Elektrostruskové procesy

Roztavená tavidla tvoří strusky, které jsou vodiči elektrického proudu. V tomto případě se teplo uvolňuje v objemu roztavené strusky při průtoku svařovacího proudu. Tento princip je základem elektrostruskového svařování (obrázek 1). Elektroda 1 a základní kov 2 jsou elektricky spojeny přes roztavenou strusku 3 (strusková lázeň). Teplo uvolněné ve struskové lázni ji zahřeje nad bod tání základního a elektrodového kovu. V důsledku toho se elektrodový kov a okraje základního kovu taví a v důsledku vyšší hustoty kovu než struska tečou ke dnu taveniny a tvoří lázeň roztaveného kovu 4 (kovová lázeň).

Obrázek 1. Schéma procesu elektrostruskového svařování

Elektrodový kov ve formě samostatných kapek, procházejících kapalnou struskou, s ní interaguje, čímž se mění její složení. Strusková lázeň, umístěná nad povrchem roztaveného kovu, zabraňuje jeho interakci se vzduchem. Při správně zvolené rychlosti posuvu elektrody zůstává mezera mezi koncem elektrody a povrchem kovové lázně konstantní.

Svařovaný kov, struska a kovové lázně jsou chráněny před vytékáním, obvykle speciálními tvářecími zařízeními, pohyblivými nebo stacionárními měděnými šoupátky 5, chlazenými vodou b, nebo zbývajícími deskami. Horní hrana skluzu je umístěna mírně nad povrchem struskové lázně. Roztavený kov krystalizující ve spodní části kovové lázně tvoří šev 7. Strusková lázeň, která je nad povrchem kovové lázně v kontaktu s ochlazenými šoupátky, na nich vytváří tenkou struskovou krustu, čímž je vyloučen přímý kontakt roztavený kov s povrchem chlazeného šoupátka a zabránění vzniku švu v krystalizačních trhlinách kovu.

Spotřeba tavidla u tohoto způsobu svařování je malá a obvykle nepřesahuje 5 % hmotnosti naneseného kovu. Vzhledem k malému množství strusky dochází k legování uloženého kovu především díky elektrodovému drátu. Podíl obecného kovu ve svaru lze snížit na 10. 20 %. Vertikální poloha kovové lázně, zvýšená teplota její horní části a značná doba setrvání kovu v roztaveném stavu pomáhají zlepšit podmínky pro odstraňování plynů a nekovových vměstků ze svarového kovu. Ve srovnání se svařovacím obloukem je strusková lázeň méně koncentrovaným zdrojem tepla. Proto je tepelný cyklus elektrostruskového svařování charakterizován pomalým ohřevem a ochlazováním základního kovu. Odchylka polohy osy svarového švu od svislice je možná nejvýše o 15 0 v rovině plechů a 30 . 45 0 od horizontály.

Protože k vývinu tepla ve struskové lázni dochází hlavně v oblasti elektrody, je maximální tloušťka základního kovu svařovaného pomocí drátu jedné elektrody obvykle omezena na 60 mm. Při svařování kovu větší tloušťky se elektroda v mezeře mezi hranami pohybuje vratně (až 150 mm) nebo se používá několik stacionárních nebo pohyblivých (obrázek 2) elektrod. V tomto případě je možné svařovat kov jakékoli tloušťky.

Svařovací technika

Elektrostruskový proces probíhá stabilně při proudových hustotách asi 0,1 A/mm2 (pro obloukové svařování řádově 20 až 30 A/mm2). Proto je možné nahradit drátěné elektrody deskovými (obrázek 3) nebo páskovými elektrodami. Pokud však není možné použít mechanismus pro podávání deskových elektrod (nedostatek místa nad výrobkem atd.) a při svařování výrobků složitého průřezu (desková elektroda musí být stacionární), kompenzovat nedostatek kovu k vyplnění prostoru mezi elektrodami a hranami základního kovu se používá metoda svařování odtavným hrotem. V tomto případě může tvar deskové elektrody sledovat tvar svařovaných hran a být kompozitní (obrázek 4).

a – tři elektrody (šipky označují možný vratný pohyb elektrod); b – deset pevných elektrod

Obrázek 2. Schémata procesu víceelektrodového elektrostruskového svařování

šipky ukazují směr napájení elektrod

Obrázek 3. Schéma elektrostruskového svařování s tvárnou elektrodou

a – celkový pohled; b – poloha kompozitní deskové elektrody v mezeře svarového spoje

Obrázek 4. Schéma elektrostruskového svařování s přídavnou tryskou

Přívod proudu do elektrodového drátu se provádí kluzným kontaktem s deskovitou tavnou elektrodou (náustkem). Jedna z technik nanášení rovných povrchů je znázorněna na Obr. Při elektrostruskovém bleskovém svařování na tupo (obr. 5, b) tyčí různého průřezu se po vytvoření kovové lázně požadovaného objemu vypne svařovací proud a sediment horní tyče. Tato metoda může být použita pro svařování tyčí na rovný povrch.

