Содержание

Роль сварки в современном мире

Кто изобрел сварку

История развития сварки далеко до нашей эры. С тех пор, как люди научились добывать металл, они стремились создавать из него что-то полезное. Самый надежный способ соединения – горячим методом. Сейчас трудно представить, что два века назад русские ученые стояли у истоков современных сварочных аппаратов.

С тех пор началась новая страница жизни человечества. Сейчас существует несколько и видов сварочных технологий, применяемых на производстве и в быту. Современная история сварки – это изобретение новых агрегатов, методов соединения металлов, индивидуальных средств защиты нового поколения. Но по-прежнему популярной остается традиционная дуговая с помощью расплавляемых и тугоплавких электродов. Сварщики создают огромные металлоконструкции и миниатюрные произведения искусства.

Роль сварки в современном мире

В настоящее время развиваются методы лазерной сварки. Разработана технология высокоточного соединения металлов. Появляются новые композитные материалы, распространено использование алюминия, нержавеющих сталей, цветных металлов. Широкое распространение получили следующие виды высокотемпературного соединения металлов:

аргонодуговая технология позволяет получать все виды соединений: стыковые, угловые, тавровые, внахлест;
газовая, с помощью нее создаются магистральные трубопроводы, пролегающие далеко от источников тока;
полуавтоматическая позволяет ускорить процесс соединения элементов, обладает высокой точностью, снижает риск образования некачественного шва;
всегда остается востребованной традиционная ручная электродуговая.

Меняются источники питания, усовершенствуются держатели, но принцип горячего соединения металлов не претерпевает изменений. Сварочный метод предпочтительнее других видов соединений из-за ряда преимуществ:

из-за экономии металла;
износостойкое оборудование имеет большой запас прочности, его применяют в любых условиях;
образуются соединения на молекулярном уровне, обладающие высокой прочностью.

Первые упоминания сварки

Задолго до появления сварочных агрегатов существовали другие способы соединения металла. Найдены образцы соединений, созданных в VIII – VII веках до нашей эры. Самородное золото, кусочки меди и метеоритные сплавы использовали для бытовых целей, оружия. Их скрепляли при нагреве методом, сравнимым с ковкой.

Этап возникновения литья – следующая страница история сварочной технологии. Зазоры между частями металла заливали расплавами, получалось подобие швов. Когда были открыты легкоплавкие металлы, для соединяя металлов стали применять их, возникла пайка. Технологии пайки и ковки использовались до открытия метода электрической дуги, до конца XIX века.

Открытие электрической дуги

Физик и электротехник, академик Василий Петров открыл эффект электродуги в 1802 году. Во время опытов он пропускал электроток через металлический и угольный стержень и заметил, что возникает яркая вспышка – высокотемпературная дуга. В его трудах есть описание этого явления. Но до открытия сварочного аппарата были годы, пока развивалась электротехника. Для дуговой технологии нужны были мощные источники тока.

Русский изобретатель Николай Бенардос разработал электродуговую сварку только через 80 лет после открытия дуги. Начался новый этап истории развития сварки. Николай Николаевич применил дугу для резки и соединения металлических элементов. Через несколько лет Славянов Николай Гаврилович создал первый сварочный аппарат и электроды. Он официальный автор, признанный во всем мире. Впервые именно он, русский инженер изобрел сварку, запатентовал ее, только потом стали развиваться технологии в других странах. Славянов активно пропагандировал свой метод:

исправлял брак, возникший при литье деталей;
восстанавливал части паровых турбин;
заваривал изношенные детали.

Он разработал флюсы, защищающие горячий шов от окисления, придумал сварочный генератор с регулируемой мощностью. Внедрение его изобретений занимались за рубежом. Сварка стала применяться повсеместно.

Развитие технологий в новое время

Следующий этап истории связан с фамилией Патон. Отец организовал первый институт сварки в 1929 году, под его руководством развивалась технология сварочных процессов. Во время Великой Отечественной войны новые методы применялись в оборонной промышленности. Разрабатывались новые виды флюсов, электроды для толстостенных изделий. Они применялись при производстве военной техники: танков, орудий, бомбардировщиков и их оснащения.

В киевском институте разработан метод порошковой, контактной и шлаковой сварки в жидкой и разряженной среде, для защиты шва стали применять инертные газы. Дело Евгения Патона продолжил его сын, Борис. Он возглавил институт сварки после ухода отца. Технологии космической лазерной сварки разработаны под его руководством. Стали шире применяться методы соединения металлов под водой. Эта технология используется в судоремонтных доках. Метод снижает сроки ремонта судов в 1,5 раза.

