Введение

Сварка – один из способов соединения металлов, точнее, получения неразъемных соединений.

Разъемныесоединения – болт с гайкой, винт и другие.Неразъемные– заклепочные, паяные, сварные, клеевые.

Сварка – наиболее совершенный и прочностной способ получения неразъемных соединений. Например, сварное соединение низкоуглеродистой стали равнопрочно основному металлу.

Из истории сварки.

Способность металлов образовывать сварные соединения открыта человеком еще в период первоначального освоения этого метода. Самородки металлов человек рассматривал как своеобразные камни, которые при ударах не раскалываются, а сминаются. Поэтому первым способом обработки металлов была холодная ковка.

Уже в неолите в процессе освоения ковки с небольшим нагревом (кузнечной ковки) была открыта и стала применяться при изготовлении различных вещей сварка металлов. Например, при помощи кузнечной сварки двух полос меди в нахлестку получали медные бусы. Обычно сварку применяли для починки или наращивания изношенных предметов. Особенно высокого развития и разнообразия достигает техника получения сварных соединений металлов в железном веке в связи с открытием способов получения железа. Археологами был найден меч, изготовленный в железном веке, длиной 95 см, полученный методом кузнечной сварки из двух заготовок. Но пока не был открыт источник тепла большой мощности, сварка применялась ограниченно из-за высокой трудоемкости и недостаточной прочности. Открытие дуги решило эту проблему. Первое указание на возможность использования тепла, полученного от горения дуги, для расплавления металла было сделано в 1802 году академиком и первым радио-электротехником Василием Петровым.

Дуга

+ -

Угольные электроды

Рис. 1. Принципиальная схема дуги Петрова.

Но прошло почти три четверти века, пока это открытие получило развитие, оно как бы заново родилось в трудах Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова. Поэтому Петров считается изобретателем сварочной дуги, а Славянов и Бенардос – изобретателями сварки, как метода неразъемного соединения металлов.

В1882 году Бенардос изобрел «Способ соединения и разъединения металлов (т.е. и резки) непосредственным действием электрического тока». Из рисунков и чертежей, сохранившихся в архивах, видно, что Бенардос изобрел не только способ сварки угольным электродом, а почти все основные виды сварки плавлением, применяющиеся и доныне: сварка в струе газа (настоящая сварка в среде защитных газов), сварка косвенно действующей дугой, горящей между двумя электродами (применяется сейчас в трехфазной сварке), магнитное управление сварочной дугой (которое используется во многих сварочных трансформаторах), дуговая резка, как на поверхности, так и под водой.

В 1888 – 1890 г. 2-ой ученый, посвятивший себя области сварки, Н.Г. Славянов занялся реализацией идей Бенардоса, а также ввел плавящийся электрод (вместо неплавящегося

угольного) из того же материала, что и основной металл, ввел флюсы и полуавтомат с автоматической подачей проволоки. Американцы заявили, что свариваются только черные металлы, тогда Славянов лично сварил граненый стакан из различных металлов, соединенных между собой (латунь, бронза, алюминий, сталь и другие) и представил американским ученым. В 1891г. Славянов получил патент № 8748 на способ дуговой сварки плавящимся электродом сначала в России, а затем во Франции, Германии, Италии, Бельгии, США, Швеции. В 1893 году он получил за свои заслуги диплом и большую золотую медаль на выставке в Чикаго. По методу Славянова стали уплотнять слитки, расплавляя верхнюю дефектную часть их, при этом шлаки и газовые пузыри выходят на поверхность слитка. В 1891 году была издана книга Славянова «Электрическая отливка металлов», первое пособие по дуговой сварке.

Славянов умер в возрасте 43 лет, простудившись, руководя заваркой крупных отливок на морозном воздухе.

В первую очередь сварка применялась на железных дорогах, сначала при ремонте и наплавке, а затем и при сварке рельсов, колес, станин и другого оборудования.

В 1913 г. в Москве вышел первый номер журнала «Автогенное дело».

В 1917 году американский инженер Стресау вместо стального электрода с ручной засыпкой флюса изобрел электрод, стальной стержень которого был обернут бумагой, приклеенной жидким стеклом (прообраз электрода с целлюлозным покрытием).

