ESW: Einführung, Setup und Anwendungen

Nach dem Lesen dieses Artikels erfahren Sie mehr über: - 1. Einführung in das Elektroschlackeschweißen (ESW) 2. Erforderliche Materialien für das Elektroschlackenschweißen (ESW) 3. Elektrischer Schaltkreis und Aufbau 4. Abscheidungsraten 5. Schweißnahtentwurf 6. Schweißstruktur und Eigenschaften 7. Anwendungen.

Einführung in das Elektroschlackenschweißen:

Das Elektroschlackeschweißen ist ein Schmelzschweißverfahren zum Verbinden von dicken Werkstücken in einem Arbeitsgang. Dieser Prozess ist KEIN Lichtbogenschweißprozess, obwohl der größte Teil des Aufbaus den üblichen Lichtbogenschweißprozessen ähnelt und zur Einleitung des Prozesses Lichtbogenbildung erforderlich ist. Er kann auch nachträglich auftreten, wenn die Prozessstabilität beeinträchtigt wird.

Die Wärme wird aufgrund des Stromflusses durch die geschmolzene Schlacke erzeugt, der den notwendigen Widerstand liefert, der den Lichtbogenwiderstand ersetzt. Der Prozess weist Eigenschaften auf, die den Gießprozessen ähneln, aber in diesem schmelzen die beiden Seiten der Formwand, um das zusätzliche geschmolzene Metall zu verbinden. Ein charakteristisches Merkmal des Prozesses ist in den meisten Fällen die vertikale Aufwärtsfahrt. Je nach Dicke der Arbeit kann eine oder mehrere Elektroden eingesetzt werden.

Die Erfindung des Verfahrens im Jahr 1951 wurde dem Paton Welding Institute in Kiew (UdSSR) und bestimmte spätere Entwicklungen dem Welding Research Institute in Bratislava (Tschechoslowakei) zugeschrieben. Derzeit wird das Verfahren weltweit zum Schweißen dickwandiger Bauteile wie Druckbehälter, Turbinengehäuse, Maschinenrahmen usw. eingesetzt.

Dieses Verfahren beseitigt die Probleme, die mit Mehrfachnähten verbunden sind, und führt zu wirtschaftlichen Schweißnähten bei hoher Schweißgeschwindigkeit und ohne Winkelverzug. Es gibt keine obere Grenze für die Dicke, die durch dieses Verfahren geschweißt werden kann, obwohl 50 mm normalerweise die untere Grenze für einen wirtschaftlichen Betrieb sind.

Gusseisen, Aluminium, Magnesium, Kupfer, Titan usw. können zwar alle durch dieses Verfahren geschweißt werden, aber die Stahlverarbeiter sind die Hauptanwender. Die durch Elektroschlackeschweißen geschweißten Stähle können Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle, hochlegierte Stähle, verschleiß- und korrosionsbeständige Stähle umfassen.

Erforderliche Materialien für das Elektroschlackenschweißen:

Weitere Verbrauchsmaterialien sind neben dem Arbeitsmaterial der Elektrodendraht und das Flussmittel. Die Schweißzusätze können effektiv verwendet werden, um die Zusammensetzung des Schweißgutes und damit seine mechanischen und metallurgischen Eigenschaften zu steuern.

1. Elektroden:

Im Allgemeinen werden zwei Arten von Elektroden, nämlich feste und Metallkern, verwendet. Obwohl Vollelektroden populärer sind, ermöglichen die Metallkernelektroden die Einstellung der Füllmetallzusammensetzung zum Schweißen von Legierungsstählen durch Legierungszusätze (z. B. Ferromangan, Ferrosilicium usw.) im Kern und helfen beim Auffüllen des Flussmittels im Schmelzbad .

