Электрошлаковая сварка (ESW) — это высокопроизводительный однопроходный процесс сварки толстых (более 25 мм до примерно 300 мм) материалов в вертикальном или близком к вертикальному положении. (ESW) похожа на электрогазовую сварку , но главное отличие заключается в том, что дуга начинается в другом месте. Электрическая дуга первоначально возбуждается проволокой, которая подается в желаемое место сварки, а затем добавляется флюс. Дополнительный флюс добавляется до тех пор, пока расплавленный шлак , достигнув кончика электрода, не погасит дугу. Затем проволока непрерывно подается через расходуемую направляющую трубку (может колебаться при желании) на поверхности металлических заготовок, а присадочный металл затем расплавляется с использованием электрического сопротивления расплавленного шлака, вызывая коалесценцию. Затем проволока и трубка движутся вверх вдоль заготовки, в то время как медный удерживающий башмак, который был установлен на место перед началом (может охлаждаться водой при желании), используется для удержания сварного шва между свариваемыми пластинами. Электрошлаковая сварка используется в основном для соединения пластин и/или секций из низкоуглеродистой стали большой толщины. Она также может использоваться на конструкционной стали при соблюдении определенных мер предосторожности и для алюминиевых шин большого сечения. [1] В этом процессе используется постоянное напряжение тока (DC), обычно в диапазоне около 600 А и 40-50 В, для более толстых материалов требуются более высокие токи. Поскольку дуга гаснет, это не дуговой процесс.
Процесс был запатентован Робертом К. Хопкинсом в Соединенных Штатах в феврале 1940 года (патент 2191481) и разработан и усовершенствован в Институте Патона , Киев, СССР в 1940-х годах. Метод Патона был представлен на Западе на Брюссельской торговой ярмарке 1950 года. [2] Первое широкое применение в США было в 1959 году подразделением General Motors Electromotive Division , Чикаго, для изготовления рам тяговых двигателей. В 1968 году компания Hobart Brothers из Трои, штат Огайо, выпустила ряд машин для использования в судостроении, строительстве мостов и крупных отраслях по производству конструкций. По оценкам, в период с конца 1960-х до конца 1980-х годов только в Калифорнии было сварено более миллиона ребер жесткости с помощью процесса электрошлаковой сварки. Два самых высоких здания в Калифорнии были сварены с использованием процесса электрошлаковой сварки - здание Bank of America в Сан-Франциско и здания-близнецы Security Pacific в Лос-Анджелесе. Землетрясение в Нортридже и землетрясение в Лома-Приете предоставили "реальный" тест для сравнения всех процессов сварки. После землетрясения в Нортридже потребовался один миллиард долларов для ремонта трещин сварки, распространившихся в сварных швах, выполненных с помощью процесса безгазовой порошковой проволоки, в то время как ни в одном из сотен тысяч сварных швов, выполненных на пластинах непрерывности, сваренных с помощью процесса электрошлаковой сварки, не было инициировано никаких отказов или распространения трещин. [3]
Однако Федеральное управление шоссейных дорог (FHWA) контролировало новый процесс и обнаружило, что электрошлаковая сварка из-за очень большого количества используемого ограниченного тепла приводит к образованию крупнозернистого и хрупкого сварного шва, и в 1977 году запретило использование этого процесса для многих применений. [4] FHWA заказало исследования в университетах и промышленности, и в качестве замены была разработана улучшенная электрошлаковая сварка в узкую щель (NGI-ESW) . Мораторий FHWA был отменен в 2000 году. [5]
Преимущества процесса включают в себя высокую скорость осаждения металла — он может наносить металл со скоростью от 15 до 20 кг в час (от 35 до 45 фунтов/ч) на электрод — и его способность сваривать толстые материалы. Многие сварочные процессы требуют более одного прохода для сварки толстых заготовок, но часто для электрошлаковой сварки достаточно одного прохода. Процесс также очень эффективен, поскольку подготовка стыка и обработка материалов сведены к минимуму, а использование присадочного металла высокое. Процесс также безопасен и чист, без вспышки дуги и с низким разбрызгиванием или деформацией сварки. Электрошлаковая сварка легко поддается механизации, что снижает потребность в квалифицированных ручных сварщиках.
Один электрод обычно используется для сварки материалов толщиной от 25 до 75 мм (от 1 до 3 дюймов), а для более толстых деталей обычно требуется больше электродов. Максимальная толщина заготовки, которая когда-либо была успешно сварена, составляла 0,91 м (36 дюймов), для чего потребовалось одновременное использование шести электродов. [ необходима цитата ]