Главная » 2015 » Март » 14 » Развитие и современное состояние сварки
23:24
Развитие и современное состояние сварки

Возникновение первых простейших методов сварки относится к началу освоения человеком металлов. Археологические музеи хранят образцы изделий, изготовленных с применением сварки в VIII—VII тысячелетиях до н. э.
Можно считать вероятной такую последовательность развития обработки металлов. Первоначально металл ковали каменными орудиями, получая листки, пластинки, острия и т. и. Путем проковки кусочков металла удавалось соединить их в более крупные куски, так возникла кузнечная сварка на заре освоения металла человеком. Для облегчения соединения подогревали металл, зачищали соединяемые поверхности и наносили на них флюсующие вещества, поваренную соль и пр. Прежде всего, была освоена кузнечная сварка меди и некоторых ее сплавов с подогревом до 300—400 ?C. В древнейших изделиях часто встречается мышьяковистая медь, получавшаяся из медных руд, содержавших мышьяк. В дальнейшем люди научились сплавлять небольшие куски металла и изготавливать изделия путем заливки металла в каменные или глиняные формы — так возникло искусство литья. Освоение литья привело к созданию литейной сварки: соединяемые детали помещались в форму, место соединения заливалось жидким металлом. Позднее были найдены более легкоплавкие металлы, появился метод пайки, во многих случаях более удобный и производительный. Литейная сварка и пайка широко применялись в древности. Применялись они для соединения деталей из благородных металлов, меди, бронзы, свинца. Многовековой опыт и искусство древних мастеров довели сварку и пайку до высокой степени совершенства. Образцы их изделий видим мы в коллекциях Эрмитажа и других музеев.
Лишь во II тысячелетии до н. э. началось освоение человеком железа — важнейшего металла современности. Широко используя железо, человек долго не мог его расплавлять из-за высокой температуры плавления. Трудом поколений мастеров был создан и доведен до совершенства способ кузнечной, или горновой, сварки железа. Раскаленное до «сварочного жара» железо еще не плавится, но становится мягким, пластичным и способно свариваться под большим давлением или под ударами молота; соединение возникает в твердом состоянии металла, «в твердой фазе».
Сам способ производства железа в древности был в значительной степени процессом сварки. Железная руда восстанавливалась в результате нагревания ее вместе с древесным углем, получались комки спекшейся губчатой массы, содержавшей мелкие частицы железа, угля и шлака. Эту массу длительно проковывали в горячем состоянии, при этом частицы железа постепенно сваривались в сплошной плотный металл, а частицы угля и шлака удалялись. Чем дольше шла ковка, тем лучше, плотнее и чище получалось железо. Два молотобойца за день тяжелого труда могли получить кусок железа весом в несколько килограммов. Поэтому железо в те времена было очень дорого.
Из полученных заготовок кузнечной сваркой изготовлялись орудия труда, оружие и пр. Многовековой опыт и интуиция позволяли иногда древним мастерам таким примитивным способом получать сталь удивительно высокого качества, трудно достижимого и в настоящее время (например, знаменитый булат). Кузнечная сварка и пайка были ведущими процессами вплоть до второй половины XIX века.
Революционную роль в развитии сварочной техники сыграли новые источники нагрева: мощные электрические токи, горючие газы, сжигаемые в технически чистом кислороде, и др. Они обеспечили концентрированный нагрев зоны сварки и получение весьма высоких температур, что позволило полностью модернизировать существующие способы сварки.
Литейная сварка была заменена сваркой плавлением: к месту сварки подводится горячее сварочное пламя, происходит мгновенное местное расплавление металла и образуется сварочная ванна. При этом производительность сварки увеличивается в сотни раз.
Трудоемкая малопроизводительная кузнечная сварка была во многих случаях заменена механизированной и автоматизированной электрической контактной сваркой, гарантирующей высокое качество изделий при резко возросшей производительности.