Beim Elektroschlackeschweißen von Kohlenstoffstählen und HSLA-Stählen enthält der Elektrodendraht normalerweise weniger Kohlenstoff als das Basismetall. Dies verhindert Rissbildung im Schweißgut von kohlenstoffhaltigen Stählen bis zu 0-35%. Die zum Schweißen verwendeten Elektrodendrähte entsprechen jedoch in der Regel der Basismetallzusammensetzung. Elektroschlacke-Schweißnähte in legierten Stählen werden normalerweise wärmebehandelt, um die gewünschten Eigenschaften in Schweißmetall und HAZ zu erreichen. Die Zusammensetzung der Elektrodendrähte gewährleistet eine ähnliche Reaktion auf solche Behandlungen aus verschiedenen Teilen der Schweißverbindung.

Elektroschlacke haben aufgrund der Vorbereitung der Rechteckkante normalerweise eine hohe Verdünnung im Bereich von 25 bis 50%. Mit dem passenden Elektrodendraht ist dies nicht von großer Bedeutung, da sich das Metall von der Elektrode und das geschmolzene unedle Metall gründlich vermischen, um eine nahezu gleichmäßige chemische Zusammensetzung zu schaffen.

Der Elektrodendraht für F.SW liegt normalerweise zwischen 1, 6 und 4, 0 mm Durchmesser. Draht mit einem Durchmesser von 2, 4 und 3, 2 mm ist jedoch beliebter. Diese Drähte werden in Spulenform geliefert, wobei die Spulen unterschiedlich groß und bis zu 350 kg schwer sind. Die beliebteste Verpackung wiegt jedoch etwa 25 kg.

2. Fluss:

Der Fluss ist vielleicht das wichtigste Verbrauchsmaterial von ESW. In geschmolzenem Zustand wandelt es die elektrische Energie in Wärmeenergie um, die beim Schmelzen des Elektrodendrahts und des Grundmetalls zu einer Schweißverbindung beiträgt. Es ist auch erforderlich, das geschmolzene Schweißgut vor der Atmosphäre zu schützen und einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.

Das Flussmittel im geschmolzenen Zustand ist zum Leiten von Elektrizität erforderlich, sollte jedoch gleichzeitig seinem Fluss ausreichenden Widerstand entgegensetzen, um eine ausreichende Wärme zum Schweißen zu erzeugen. Wenn der Widerstand geringer als erforderlich ist, führt dies zur Lichtbogenbildung. Die Schlacke muss auch eine optimale Viskosität haben, dh sie sollte nicht zu dick sein, um eine gute Zirkulation zu verhindern und den Einschluss der Schlacke zu bewirken, noch zu dünn, um ein übermäßiges Auslaufen zu verursachen.

Der Schmelzpunkt des Flussmittels muss deutlich unter dem des unedlen Metalls liegen, und sein Siedepunkt muss deutlich über der Betriebstemperatur liegen, um übermäßige Verluste zu vermeiden, die die Betriebseigenschaften beeinträchtigen könnten. Die Betriebstemperatur für Schweißstähle liegt bei 1650 ° C. Das geschmolzene Flussmittel sollte gegenüber dem Grundmetall ziemlich inert sein und über einen breiten Bereich von Schweißbedingungen stabil sein.

Hauptbestandteile der ESW-Flüsse sind komplexe Oxide von Silicium, Mangan, Titan, Calcium, Magnesium und Aluminium mit Zusätzen von Calciumfluorid.

Unter Vernachlässigung von Verlusten durch Leckage beträgt die verwendete Flussmittelmenge etwa 5 bis 10 kg für jeweils etwa 100 kg abgeschiedenes Metall. Mit der Zunahme der Plattendicke oder Schweißnahtlänge verringert sich der Flussverbrauch auf 1, 5 kg pro ungefähr 100 kg abgeschiedenem Metall. Eine andere Annäherung ist etwa 350 g Fluss pro Höhenmeter der Verbindungshöhe.