Перспективы развития сварочного процесса

В настоящее время традиционные методы потеснили лазерные методы. Им предрекают большое будущее. Управлять процессом можно будет дистанционно. Роботы приходят на смену сварщикам. Разработано устройство для автоматической подачи присадочного материала в зону шва, с высокой точностью регулируется тонкий луч, расплавляющий металл.

Второе направление развития технологии высокотемпературного соединения металлов – использование оптико-волоконных материалов. Это позволит увеличивать КПД силового оборудования: генераторов, преобразователей. Постепенно будет повышаться мощность выходного тока, сейчас максимальная 6 кВт, ее планируется довести до 25 Квт и выше.

Постепенно лазерная технология вытеснит газовый метод сварки. Будут создаваться гибкие модули, использовать которые можно будет в любых погодных условиях. Будет снижаться трудоемкость технологических процессов, разрабатываться новые методы контроля качества высокотемпературного соединения металлов.

Современные технологии сварки и их применение

Автор: Александр Ситников, специально для Equipnet.ru
Фотографии с сайта aztpa.ru, tehsovet.ru

И стория неразъемного соединения металлов путём их нагревания и динамического воздействия друг на друга, начинается с бронзового века. Такой процесс сейчас мы называем сваркой, которая стала обретать современные черты в конце XVIII века благодаря итальянцу А. Вольту, впервые получившему вольтов столб. Впоследствии он был усовершенствован русским физиком В.В.Петровым в электрическую дугу. Но только 80 лет спустя Н. Н. Бенардосу удалось воплотить их достижения в дуговую сварку угольным электродом. С этого момента начинается неразрывная череда изобретений новых методов.

В наше время сварку классифицируют по категориям: термическая (сварочная дуга, электродуговая, газопламенная, электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая, лазерная), термомеханическая (точечная, стыковая, рельефная, диффузионная, кузнечная, сварка высокочастотными токами, трением) и механическая (сварка взрывом и ультразвуком).

Качество швов при гибридной лазерной сварке конструкционных сталей объемных сотовых панелей в СО2 с параллельным использованием плавящего электрода несоизмеримо выше, чем в традиционных технологиях; существенной является и скорость сварки – 40. 450 м/ч при управляемом лазерном излучении от 1,5 до 4,0 квт. Безусловным преимуществом данного метода можно считать режим высокоскоростной сварки тонких листов стали, что представляет интерес для автомобильной промышленности.

Для высокопроизводительной сварки крупногабаритных конструкций из толстолистовой (d> 30мм) закаливающейся стали 30ХГСА был разработан метод двухдуговой сварки, который основан на совместном использовании двух высоколегированных сварочных проволок различного состава диаметром 5 мм. Сварка производится под керамическим флюсом марки АНК-51А. Как показали результаты испытаний, этот метод резко улучшает качество сварного соединения.

Еще одним стимулом разработки и внедрения новых методов сварки является сварочное соединение композиционных материалов, основанием которых служит металлическая матрица с волокнистым или дисперсным упрочнением. Но особую сложность представляет собой сварочное соединение последних со сталью или титаном. В этом плане интересен метод сварки-пайки, при котором на поверхность деталей наносят промежуточный сплав, а сварка производится сжатием под напряжением на точечных, рельефных или конденсаторных машинах. Для сварки тонколистовых композитов на алюминиевой подошве с волокнистым упрочнением или дисперсно-упрочненных частиц SiC, Аl2O3 и С используют аргоно-дуговую сварку с промежуточными вставками.

Прочность сварочных нахлесточных швов составляет 70% от прочности композита, но учитывая высокую прочность самого композита (до 1500 МПа) в сравнении с высокопрочными алюминиевыми сплавами (>700 МПа), следует отметить, что метод сварки-пайки позволяет создавать надежные и, что важно, легкие конструкции. Это делает его незаменимым в авиационной и аэрокосмической промышленности.

Достаточно сложным материалом для качественной и герметичной сварки является конструкционный чугун. Современные технологии его сварки базируются на применении специальной тонкой проволоки марки ПАHЧ-11из сплава на никелевой основе, главным достижением которых является низкое тепловыделение. Особенно это актуально для тонкостенных деталей, учитывая хрупкость чугуна, как материала. Поскольку сварочный шов, получаемый при этой технологии, представляет собой высокопластичный железоникелевый сплав, то разрушение конструкции, как правило, происходит по чугуну, а не по шву, что характерно для традиционной дуговой сварки. Подобный метод позволяет изготавливать чугунные конструкции ответственного назначения.