Дым, образующийся при сгорании бумаги, улучшал защиту сварки, а натрий жидкого стекла облегчал возбуждение дуги.

Сварка, а затем и пайка, постепенно вытесняют заклепочные соединения.

Основное развитие сварка в нашей стране получила в тридцатых годах 20-го века. Вначале, как за рубежом, так и в СССР, в промышленности преобладала простая, не требующая энергетического оборудования, газовая сварка, для выполнения которой нужны горелка и два газа: кислород и горючий газ. Качество такой сварки – низкое, в основном, такая технология применялась для резки. Но когда был произведен полный экономический расчет дуговой и газовой сварки, то оказалось, что, несмотря на большой расход электроэнергии, дуговая сварка на 30…40 % экономичнее газовой за счет более низкой трудоемкости и высокого качества.

Первые сварочные машины в нашей стране были спроектированы и изготовлены под руководством их автора, молодого конструктора, а впоследствии академика, В.П. Никитина в 1924 году. Сварка производилась лишь на постоянном токе. Это дорогой способ, требующий сложного специального оборудования.

В 30-е годы была доказана целесообразность применения переменного тока и разработан ряд машин на переменном токе, так как такие машины более экономичные, с высоким КПД и при сварке толстого металла дают хорошее качество сварки.

Все основные типы сварочных машин, выпускаемых за границей фирмами «Дженерел Электрик», «Алис Чалмерс» и др., выполнены по схемам, разработанным и запатентованным в СССР еще в 1924…30–х годах.

В 1933 г. выпущены первые многопостовые преобразователи (на постоянном токе) СМГ-3 и СМГ-4, точечные машины АТН-8, АТН-3 и др. на заводе «Электрик» в Ленинграде. В 1934 г. вышла в свет первая в СССР книга по оборудованию для дуговой сварки Ю.П. Петрунина и первая по контактной сварке А.А. Алексеева и А.И. Ахуна.

В 30-х годах сварка применялась для заварки дефектов изношенных паровых котлов, наплавки осей бандажей и другого железнодорожного оборудования в Москве, Ленинграде, Харькове, Муроме, Ростове и других городах, а также для ремонта судов.

В 1927 году был сварен напорный трубопровод для Ереванской ГЭС на заводе им. Артема в Днепропетровске. Паровые сварные котлы водяного отопления, цельносварные бочки для Днепрогэса, вагоны-цистерны, сварные рудные эстакады, сварка вауперов (огромных бочек к доменным печам), сваренных методом наращивания снизу для завода «Азовсталь», цельносварное пролетное строение длиной 45 м для Куйбышевской железной дороги, изготовление цельносварных корпусов мощных дизелей на заводе «Красное Сормово» – вот неполный перечень уникальных сварных конструкций 20-х годов.

Первая сварочная лаборатория была организована во Владивостоке в 1925 г. при Дальневосточном государственном университете. Там были произведены исследования прочности и расчеты сварных соединений при различных температурах и условиях нагружения. Руководитель сварочной лаборатории В.П. Вологдин и его сотрудники выступали на съездах, совещаниях с докладами, организовывали диспуты на тему «Сварка или клепка», пропагандируя сварку, как наиболее совершенный метод соединения металлов. В 1929 г. при Академии наук УССР была создана электросварочная лаборатория на кафедре инженерных сооружений под руководством Е.О. Патона.

Евгений Оскарович Патон – выдающийся ученый в области мостостроения и электросварки, академик АН УССР, доктор технических наук, Герой Социалистического Труда, лауреат Государственной премии. Родился во Франции в семье русского консула, окончил в Германии, куда перевели отца, инженерно – строительный факультет Дрезденского политехнического института, а в 1929 г. – Петербургский институт путей сообщения, затем преподает сначала в Москве, а затем в Киеве заведует кафедрой мостов в Киевском политехническом институте, впоследствии переименованной в кафедру инженерных сооружений. Под его руководством разработано много конструкций и изданы «Альбом электросварных конструкций мостов», «Альбом сварной аппаратуры сахарной промышленности» и др. Печатные работы, посвященные вопросам сварочных напряжений, их влиянию на прочность сварных конструкций, короблению при сварке, были переизданы за рубежом во многих странах.

