodrąglowe jest popularne w produkcji grubościennych zbiorników ciśnieniowych dla przemysłu chemicznego, naftowego, morskiego i energetycznego, ale obróbka po spawaniu jest niezbędna w tym zastosowaniu, aby przywrócić ciągliwość wcięć, która jest często tracona z powodu powolnych cykli chłodzenia ESW w strefie wpływów.

ESW służy również do wykonywania połączeń rur rozgałęźnych do grubościennych naczyń oraz do spawania występów do podnoszenia naczyń.

Atrakcyjną cechą ESW jest to, że zniekształcenie można przewidzieć i wyjaśnić. To sprawiło, że jest ona popularna szczególnie w budownictwie okrętowym, gdzie pionowe połączenia kadłubów dużych tankowców zostały pomyślnie spawane.

Aby obniżyć koszty i poprawić jakość, wiele dużych i trudnych do odlewania elementów jest wytwarzanych w mniejszych jednostkach o wyższej jakości, a następnie spawane elektrodrąglem. Charakterystyka metalurgiczna spoiny odlewniczej i elektrodrążowej jest podobna, obie reagują na obróbkę cieplną po spawaniu w podobny sposób, co skutkuje jednolitymi strukturami i właściwościami.