Другим металлом представляющим сложность при сварочных работах, безусловно, является титан, его альфа и альфа+бета сплавы. Очевидным прорывом в этой области стала разработка метода магнитоуправляемой электрошлаковой сварки (МЭС), позволяющего соединять крупногабаритные детали при изготовлении центропланов самолетов, кареток крыла, траверс шасси, шпангоутов и силовых переборок морских судов. Такая сварка осуществляется в шлаковых и металлических ваннах током до 12000А и напряжением на электродах до 36 В и обеспечивает высокое качество швов при толщине свариваемых кромок 30-600 мм, благодаря очистке метала шва от примесей и газовых пор. Это позволяет использовать технику, изготовленную с помощью метода МЭС, в условиях гигантских динамических и статических нагрузок.

Большое будущее инженеры сулят программированию сварки и, прежде всего, тепловложению. Этот метод базируется на электроннолучевом принципе, успешно применяется для соединения высокопрочных алюминиевых сплавов. Программирование тепловложения производится в контуре разверстки пучка, что позволяет контролировать и управлять проплавление, форму, исключить образование трещин и пор в металле шва. Очевидным преимуществом является гарантированный шов при соединении алюминиевых сплавов в ответственных высоконагруженных машинах и узлах, что особенно важно в самолётостроении.

К новым технологиям, которые являются предметом настоящего обзора EquipNet.ru, следует отнести инновационный метод орбитальной аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом (ОАСВЭ) сложных деталей, к примеру, неповоротных стыков труб диаметром от 20 до 1440 мм. Активирующий флюс наносится 1 г/м шва, что способствует решению ряда важных технологических задач: во-первых, сварка ведётся пониженным током, позволяющим уменьшить объем и вес сварочной ванны; во-вторых, качественный шов в любом пространственном положении обеспечивается регулированием давления дуги на жидкий металл; в-третьих, сварка может быть автоматизирована без разделки кромки. Этот метод (ОАСВЭ) эффективен для стыков труб с толщиной до 6мм, свыше – его использует в комбинации с другими методами и только для формирования корневого шва.

Интересным представляются щадящие технологии сварки в смесях защитных газов Ar+CO2 и Ar+O2+CO2. Шов получается более качественным в сравнении со сваркой в СО2, расход проволоки на 20 % экономичнее стандартных схем, переход к свариваемым деталям становится плавным, при этом резко снижается набрызгивание электродного металла.

Среди новых методов, получивших широкое практическое распространение, является метод двухкомпонентной сварки для бесстыкового железнодорожного пути, основанный на литьевом способе сварки, что позволяет решать достаточно противоречивые задачи, т.е. обеспечить заданную пластичность металла шва при необходимой износостойкости.

Подобная технология сложна, поскольку требует использования расплавленной стали, которая заливается в зазор рельсового стыка. Для обеспечения высокой вязкости используется низколегированная плавка, а вот для придания требуемой износостойкости применяют специальные керамические накладки, отделяющие легирующие добавки от основного металла. После заполнения стыка расплавленной сталью, керамические накладки разрушаются, и легирующие добавки расплавляются в верхней части стыка, придавая головке шва повышенную износостойкость.

Идея обуздать «короткое замыкание» и запрячь его для сварки не нова, однако только специалистам компанией «Линкольн Электрик» удалось ее реализовать на практике. Этот метод сварки корней шва получил название «Перенос силами Поверхностного Натяжения» (STT) и базируется на высокоскоростных инверторных источников тока и микропроцессорах. В процессе сварки переменным, но управляемым является и ток, и напряжение, что существенно расширяет возможности данного метода.

Современная наука является многогранной, позволяет использовать преимущества нанотехнологий, поэтому будущее сварки видится в совершенствовании схем компьютерного управления и внедрении новых сварочных материалов.

Современные направления исследований и разработок в области сварки и прочности конструкций

Непрерывный рост наукоемкости сварочного производства способствует повышению качества продукции, ее эффективности и конкурентоспособности. Сегодня сварка применяется для неразъемного соединения широчайшей гаммы металлических, неметаллических и композиционных конструкционных материалов в обычных условиях земной атмосферы, Мировом океане и космосе. Объемы производства сварных конструкций во всем мире составляют сотни миллионов тонн.

Несмотря на непрерывно увеличивающееся применение в сварных конструкциях и изделиях легких сплавов, полимерных материалов, композитов, основным конструкционным материалом по-прежнему остается сталь. Мировые производители реально опровергли прогнозы футурологов о замене стали альтернативными материалами. Металлурги пока уверенно выигрывают конкурентную борьбу на рынке конструкционных материалов благодаря созданию и выпуску новых марок сталей (в первую очередь высокопрочных) и революционному изменению производственных процессов. Мировое производство и потребление стали, несмотря на отдельные спады, неуклонно растет. Так, если в 1995 г. было произведено 750 млн т, то по прогнозу Международного института стали к 2005 г. мировое производство стали превысит 900 млн т.