В1934 г. лабораторию преобразовали в Институт электросварки Академии наук УССР, которой Патон руководил до конца своей жизни.

В предвоенный период в Москве образовался отдел сварки при ЦНИИТМАШ, который разработал при творческом участии Любавского, Гельмана, Яровинского, Алова и др. новые марки электродов для сварки сталей и чугуна, технологии их изготовления, технологию сварки крупных ответственных конструкций из углеродистых и легированных сталей, технологию точечной сварки (сварка статуи «Рабочий и колхозница»). В Московском механико–машиностроительном институте (ныне МГТУ им. Баумана)в 1940 г. под руководством В.И. Дятлова были произведены исследования по сварке под флюсом металлическим электродом, был разработан первый отечественный флюс АН-1 для сварки низкоуглеродистых и углеродистых сталей, а также технология автоматической сварки под флюсом стыковых и угловых соединений.

Затем в Институте электросварки, а также в сварочной лаборатории завода «Электрик» создали принципиально новое оборудование для автоматической сварки под флюсом, например, автомат А-66, создана аппаратура для подачи флюса в зону сварки, удержания его на месте сварки и сбора неиспользованного флюса с целью его повторного использования. Производительность таких автоматов была в 6 раз выше, чем при ручной сварке. Новый способ сварки демонстрировался на специальной конференции в Киеве, где авторам нового метода было предложено применить сварку под флюсом при строительстве в Киеве большого моста через Днепр, где предстояло сварить 120 км угловых швов. Изготовлял металлические строения Киевского моста Днепропетровский завод им. Бабушкина, но работы по установке их были временно прекращены в связи с начавшейся войной.

Самым большим достижением сварщиков в годы войны следует считать внедрение автоматической сварки под флюсом легированных сталей в производстве танков.

Занимались этим важным делом сотрудники Института электросварки, эвакуированного на Урал. Были разработаны и изготовлены установки для автоматической сварки под флюсом авиационных бомб и боеприпасов. С внедрением автоматической сварки освободилось большое количество сварщиков-ручников, мужчин, которых тогда в тылу катастрофически не хватало.

Их с успехом заменили сварщицы-женщины, так как сварка на сварочных автоматах отличается высокой безопасностью и простотой.

При изготовлении артиллерийского и стрелкового вооружения стали широко использовать штампосварные конструкции с массовым применением высокопроизводительной контактной сварки. Широкому внедрению контактной сварки способствовали работы МВТУ им. Баумана.

Когда возникла необходимость подводного ремонта многочисленных повреждений судов и разрушенных железнодорожных мостов, Московским электромеханическим институтом инженеров железнодорожного транспорта под руководством К.К. Хренова была разработана технология и электроды для сварки и резки под водой. В сварочной лаборатории института также готовили кадры сварщиков и резчиков для работы под водой во всех пространственных положениях на плаву.

В 1944г. Патон и Олейник предложили способ механизированной сварки под флюсом, который совместно с Ленинградским заводом «Электрик» был усовершенствован и получил широкое распространение для сварки швов, недоступных для автоматов.

Удачными разработками военного времени также следует считать газопламенную резку легированных сталей, создание цеховых установок для получения пиролизного газа, разработка нового способа термитной сварки с магниевым термитом (вместо алюминиевого) для сварки стальных телеграфных и телефонных проводов. Для решения вопросов резки в 1944г. в Москве был создан Всесоюзный научно-исследовательский институт автогенной обработки металлов.

В годы войны были созданы новые марки электродов: УОНИ-13, ОММ-5 для сварки углеродистых сталей, ЦС-1 и ЦС-2 для наплавки твердого сплава «Сормайт» постоянным и переменным током, флюсы АН-3, АШ, ОСЦ-45, ФЦ-1. Для получения этих флюсов часто использовались отработанные шлаки электропечей.

Из теоретических работ необходимо отметить важное научное открытие явления саморегулирования дуги, за которое его автор сотрудник института электросварки В.И. Дятлов в 1943г. получил авторское свидетельство.

