Металлургические характеристики и контроль качества сварного соединения в электрослабовой сварке

1. Металлургические принципы электрослабовой сварки
Металлургическое поведение при электрослабовой сварке (ESW) фундаментально определяет качество сварного шва, непосредственно влияя на химический состав, микроструктуру и механические свойства.

1.1 Взаимодействие шлака с металлом
Проводящий шлаковый бассейн (например, на основе флюса CaF2-Al2O3) создает стабильные температуры 1700-2000℃, выполняя двойную роль:
Очистка: Шлак поглощает оксиды (например, SiO2, MnO) и сульфиды (например, FeS), снижая количество примесей.
Корректировка сплава: Компоненты, такие как CaO и TiO2, регулируют содержание кремния/марганца, повышая вязкость.
Кейс: Флюс HJ360 с содержанием 8-12% MnO увеличивает ударную вязкость по Шарпи сварных соединений низколегированной стали до ≥80 Дж при комнатной температуре.

1.2 Передача и распределение элементов
Электроды (проволока или пластины) поставляют легирующие элементы. Из-за длительного времени пребывания жидкой ванны (до минут), коэффициент перехода элементов, таких как Ni/Cr, превышает 95%. Основные моменты:
Потери углерода: Компенсируются добавлением углерода в проволоку (например, H08Mn2SiA с содержанием 0,10-0,15% C).
Управление водородом: Фториды (CaF2) в шлаке связывают водород в газ HF, минимизируя риск трещинообразования.

1.3 Эволюция микроструктуры
Столбчатые кристаллы: Грубый вертикальный рост зерна требует нормализации после сварки.
Термически пораженная зона (ТПЗ): Зона шириной 10-20 мм, преобладающая бейнитовая структура требует контролируемого охлаждения для предотвращения хрупкости.

2. Критические факторы контроля качества сварки
Обеспечение качества зависит от оптимизации параметров, совместимости материалов и надежности оборудования.

2.1 Оптимизация параметров
Ток (400-1000А): Определяет скорость наплавления; чрезмерные значения вызывают турбулентность и пористость.
Напряжение (35-55В): Влияет на ширину шва; увеличение на 5В расширяет ширину на 2-3 мм.
Скорость подачи (0,5-1,5 м/ч): Медленные скорости приводят к перегреву; высокие скорости рискуют неполным срастанием.
Пример оптимизации: Для стали толщиной 300 мм в проекте Трех Гorge требуется 800A/45V/0,8m/ч для равновесия между глубиной проникания и шириной.

2.2 Совместимость флюса и электрода
Выбор флюса:
HJ170: Высокая проводимость, но плохая отслаиваемость, идеально для инициации шлака.
HJ431: Универсальный для низкоуглеродистых/низколегированных сталей с отличным удалением шлака.
Материалы электрода:
Проволока H10Mn2: 1,5-1,8% Mn для сварки стали Q345.
Трубы Q295: Соответствуют составу базового металла для минимизации напряжений на границе.

2.3 Оборудование и операционные стандарты
Обслуживание водяной обуви: Обеспечьте подачу охлаждающей жидкости ≥10 л/мин для предотвращения утечек.
Переработка флюса: Достигайте повторного использования >95%, чтобы избежать накопления примесей.

3. Анализ дефектов и стратегии их устранения

3.1 Пористость и включения шлака
Причины: Неполное покрытие шлаком или влажный флюс (>0,1% H2O).
Решения:
Предварительная сушка флюса (300℃×2ч).
Увеличьте глубину шлакового слоя до 40-60 мм для выхода газа.

3.2 Трещины (горячие/холодные)
Горячие трещины: Вызываемые низкотемпературными эвтектиками (например, FeS); подавляются при соотношении Mn/S >40.
Холодные трещины: Индуцированные водородом; контролируйте влажность флюса (<0,05%) и применяйте медленное охлаждение.

3.3 Отсутствие сплавления и заусенцы
Отсутствие сплавления: Недостаточный ток или узкие зазоры (<28 мм); отрегулируйте параметры или увеличьте зазоры.
Заусенцы: Плохая текучесть; используйте колебание проволоки (2-3 Гц).

4. Промышленные методы контроля качества

4.1 Изготовление башни ветряной турбины
Проблема: Листы толщиной 60-150 мм, соответствующие стандартам EN 1011-2.
Решение:
Двойной электродуговой способ наплавки (IK-ESW5000) увеличивает эффективность наплавки на 50%.
Термическая обработка после сварки (920℃×2ч) улучшает структуру зерен ВСЗ до ASTM 5-6.

4.2 Емкости под давлением для ядерных реакторов
Стандарт: Раздел III ASME требует коэффициента прохождения УЗК более 99,5%.
Меры:
Ультрачистый флюс (S/P <0,015%).
Реальное время мониторинга шлакового слоя (точность ±10℃) для предотвращения сегрегации.

5. Появляющиеся тренды

Умный мониторинг: датчики IoT для реального времени химического и теплового анализа.
Экологически чистые флюсы: формулы с низким содержанием фторида (F <5%) для снижения воздействия на окружающую среду.

Заключение

Овладение метрологическими принципами и стратегиями контроля качества ЭСШ обеспечивает последовательные, высокоэффективные соединения в различных отраслях. Благодаря точной настройке параметров, синергии материалов и передового оборудования, этот процесс соединяет лабораторную точность с надежностью промышленного масштаба.