Известно, что до 70 % мирового потребления металлопроката приходится на производство сварных изделий, конструкций и сооружений. Это обусловлено тем, что сварные металлоконструкции благодаря хорошей способности к рециклингу сохраняют перспективы для широкого применения в ближайшем будущем. Отмеченные особенности определяют общую положительную тенденцию роста мирового производства сварных конструкций, динамичного развития мирового и региональных рынков сварочной техники, а также объемов научных исследований и разработок по совершенствованию сварки и родственных технологий.

Широкий комплекс работ в области сварки и прочности конструкций выполняет Институт электросварки им. Е.О. Патона HAH Украины. В последние годы сформировалось новое направление в создании наукоемких технологий — гибридные способы сварки. Предложен новый способ сварки алюминиевых сплавов малых толщин, заключающийся в одновременном использовании лазерного пучка и микроплазменной дуги, горящей в режиме разнополярных импульсов тока. Совместное воздействие на металл двух источников тепла дает возможность существенно повысить эффективность использования энергии каждого из них. В результате эффективность использования мощности микроплазменной дуги может возрастать с 50 (при обычной микроплазменной сварке) до 75 % (в гибридном процессе).

При гибридной сварке без присадки алюминиевого сплава АМгЗ толщиной 3 мм и скорости 0,25 м/мин полное проплавление образца достигается при мощности лазера 1,2 кВт и токе дуги 35 А. Глубина проплавления при микроплазменной и лазерной сварке на тех же режимах составляет соответственно 0,7 и 0, 4 мм. Площадь поперечного сечения шва при гибридной сварке в 4 раза превосходит сумму соответствующих площадей при лазерной и микроплазменной сварке (рис. 1).

Активно развивается электронно-лучевая сварка: совершенствуется оборудование и разрабатываются новые технологические приемы и решения. Главным направлением совершенствования оборудования является реализация возможности электронно-лучевой сварки изделий пространственно сложной формы благодаря компьютерному управлению всеми подсистемами установки и ходом технологического процесса.

В созданной электронно-лучевой сварочной установке KЛ-115 (рис. 4) осуществляется компьютерное управление перемещением пушки по семи осям: по трем линейным осям, поворотом и вращением пушки по двум осям, поворотом и вращением манипулятора изделия. Одновременно можно управлять перемещениями по любым четырем осям и всеми параметрами режима, что позволяет осуществлять сварку изделий практически любой пространственной конфигурации. В процессе сварки с помощью вторично-эмиссионной системы слежения «Растр» исключается уход пучка от стыка вследствие тепловых деформаций изделия.

Овладение процессом импульсного воздействия электронного луча на сварочную ванну дало возможность существенно улучшить форму швов. В частности, в результате применения продольной пилообразной развертки луча получены соединения стали толщиной 60 мм в нижнем положении с шириной расплавленной зоны около 1 мм и коэффициентом формы шва 40 (рис. 5). По сравнению с проплавлением статическим лучом коэффициент формы шва увеличен более чем в 2 раза. На несквозных швах получено благоприятное для предотвращения корневых дефектов закругление в корне шва (радиус 0,5 мм). Следует отметить, что эти швы практически не уступают по своей геометрии швам, выполненным на оборудовании с ускоряющим напряжением 150 кВ.

Разработанные технология и оборудование дают возможность с помощью электронного луча создавать конструкции различного назначения, как например, заготовки для крыла пассажирского самолета из высокопрочного алюминиевого сплава (рис. 6).

В связи с непрерывно увеличивающимся многообразием сочетаний трудносвариваемых разнородных материалов уделяется большое внимание фундаментальным и прикладным исследованиям в области пайки. Разработаны новые припои для высокотемпературной пайки высоколегированных никелевых сплавов (например, на основе системы Ni-Cr-Zr). Они имеют новый качественный уровень по сравнению с традиционными и позволяют значительно расширить объем применения конструкционной и ремонтной пайки в современном двигателестроении.

Большой шаг сделан в направлении создания пропоев и технологии пайки сплавов на основе интерметаллидов, в частности, y-TiAl — альтернативы высоколегированным никелевым сплавам. Соединения, полученные с использованием разработанных припоев, близки к прочности основного материала при комнатной и высокой (700 °С) температурах, а также при испытании на длительную прочность (таблица).