Это открытие вызвало коренные изменения в области конструирования сварочных автоматов и источников питания сварочной дуги. Благодаря этому открытию стали строить простые и надежные автоматы с постоянной скоростью подачи проволоки, где длина дуги регулируется автоматически. Новые генераторы для питания дуги стали проектировать с учетом так называемого коэффициента саморегулирования, что значительно повысило чувствительность их к случайным изменениям длины дуги и надежность. Принцип саморегулирования дуги и сейчас учитывается при разработке нового сварочного оборудования и у нас в стране, и за рубежом.

В послевоенное время были произведены обширные исследования, связанные с взаимодействием шлака и металла при сварке и наплавке, кристаллизацией металла при сварке, взаимосвязи последней с прочностью и трещинообразованием. В начале 50-х годов заложены научные основы свариваемости специальных сталей и сплавов, а также титана и других цветных сплавов. Были произведены обширные исследования по прочности сварных конструкций: прочность при усталостных нагрузках, остаточные напряжения и их влияние на прочность, влияние дефектов сварных швов на усталостную прочность, методы снижения остаточных напряжений и короблений. Все эти разработки были опубликованы в фундаментальных справочных изданиях и другой технической литературе.

В 1950г. сотрудники Научно-исследовательского института Авиационной промышленности (НИАТ) Бродский, Верченко, Дьяченко и др. за разработку и внедрение новых способов механизированной сварки в среде углекислого газа были удостоены звания лауреатов Государственной премии. Были разработаны полуавтоматы и автоматы для сварки в среде СО₂ плавящимся электродом, а также источники питания, и организовано их массовое изготовление для нужд промышленности. Кроме того, были разработаны кремниймарганцовистые проволоки (например, СВ08Г2С) для раскисления сварочной ванны и налажен их серийный выпуск.

Получил широкое распространение метод контактной сварки, являющийся наиболее механизированным и автоматизированным способом сварки. Разработаны технология точечной сварки закаливающихся сталей, алюминиевых и магниевых сплавов, технология толстых сталей (10…12 мм), сварка деталей различной толщины, точечная микросварка с использованием разряда конденсаторов, технология шовной (роликовой) сварки, контактная сварка титана.

За разработку, изготовление и внедрение многоточечных высокопроизводительных сварочных автоматов последовательного действия в 1950г. работники автозавода им. Лихачева (Калачев, Савченко и др.) были удостоены Государственной премии.

В конце 50-х годов широкое распространение получила электрошлаковая сварка (вертикальная сварка под флюсом толстого металла). В 1958г. на Всемирной выставке в Брюсселе этот способ сварки был удостоен большого приза «Гран-При».

В области газопламенной обработки следует отметить такие новые методы обработки, как металлизация, наплавка, поверхностная закалка, напыление и сварка пластмасс, газоэлектрическая резка преимущественно цветных сплавов и др. За разработку кислородно-флюсовой резки высокохромистых и хромоникелевых сталей и чугуна в 1951г. сотрудники МВТУ им. Баумана, ВНИИавтогена и завода «Красный Октябрь» были удостоены Государственной премии. Также Государственная премия была присуждена инженерам Московского опытного завода за разработку и промышленное внедрение электродных сплавов для наплавки изношенных деталей электростанций.

В 1953г. был открыт в Киеве крупнейший в Европе цельносварной автодорожный мост через Днепр. При строительстве знаменитого высотного здания на Смоленской площади в Москве было сварено автоматической сваркой под флюсом свыше 50 км сварных швов, а при сварке колонн каркасов общежитий Московского университета - около 100 км. Первая в мире атомная электростанция, при строительстве которой были применены новейшие достижения в сварочной технике, была пущена в строй в 1954г. Нефтепроводы и резервуары изготавливают новым методом рулонирования: (сварка полотнищ на заводах, сворачивание их в габаритные рулоны и доставка по железной дороге на место монтажа), что дало уменьшение трудоемкости монтажных работ в 4 раза, а сроки строительства сократить в 5-10 раз.

В 60-70-е годы получили распространение новые способы сварки: диффузионная, трением, высокочастотная, ультразвуковая, электронно-лучевая, лазерная, плазменная.

В изготовлении биметаллических изделий (штампов, лопастей гидротурбин, прокатных валков, опорных роликов гусеничных машин, дробилок, лемехов плугов, выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания и др.) получили развитие различные способы наплавки. Большое внимание уделяется вопросам техники безопасности: улучшению санитарно-гигиенических условий труда, электрической безопасности, разработке унифицированной летней и зимней спецодежды для рабочих сварочного производства.