Es gibt zwei Arten von Flussmitteln, die normalerweise für ESW verwendet werden. Der eine heißt Startfluss und der andere Flussfluss. Das Startflussmittel ist so ausgelegt, dass es den ESW-Prozess schnell stabilisiert; Es hat einen niedrigen Schmelzpunkt und eine hohe Viskosität. Es schmilzt schnell und benetzt die Sumpfoberfläche, um das Starten zu erleichtern.

Es ist hochleitfähig und erzeugt schnell hohe Wärme. Eine kleine Menge dieses Flussmittels wird zum Starten des Prozesses verwendet. Es kann helfen, den Prozess ohne den Sumpf zu initiieren. Das Lauf- oder Betriebsflussmittel ist so ausgelegt, dass ein angemessenes Gleichgewicht zwischen den Betriebsparametern zur Erzielung einer korrekten elektrischen Leitfähigkeit, Badtemperatur und Viskosität bereitgestellt wird, um die gewünschte chemische Analyse zu erhalten. Ein laufendes Flussmittel kann in einem weiten Bereich von Bedingungen arbeiten.

Feste Elektroden für ESW aus Kohlenstoff- und HSLA-Stählen werden in drei Klassen unterteilt, nämlich mittleres Mangan (etwa 1% Mn), hohes Mangan (etwa 2% Mn) und spezielle Klassen. Die ESW-Flüsse werden auf der Grundlage der mechanischen Eigenschaften einer Schweißablagerung klassifiziert, die mit einer bestimmten Elektrode und einem bestimmten Basismetall hergestellt wird.

Die Zusammensetzung des Flussmittels liegt im Ermessen des Herstellers, jedoch sind zwei Zugfestigkeitsgrade für das Schweißgut festgelegt: 415-550 MPa und 485-655 MPa; eine Mindestfestigkeit muss auch erfüllt sein. Ein typisches Flussmittel zum Schweißen von Baustahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hätte eine nominelle Analyse für die Hauptbestandteile, wie in Tabelle 11.1 gezeigt.

Die Zugabe von CaF ₂ verringert die Viskosität und verbessert die elektrische Leitfähigkeit der geschmolzenen Schlacke.

Stromkreis und ein Setup für ESW:

Die elektrische Schaltung für den ESW-Prozess ist in Abb. 11.5 (a) und das entsprechende Schema für den Aufbau in Abb. 11.5 (b) gezeigt.

Abscheidungsraten beim Elektroschlackenschweißen:

Die Abscheideraten des Elektroschlacke-Schweißprozesses gehören zu den höchsten für jeden Prozess, der für dieselbe Aufgabe verwendet wird. Abb. 11.11 zeigt die Abscheidungsraten, die vom Schweißstrom für Elektrodendrähte mit 2, 4 mm und 3, 2 mm Durchmesser beeinflusst werden.

Die Anzahl der verwendeten Elektroden ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, der die Abscheiderate in ESW beeinflusst, und beträgt etwa 16 bis 20 kg / h pro Elektrode. Bei Arbeiten mit hoher Dicke mit drei Elektroden können 45 - 60 kg / h Schweißgut abgeschieden werden. Bei einem Fugenabstand von 30 mm ist die Schweißgeschwindigkeit in Abb. 11.12 dargestellt. Grobbleche mit Dickenschwankungen von 75 bis 300 mm werden mit Geschwindigkeiten von 60 bis 120 cm / h geschweißt.

Schweißnahtdesign für das Elektroschlackenschweißen:

Die wichtigsten Arten von Verbindungen, die mit dem ESW-Prozess geschweißt werden können, sind Stumpf-, Kehl-, Eck-, Übergangs-, T-Stoßstellen und die Kreuznaht (siehe Abb. 11.13). Für andere Verbindungen als Stoß-, Eck- und T-Verbindungen sind jedoch speziell entwickelte Halteschuhe erforderlich. Einige typische Elektroschlacke-Schweißnähte sind in Abb. 11.14 dargestellt.