Obrázek 5. Schémata elektrostruskového navařování (a); a kontaktní elektrostruskové svařování (b)

Poznámka. Na obrázku 5 šipky označují:

A je směr pohybu tvarovacího jezdce;

B – vratné pohyby elektrod;

B – směr podávání tyče do struskové lázně

Počet elektrodových drátů, jejich průměr a průřez deskových elektrod nebo odtavných trysek, rychlost, jejich posuvy a další parametry jsou voleny tak, aby byla získána svařovací rychlost a napětí, které zajistí stabilitu procesu a požadovanou rozměry a tvar švu.

Obrobky pro svařování by měly být sestaveny s ohledem na smrštění spoje po svařování. Aby bylo zajištěno těsné usazení jezdců a tvarovacích zařízení k okrajům spoje, jsou tyto očištěny od otřepů, okují atd. pro šířku do 100 mm. Pro odstranění smršťovací dutiny za švem se na konec švu instalují výstupní pásy (obrázek 6) a vstupní pásy se instalují, aby se odstranil nedostatek svaru na začátku švu, které se po svařování odstraní řezáním. Pro zahájení svařování se do kapsy tvořené vstupními pásy nalije tavidlo, které se taví svařovacím obloukem, dokud se nezíská struska požadované velikosti.

Obrázek 6. Instalace výstupní (a) a výstupní (b) lišty

Poté je oblouk posunut struskou a proces se stává bezobloukovým – elektrostruskou. Před zahájením svařování můžete nalít strusku roztavenou ve speciální formě. K vytvoření elektrostruskové lázně můžete použít speciální tavidla, která jsou v pevném stavu elektricky vodivá.

Proces svařování obvodových švů je původní (obrázek 7). Svařování začíná na vstupním pruhu 1. V procesu dalšího svařování, když se výrobek otáčí, je vadná oblast na začátku švu 2 vyříznuta, aby se šev uzavřel. Když je šev uzavřen, rotace produktu se zastaví a svařovací zařízení se začne pohybovat nahoru (šipka B na obrázku 7, b), jako při normálním svařování rovného švu. Uzavření švu a odstranění smršťovací dutiny se provádí pomocí speciální kapsy vyrobené z desek 3 nebo formy.

Při elektrostruskovém svařování jsou svarový kov a tepelně ovlivněná zóna dlouhodobě vystaveny vysokým teplotám a dochází k výraznému přehřívání. V důsledku toho se svarový spoj oslabuje a jeho rázová houževnatost klesá. Pro obnovení vlastností se používá následné tepelné zpracování. Pro zkrácení doby zdržení kovu při vysokých teplotách se do struskové lázně zavádí přídavná přísada ve formě práškového materiálu (nasekaný drát s granulemi 0,2 . 1,6 mm) nebo se vhodným nuceným chlazením povrchu svaru a teplem – postižená zóna se provádí vodní sprchou.

a – vyříznutí defektů na začátku svařování; b – uzávěr švu; A je směr otáčení výrobku; B – pohyb stroje

Obrázek 9. Elektrostruskové svařování obvodového svaru

Použití elektrostruskového svařování přináší zásadní změny v technologii výroby velkorozměrových výrobků. Je možné nahradit velké lité nebo kované díly svařovanými odlévanými nebo svařovanými kovanými díly z menších výkovků nebo odlitků.

Aplikace metody elektrostruskového svařování; výhody a nevýhody

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 při tloušťce kovu větší než 16 mm a až na vzácné výjimky je ekonomicky výhodné při svařování kovu o tloušťce větší než 40 mm. Hlavního technického a ekonomického efektu je dosaženo při použití této metody pro svařování kovu o tloušťce větší než 100 mm. Metoda umožňuje svařovat pouze vertikální švy. Při svařování některých kovů vyžaduje vznik nepříznivých struktur ve svarovém kovu a tepelně ovlivněné zóně následné tepelné zpracování pro získání potřebných vlastností svarového spoje.