К началу XX века в неслыханных ранее масштабах возросло производство металла, в особенности стали, и всевозможных изделий из него. Чрезвычайно увеличилось и количество способов сварки, имеющих большее или меньшее практическое применение. В настоящее время их насчитывается до сотни. Появилось очень много изобретений, разработано множество усовершенствований по сварочной технике.
Особенно важное значение приобрела электрическая дуговая сварка. По объему и стоимости выпускаемой продукции, количеству действующих установок и числу занятых рабочих дуговая сварка превосходит все остальные способы. Мы с гордостью можем отметить, что наша страна является родиной этого замечательного изобретения и в настоящее время, по общему признанию, занимает первое место в мире как по объему применения дуговой сварки, так и по ее техническому уровню.
Явление дугового разряда впервые открыл и изучил в 1802 г. академик Петербургской Академии наук В. В. Петров. Первый практически пригодный способ дуговой электросварки создал в 1882 г. выдающийся изобретатель Н. Н. Бенардос, родившийся на Украине. Дальнейшее усовершенствование изобретения предложил в 1890 г. Н. Г. Славянов, работавший начальником пермских пушечных заводов, где ему ныне поставлен памятник. Несмотря на то, что родиной одного из крупнейших изобретений XIX века — дуговой электросварки — явилась наша страна, оно не могло быть освоено в связи с ее отсталой промышленностью и сильной зависимостью в области техники от более развитых промышленных стран. Дуговая электросварка использовалась в ничтожных размерах, а со смертью ее изобретателей развитие дуговой сварки полностью прекратилось. Не могло быть организовано производство специального оборудования, необходимого для электросварки. Великое изобретение, как это случалось неоднократно, ушло за границу, оно стало распространяться в странах, имевших развитую промышленную базу, в первую очередь в Германии и США.
Во время первой мировой войны США создали достаточно мощную, широко применявшуюся сварочную технику. Начало этому положил следующий драматический эпизод, послуживший своеобразной рекламой дуговой электросварке.
В начальный период первой мировой войны США сохраняли нейтралитет, а корабли германского торгового флота с их командами были интернированы в портах США. При объявлении США о вступлении в войну на стороне Антанты германские команды произвели заранее подготовленный подрыв всех машин и механизмов германских кораблей, и флот был надолго выведен из строя. Комиссия экспертов признала, что для восстановления флота потребуется не менее двух-трех лет. Морское ведомство США предложило для ремонта кораблей широко применить дуговую сварку. В кратчайший срок были изготовлены необходимое оборудование и материалы: через шесть месяцев весь флот был восстановлен, и бывшие германские корабли вышли в море под американским флагом. После этого все промышленно развитые страны стали уделять серьезное внимание дуговой сварке, используя в первую очередь американский опыт.
Дуговая электросварка начала развиваться на базе простейшей аппаратуры, созданной собственными полукустарными средствами, и небольшого количества импортных машин. Первые же попытки использования дуговой электросварки показали преимущества нового способа.
Было решено создать собственную производственную базу и организовать выпуск необходимого электросварочного оборудования. На базе третьестепенного электромеханического завода в Ленинграде был создан завод электросварочного оборудования «Электрик». Он вступил в строй в 1932 г. Это был самый мощный в Европе завод электросварочного оборудования, выпускавший в год несколько тысяч комплектов сложной аппаратуры. Основной его задачей было — обеспечить выпуск необходимого оборудования для дуговой и контактной электросварки. Особенно острая необходимость ощущалась в оборудовании для дуговой сварки.
При ручной дуговой сварке один полюс источника сварочного тока присоединяется к свариваемому изделию, другой — к электроду, которым обычно служит отрезок стальной проволоки диаметром от 2 до 5 мм. Между электродом и изделием зажигается сварочная дуга, расплавляющая металл и образующая сварочную ванну. Сила тока в дуге 100—300 а, иногда до 500 а, напряжение дуги 20—40 в. Металл на конце электрода и в сварочной ванне не только расплавляется, но и кипит, газы дуги имеют температуру до 6000—8000°С, в отдельных случаях — до 20 000—30 000°С.