Kantenvorbereitung und -anpassung:

Die Kantenvorbereitung für das Elektroschlackeschweißen ist viel einfacher als für das Lichtbogenschweißen, und in den meisten Fällen müssen nur Platten mit eckigen Kanten geschnitten werden. Bei einer Dicke von bis zu 200 mm kann dies mit Sauerstoff-Acetylen-Brennschneidmaschinen erfolgen. Da das Elektroschlackeschweißen ein tiefes Eindringen bewirkt, ist die Glätte der Schnittkanten von geringer Bedeutung. Unvollständig ausgehöhlte Rillen mit einer Tiefe von 2-3 mm können problemlos ohne nachteilige Auswirkungen untergebracht werden. In dickeren Abschnitten nehmen solche Rillen, die als Jakobsmuscheln bezeichnet werden, jedoch häufig an Tiefe zu und machen dadurch die Bearbeitung von Brennschneiden erforderlich.

Für die Montage von Teilen für ESW werden im Allgemeinen U-Klemmen der in Abb. 11.15 gezeigten Typen verwendet. Diese sind an der Rückseite der Fuge heftgeschweißt. Die U-förmigen Klammern werden verwendet, um eine ungehinderte Bewegung der Kupferhalteblöcke oder den Durchgang des Leerlaufwagens zu gewährleisten. Manchmal können U-Klemmen durch Riemen ersetzt werden, die mit dem Hammerschlag oder einem Gasschneidbrenner entfernt werden, wenn sich der Schweißkopf nähert.

Für die Montage von Teilen für ESW ist es zwingend erforderlich, die konstruierte Lücke aufrechtzuerhalten. Es wird jedoch normalerweise angenommen, dass es einen Unterschied zwischen der Konstruktionslücke und der Anpassungslücke gibt. Die Konstruktionslücke wird häufig als eine angenommene Größe betrachtet, die zur Berechnung der Abmessungen einer fertigen Schweißverbindung verwendet wird, und ist um den Betrag der Schrumpfung des abgelagerten Metalls geringer als die Anbringungslücke. Der Montagespalt ist der Abstand zwischen den zum Schweißen montierten Schweißflächen.

Sie variiert normalerweise entlang der Länge der gleichen Verbindung. In der Regel nimmt sie mit jedem Meter der Verbindungslänge um 2 - 5 mm zu, wenn sie sich entlang der Naht nach oben bewegt. Wenn der Montagespalt so eingestellt ist, wird der tatsächliche Spalt nach dem Schweißen und Zusammenziehen über die gesamte Länge der Verbindung gleichförmig und entspricht dem Konstruktionsspalt. Die vorgeschlagenen Werte für die Entwurfs- und Anpassungslücken sind in Tabelle 11.3 angegeben. Abbildung 11.16 zeigt eine typische Anpassung für ESW.

Einige vorgeschlagene Variablensätze für ESW sind in Tabelle 11 .4 zusammengefasst:

Schweißstruktur und Eigenschaften des Elektroschlacke-Schweißens:

Elektroschlackenschweißen wird hauptsächlich zum Schweißen von Stählen verwendet, obwohl Q & T-Stähle (Vergütungsstähle) normalerweise nicht durch dieses Verfahren verbunden werden. Die im unmittelbaren Schweißbereich erreichte Temperatur beträgt ca. 1925 ° C. Diese hohe Temperatur mit einem längeren thermischen Zyklus führt zu einer Schweißmetallstruktur, die aus großen früheren Austenitkörnern mit säulenartigen Erstarrungsmustern besteht, die grobe Körner aufweisen, die im Endprodukt spröde Abschnitte erzeugen.

Normalerweise ist es wünschenswert, das Schweißgut durch Erwärmen auf etwa 40 ° C über der niedrigeren Umwandlungstemperatur des Arbeitsmaterials zu normieren, gefolgt von einem langsamen Abkühlen. Dies verbessert die Eigenschaften von Kohlenstoff- und niedriglegierten Stählen, insbesondere ihre Beständigkeit gegen Initiierung und Ausbreitung von Sprödbruch.