В последнее время наблюдается бурное развитие механизированной сварки в защитном газе, которая успешно вытесняет ручную дуговую, газовую, а также сварку под флюсом. В качестве проволоки применяется не только традиционная кремниймарганцовистая, но и самозащитная порошковая проволока (т.е. без защиты углекислым газом), в которой присадочный металл в виде ленты сворачивают в трубочку, внутрь которой помещают флюс. Сварка без применения баллонов с углекислым газом значительно облегчила монтажную сварку, а также сварку в полевых условиях. Отечественные порошковые проволоки по достоинству оценены за границей. Приоритет нашей страны в создании порошковых проволок защищен многими авторскими свидетельствами в СССР и патентами в Англии, Италии, США, Германии, Франции, Японии и других странах.

Разработка электронно-лучевой сварки в вакууме (ЭЛС) позволила выполнять сварку сверхтонких металлов, а также толстого металла узким качественным швом.Методом ЭЛС можно соединять практически все металлы и сплавы, а также получать особо чистые металлы методом переплава.

В 1979г. коллективу ученых и производственников присуждена Государственная премия за создание научных основ, технологии, разработку комплекса оборудования и широкое внедрение импульсной лазерной сварки, где в качестве источника сварочного нагрева применили световое излучение.

Применение лазерной сварки в производстве электровакуумных приборов и в точном приборостроении дало возможность решить на качественно новом техническом уровне многие технологические задачи сварки тонкого металла, а также упростить конструкцию многих деталей и уменьшить трудоемкость их изготовления.

Лазерная термообработка режущего инструмента повысила срок его службы в 1,5-2 раза, а штампового – в 3-4 раза. Немаловажным фактором является и то, что лазерная обработка

значительно улучшила условия труда рабочих. Установки для лазерной сварки, резки и

термообработки удостоены медалей ВДНХ и Лейпцигской ярмарки.

В настоящее время контактная сварка занимает первое место среди механизированных способов сварки (29% от общего объема сварочных работ). В этой области ученые применили для сварки деталей, имеющих большое поперечное сечение, стыковую сварку непрерывным оплавлением при малых сопротивлениях короткого замыкания.

Созданы установки для стыковой сварки рельсов непосредственно на железнодорожном полотне. Эти установки получили распространение не только в нашей стране, но и в США, Японии и других странах. Эти работы также были отмечены Ленинской премией. Следует отметить создание на заводе «Электрик» совместно со ВНИИЭСО серии машин для контактной точечной сварки пересекающихся арматурных стержней, причем, даже в монтажных условиях, машин для сварки легких сплавов униполярным импульсом сварочного тока (конденсаторная сварка), установок для высокочастотной стыковой сварки труб (так называемая индукционная сварка).

Метод сварки ТВЧ позволил получить 20-ти кратное повышение производительности труда по сравнению с аргонодуговой сваркой, поэтому на производстве сварка ТВЧ и вытеснила ее, а также и контактную сварку труб малого и среднего диаметра.

Прогрессивными способами соединения материалов являются холодная сварка: сварка трением, диффузионная, ультразвуковая, сварка взрывом.

Диффузионная сварка разработана Н.Ф. Казаковым (Московский технологический институт мясомолочной промышленности). Она имеет практически неограниченные возможности при сварке различных композиций металлов, сплавов и неметаллических материалов.

Перед наукой о сварке и техникой стоит много нерешенных вопросов, над которыми успешно продолжают трудиться ученые. Из существующих проблем современного сварочного производства следует отметить: недостаточная мощность источников сварочного нагрева (а также нагрева для электрической резки), необходимость в большинстве случаев сначала удалять металл в месте предстоящей сварки, а потом заполнять разделку присадочным металлом, деформирование сварных изделий и возникновение в них собственных напряжений, объясняющихся неравномерным нагревом и усадкой сварного шва. Многое предстоит сделать в области создания физических методов неразрушающего контроля. Требуется разработка методов активного контроля, позволяющего предупреждать появление дефектов в сварных соединениях непосредственно в процессе сварки с одновременным воздействием на сварочный процесс.