Дуговая сварка была разработана для постоянного тока, а так как современные силовые сети дают переменный ток частотой 50гц, то для питания дуги необходим преобразователь переменного тока сети в постоянный сварочный ток. Изготовление таких преобразователей тока и стало основной задачей вновь построенного завода. В те годы во всем мире для решения этой задачи использовали специальный сварочный генератор постоянного тока, вал которого соединялся с валом стандартного приводного мотора трехфазного переменного тока. Первые советские сварочные машины создавались по германским и американским образцам, но постепенно становились все более оригинальными. Мотор-генераторные сварочные преобразователи многие десятилетия безраздельно господствовали в сварочной технике всех стран так же, как считалась аксиомой необходимость использования постоянного тока для дуговой сварки.
Многочисленные исследования и производственный опыт в Советском Союзе показали, что вполне удовлетворительные результаты сварки можно получить при питании дуги обычным переменным током промышленной частоты. В этом случае для питания дуги вместо довольно сложного двухмашинного преобразователя можно применить простой, дешевый, малогабаритный передвижной сварочный трансформатор. Переход на сварочные трансформаторы. резко уменьшил расходы на сварочное оборудование и его обслуживание. Сварочный трансформатор стал в основным видом оборудования для питания током дуговой сварки. За границей довольно долго не верили в возможности сварки на переменном токе, но более 300 000 сварочных трансформаторов, успешно используемых в нашей стране, послужили тому убедительным доказательством. Дуговая сварка на переменном токе постепенно стала широко применяться почти во всех странах мира.
Новый удар двухмашинным преобразователям сварочного тока нанесли уже в 60-х гг. стационарные выпрямители, в особенности кремниевые, простые в эксплуатации, обладающие высоким к. п. д. Появились многочисленные конструкции сварочных выпрямителей, объединяющих сварочный трансформатор с кремниевыми вентилями. Имеются и универсальные установки, от которых можно получать как постоянный, так и переменный ток. Сварочные выпрямители становятся основными источниками питания в дуговой сварке, они имеют многочисленные модификации и рассчитаны на токи от единиц до нескольких тысяч ампер для различных способов дуговой сварки.
Перспективными являются системы питания дуговой сварки импульсными токами. В них ток непрерывно и резко меняется, создавая отдельные импульсы, значительно превосходящие по величине среднее значение тока. В ряде случаев питание импульсными токами значительно повышает качество сварки. В настоящее время разрабатываются специальные системы импульсного питания сварочной дуги.
Несмотря на значительные усовершенствования системы питания дуги, сам процесс дуговой сварки долгое время оставался примитивным, и сварка, как правило, проводилась вручную. Еще изобретатели дуговой сварки Н. Н. Бенардос и Н. Г. Славянов понимали необходимость механизации и автоматизации дуговой сварки для повышения ее производительности и качества. В Институте электросварки им. Е. О. Патона особенно важны работы по автоматизации дуговой сварки. В автоматах для сварки плавящимся стальным электродом применяют стальную проволоку большой длины, смотанную в бухты; механизм автомата непрерывно подает проволоку в дугу по мере плавления. Нашей промышленностью изготовляются десятки типов автоматов и полуавтоматов, позволяющих во много раз увеличить производительность труда. Имеются также многочисленные автоматы и полуавтоматы, использующие вольфрамовый электрод, в первую очередь, для сварки металла толщиной 0,10—3,0 мм. Дуговые автоматы в настоящее время являются важнейшим видом оборудования для дуговой сварки.