Die im geschweißten Zustand erzeugten Eigenspannungsmuster sind recht günstig, wie in Abb. 11.17 gezeigt. Normalerweise wird in E5W-Verbindungen kein Winkelverzug aufgrund der Symmetrie der meisten derartigen Schweißnähte (quadratische Nutverbindung in einem einzigen Durchgang) erzeugt. Die Zugfestigkeit von Stahlschweißnähten reicht von 380 MPa bis 420 MPa.

Anwendungen des Elektroschlackens (ESW):

Die Hauptanwendungsbereiche des ESW-Prozesses umfassen das Schweißen von Bauteilen, Maschinen, Schiffen, Druckbehältern und Gussteilen.

Das Schweißen von Übergangschweißnähten zum Verbinden unterschiedlicher Dicken ist eine übliche strukturelle ESW-Anwendung. Eine weitere breite Anwendung in diesem Bereich ist das Schweißen von Versteifungen in Kastensäulen und breiten Flanschen; In allen diesen Fällen wäre die Versteifungsschweißnaht eine T-Verbindung.

Das Verbinden von großen, breiten Flanschträgern ist eine weitere eindrucksvolle Anwendung von ESW. Eine weitere häufige Anwendung von ESW ist das Spleißen von Flanschen, dh das Stumpfschweißen von Platten gleicher Dicke.

Bei der Maschinenfertigung wird die Herstellung von großen Pressen und Werkzeugmaschinen, die schwere und große Platten erfordern, mit Hilfe von ESW durchgeführt. Spezielle Anwendungen umfassen den Einsatz in Öfen, Zahnradzuschnitten, Motorrahmen, Pressenrahmen, Turbinenringen, Brecherkörpern und Felgen für Straßenwalzen.

Große Sauenblöcke, wie in Abb. 11.18 gezeigt, werden in Pressen zum Bearbeiten von hochfesten Metallen, insbesondere Titan, verwendet, da sie die Maßgenauigkeit von Pressungen verbessern. Ein Saublock ist ein 1800 mm hohes tetraedrisches Prisma und wiegt etwa 140 Tonnen.

Es wird durch Schweißen von drei Schmiedeteilen aus legiertem (0, 25 C - Cr - 3 Ni - Mo - V) Stahl hergestellt. Die Form, Größe und das Gewicht eines Saublocks erlauben kein Schmieden nach dem Schweißen, um gewünschte mechanische Eigenschaften in Schweißverbindungen sicherzustellen. Es wird daher durch einen aufwendigen Wärmebehandlungszyklus erreicht, wie in Abb. 11.19 gezeigt.

Elektroschlacke-Schweißen ist bei der Herstellung von dickwandigen Druckbehältern für die Chemie-, Erdöl-, Schiffs- und Energieerzeugungsindustrie beliebt, jedoch ist die Behandlung nach dem Schweißen für diese Anwendung unerlässlich, um die Kerbschlagzähigkeit wiederherzustellen, die oft durch langsame ESW-Kühlzyklen verloren geht in der HAZ.

ESW wird auch verwendet, um Abzweigrohrverbindungen mit dickwandigen Behältern herzustellen und um Hebeschalen mit den Behältern zu verschweißen.

Das attraktive Merkmal von ESW ist, dass die Verzerrung vorhergesagt und berücksichtigt werden kann. Dies hat es vor allem im Schiffbau beliebt gemacht, wo vertikale Verbindungen in den Rümpfen großer Tankschiffe erfolgreich geschweißt wurden.

Um die Kosten zu senken und die Qualität zu verbessern, werden viele der großen und schwer gießbaren Bauteile in kleineren Einheiten von höherer Qualität hergestellt und anschließend mit Elektroschlacke verschweißt. Die metallurgischen Eigenschaften einer Guss- und Elektroschlacke-Schweißnaht sind ähnlich, beide sprechen in ähnlicher Weise auf die Wärmebehandlung nach dem Schweißen an, was zu gleichmäßigen Strukturen und Eigenschaften führt.