Дуговая сварка — сложной процесс, и для получения высококачественной сварки необходимо выполнить ряд металлургических операций, таких как раскисление металла, легирование, рафинирование и пр. Особенно вредно влияние па сварочную ванну атмосферного воздуха:    кислород и
азот воздуха при высоких температурах активно взаимодействуют с металлом; при этом выгорают углерод и легирующие элементы стали (кремний и марганец), металл азотируется, засоряется окислами, становится хрупким. Известны два основных способа защиты металла от вредного влияния воздуха: шлаковая защита и газовая защита. Часто оба способа применяются совместно, что позволяет получать высококачественный наплавленный металл и сварной шов.
При ручной сварке защита осуществляется покрытием, наносимым на электродный стержень. Порошкообразные материалы различного состава смешиваются в определенном соотношении; к сухой смеси добавляется водный раствор жидкого стекла до получения пасты, которая наносится на электродный стержень, образуя слой толщиной 1—2 мм. Затем электрод просушивается и прокаливается для закрепления покрытия. Стержень электрода изготовляется из сварочной стальной проволоки. В состав покрытия входят минералы, руды, ферросплавы, органические вещества. Определение лабораторными методами состава электродных покрытий, часто очень сложного, затруднительно. Лишь продолжительной исследовательской работой удалось создать качественные электроды с покрытиями из отечественных материалов. Например, уже давно известны электроды «УОНИ-13», не уступающие лучшим зарубежным образцам. В настоящее время производство электродов централизовано и ведется на специальных механизированных и автоматизированных заводах. Высокое качество электродов дает возможность выполнять наиболее ответственные работы и позволяет ручной сварке довольно успешно конкурировать с самыми совершенными дуговыми автоматами.
При автоматической сварке покрытия не могут быть применены, так как они будут сдираться механизмами автоматов при подаче проволоки. В этом случае применяют сварочные флюсы, по составу близкие к электродным покрытиям. Флюсы в форме крупки или крупнозернистого порошка засыпают на поверхность свариваемого металла. Автоматическая дуговая сварка плавящимся электродом под флюсом разработана в Институте электросварки им. Е. О. Патона и имеет важное промышленное значение.
Наряду со шлаковой защитой при дуговой сварке широко применяется газовая защита. В зону дуги непрерывно вдувается струя защитного газа, менее вредного для металла, чем атмосферный воздух. Оба вида защиты при дуговой сварке непрерывно конкурируют, способствуя прогрессу сварочной техники. Первоначально основной составной частью защитных газов был водород, но теперь его действие на металл признано вредным и, как правило, водород не допускается для защиты многих металлов при дуговой сварке. В настоящее время наилучшими защитными газами считают инертные газы, из них чаще всего используют аргон, несмотря на его высокую стоимость.
Крупным достижением является применение для защиты углекислого газа. Это изобретение широко используется во многих странах мира.
Электрическая контактная сварка, или сварка сопротивлением, использует нагревание соединяемых деталей проходящим через них током, при этом особенно сильно разогревается зона контакта соединяемых деталей. После разогрева контакта до высокой температуры, как правило, до оплавления, производится осадка деталей приложенным давлением и происходит сварка. Контактная сварка выполняется на специальных механизированных и автоматизированных машинах высокой производительности.
Основная область применения контактной сварки — массовое изготовление однотипных мелких деталей в производстве автомобилей, велосипедов, всевозможных измерительных приборов. Для контактной сварки применяются токи от 1000 до 100 000 а при напряжении от 2 до 12 в, что достигается использованием специального трансформатора, встроенного в контактную машину.
На мощных контактных машинах возможна сварка деталей больших сечений. Примером служит сварка стыка железнодорожных рельсов. Для этой цели в Институте электросварки им. Е. О. Патона разработана мощная стыковая контактная машина и передвижная электростанция для ее питания. Соединяемые рельсы захватываются зажимами машины, включается сварочный ток, разогревающий стык до начала оплавления, производится осадка мощным гидравлическим устройством, происходит сварка стыка, поверхность его шлифуется. Несколько рельсов сваривают в длинную «плеть». Такая практика позволяет значительно уменьшить число обычных разъемных болтовых стыков, сократить износ рельсового стыка подвижного состава, а также расходы по обслуживанию пути.
Нагрев металла при сварке может производиться не только электрическим током, но и, например, за счет экзотермических химических реакций, идущих с большим выделением тепла. Примером подобной сварки может служить газовая сварка. Обычная газовая, или газоплавильная, сварка относится к группе сварки плавлением.
Источником нагрева служит пламя горючего газа, сжигаемого в смеси с технически чистым кислородом в специальных сварочных горелках. Из многочисленных горючих газов практически для сварки пригоден ацетилен С2Н2 , дающий в смеси с кислородом температуру пламени около 3150° С. Ацетиленокислородная сварка в нашей стране находит применение для соединения небольших деталей из различных металлов и для всевозможных ремонтных работ, особенно в строительстве и сельском хозяйстве. Горелка, в которой предусмотрен добавочный канал для чистого кислорода, представляет собой режущую горелку, или резак, осуществляющий высокопроизводительную резку стали любых толщин, основанную на способности железа сгорать в кислороде. Ацетиленокислородная горелка позволяет проводить различные операции, объединяемые термином «газопламенная обработка металлов».
Для газопламенной обработки применяются многочисленные специальные формы горелок. Особого внимания заслуживают многопламенные горелки, имеющие несколько выходных сопел для газовой смеси и дающие несколько сварочных пламен. Многоплеменные горелки позволяют нагревать сразу значительную поверхность металла и используются, например, в газопрессовой сварке. Сварной стык нагревается сразу по всей поверхности многопламенной горелкой до начала оплавления, затем производится осадка соединяемых деталей гидравлическим устройством.
На экзотермической реакции окисления активных металлов, таких как алюминий и магний, базируется термитная сварка, при которой нагрев производится горючей смесью — термитом. Наиболее распространенный вид термита — смесь порошков металлического алюминия и железной окалины. Смесь сгорает, развивая температуру до 3000°С и образуя окись алюминия и расплавленное железо.
На основе опыта дуговой сварки за последние два десятилетия возникли новые способы, уже получившие широкое практическое применение:    в Институте электросварки им. Е. О. Патона разработан оригинальный способ сварки, при котором металл нагревается в результате пропускания тока через расплавленный шлак, кромки соединяемых деталей оплавляются и сплавляются в одно целое в сварочной ванне. Этот способ получил название «электрошлаковой сварки» и оказался особенно пригодным для соединения металла больших толщин: имеется удачный опыт сварки металла толщиной 2м.
Очень перспективны плазменная сварка и резка металлов. Газ, нагреваемый дуговым разрядом, продувается через калиброванный канал сопла малого диаметра в особой плазменной горелке, или плазмотроне. Температура газа повышается до 20 000—30 000° С. Выходящая из плазмотрона тонкая струя очень горячей плазмы позволяет получить чрезвычайно концентрированный нагрев.
Весьма эффективна плазменная резка металлов, часто значительно превосходящая по скорости газокислородную резку, о которой упоминалось выше. Первоначально для, плазменной резки использовали различные дефицитные газы, в особенности аргон. В Институте электросварки им. Е. О. Патона разработана воздушно-плазменная резка, при которой рабочим газом служит обычный атмосферный воздух. Этот способ резки в ряде случаев является наиболее эффективным и экономичным и пригоден практически для всех металлов, в то время как газокислородная резка вполне пригодна лишь для углеродистой стали.
Для малых толщин металла ценной оказалась микроплазменная сварка на малых токах, когда плазменная струя имеет размеры и форму швейной иглы. Из новейших с точки зрения практического применения способов сварки следует отметить холодную сварку, еще недавно представлявшуюся неосуществимой. Сварка производится за счет сдавливания соединяемых деталей, в результате чего металл течет подобно жидкости, оставаясь от начала до конца сварки холодным.
Как результат развития холодной сварки можно отметить сварку взрывом, при которой необходимые высокие давления создаются зарядом взрывчатки, что позволяет соединять очень крупные детали.
К сварке взрывом примыкают способы магнитноимпульсной и электрогидравлической сварки, использующие импульсы электромагнитного поля. Этими способами соединяют сравнительно мелкие детали. Диффузионная сварка производится достаточно продолжительным нагревом собранных деталей под давлением в вакууме, без расплавления металла. При сварке трением разогрев стыка осуществляется быстрым вращением деталей, соприкасающихся торцами под некоторым давлением. При электролитической сварке детали, опущенные в водный раствор электролита, разогреваются под действием проходящего между ними тока.
Очень интересны способы лучевой сварки. Электроннолучевая сварка дает хорошие результаты, но имеет и существенные недостатки: процесс сварки нужно вести в вакууме, так как в воздухе электронный луч быстро рассеивается из-за соударений электронов с частицами воздуха и становится менее пригодным для сварки. Кроме того, приходится иметь дело с высоковольтной электрической аппаратурой, рассчитанной на напряжение в десятки киловольт, и сложной техникой безопасности.
Указанных недостатков лишена фотонная, или световая, сварка. Световой луч свободно проходит через воздух, действует на больших расстояниях, может вводиться в герметическую камеру через прозрачное окошко, обеспечивает полную стерильность зоны сварки. Достаточно сильный световой луч можно получить от мощного дугового разряда.
Делаются попытки использовать для сварки энергию излучения Солнца (гелиосварка).
Широкие перспективы открываются благодаря использованию источника когерентного излучения — лазера, дающего импульсы световой энергии большой мощности.
Для разнообразных способов сварки выпускаются в достаточном количестве высококачественное оборудование и материалы. Разнообразное электросварочное оборудование производится на десятках заводов. Имеются заводы, выпускающие аппаратуру для газовой сварки, резки и газопламенной обработки. Ряд заводов изготовляет материалы для сварочной техники: электроды для дуговой сварки, сварочную проволоку, сварочные флюсы, кислород, аргон, сварочную углекислоту, карбид кальция, ацетилен.
Сварочная техника используется как в обычных условиях, так и для работ в особых условиях: под водой, в космосе.
Успехи сварочной техники определяются не только мощной материальной базой. В конечном итоге все решается людьми. Выросли кадры рабочих, мастеров, инструкторов, техников, инженеров, руководителей предприятий, научных работников высокой квалификации. В многочисленных институтах и лабораториях проводятся широкие научные исследования, направляемые и корректируемые Институтом электросварки им. Е. О. Патона. Непрерывный приток специалистов по сварке обеспечивают курсы, техникумы, кафедры сварки технических вузов.
Создана обширная научно-техническая литература по сварке, пользующаяся авторитетом во всех странах мира и переиздаваемая на многих иностранных языках.
Современная техника располагает многочисленными способами сварки, причем непрерывно создаются новые способы. Чего же можно ожидать в будущем от сварки?
В настоящий период бурного развития науки и техники трудно делать предсказания о будущем развитии техники на сколько-нибудь продолжительный срок. Можно лишь утверждать, что сварка сохранит большое значение еще многие годы.
Основным способом сварки, по крайней мере, на одно два десятилетия останется дуговая электросварка. Возможно значительное развитие лучевой сварки, в особенности лазерной. Большие потенциальные возможности имеет сварка металлов в твердом состоянии без расплавления, или сварка в твердой фазе, к которой относятся сейчас такие способы, как сварка кузнечная, холодная, диффузионная, сварка взрывом и пр. Возможно, что усовершенствование этих способов и их синтез дадут новый способ сварки в твердой фазе, превосходящий все существующие по производительности и качеству сварного соединения.

Просмотров: 1182 | Добавил: Profsvarka | Рейтинг: 0.0/0