Создан новый флюс для пайки алюминия. Его отличительной чертой является то, что пайка может проводиться без припоя, который образуется вследствие реакций компонентов флюса с алюминием. Новый флюс — хорошая основа для создания высокоэффективных технологий серийного производства алюминиевых радиаторов, излучающих антенн и других изделий различного назначения.

Рациональное использование новых конструкционных материалов с высокими показателями механических свойств позволяет эффективно решать проблемы снижения металлоемкости, повышения надежности и долговечности сварных конструкций. Для изготовления конструкций строительных сооружений созданы высокопрочные экономнолегированные стали марок 06Г2Б и 09Г2СЮч с пределом текучести более 440 МПа и пределом прочности 590 МПа, с высоким сопротивлением слоистому разрушению и высокой хладостойкостью при температурах до -70 °С, что установлено на образцах с острым надрезом типа Шарпи (KCV 150. 300 Дж/см2). Под воздействием термических циклов сварки в достаточно широком диапазоне скоростей охлаждения формируются высокие показатели прочности, пластичности и хладостойкости металла ЗТВ этих сталей. Установлено, что для снижения вероятности замедленного разрушения соединений сталей 06Г2Б и 09Г2СЮч условия их сварки должны выбираться таким образом, чтобы содержание диффузионного водорода в наплавленном металле [Н]диф

Развитие сварки и ее значение

Сварка металлов является одним из выдающихся русских изобретений и впервые была освоена в России.
В 1802 г. русский академик Василий Владимирович Петров обратил внимание на то, что при пропускании электрического тока через два стержня из угля или металла между их концами возникает ослепительно горящая дуга (электрический разряд), имеющая очень высокую температуру. Он изучил и описал это явление, а также указал на возможность использования тепла электрической Дуги для расплавления металлов и тем заложил основы дуговой сварки металлов.

Результаты опытов В. В. Петрова тогда не были известны за границей, а в России не использовались. Только спустя 80 лет русские инженеры — Николай Николаевич Бенардос и Николай Гаврилович Славянов применили открытие В. В. Петрова на практике и разработали различные промышленные способы сварки металлов электрической «дугой Петрова».

Н.Н.Бенардос

Н.Г.Славянов

Н.Н. Бенардос в 1882 г. изобрел способ дуговой сварки с применением угольного электрода. В последующие годы им были разработаны способы сварки дугой, горящей между двумя или несколькими электродами; сварки в атмосфере защитного газа; контактной точечной электросварки с помощью клещей; создан ряд конструкций сварочных автоматов. Н.Н. Бенардосом запатентовано в России и за границей большое количество различных изобретений в области сварочного оборудования и процессов сварки.

Автором метода дуговой сварки плавящимся металлическим электродом, наиболее распространенного в настоящее время, является Н.Г. Славянов, разработавший его в 1888 г.

Н.Г. Славянов не только изобрел дуговую сварку металлическим электродом, описал ее в своих статьях, книгах и запатентовал в различных странах мира, но и сам широко внедрял ее в практику. С помощью обученного им коллектива рабочих-сварщиков Н.Г. Славянов дуговой сваркой исправлял брак литья и восстанавливал детали паровых машин и различного крупного оборудования. Н.Г. Славянов создал первый сварочный генератор и автоматический регулятор длины сварочной дуги, разработал флюсы для повышения качества наплавленного металла при сварке. Созданные Н.Н. Бенардосом и Н.Г. Славяновым способы сварки явились основой современных методов электрической сварки металлов.

В настоящее время создано большое количество типов сварочного оборудования, марок электродов, разработаны новые прогрессивные сварочные процессы, в том числе высокомеханизированные и автоматизированные, освоена техника сварки многих металлов и сплавов, глубоко и всесторонне разработана теория сварочных процессов.

Сейчас сварка является основным способом соединения деталей при изготовлении металлоконструкций. Широко применяется сварка в комплексе с литьем, штамповкой и специальным прокатом отдельных элементов заготовок изделий, почти полностью вытеснив сложные и дорогие цельнолитые и цельноштампованные заготовки.

Сварка обеспечивает ряд преимуществ, основные из которых приводятся ниже:
1. Экономия металла вследствие наиболее полного использования рабочих сечений элементов сварных конструкций, придания им наиболее целесообразной формы в соответствии с действующими нагрузками и уменьшения веса соединительных элементов. В сварных конструкциях вес металла сварных швов обычно составляет от 1 до 2%, в то время как в клепаных вес заклепок и косынокне менее 4% от веса изделия. Сварка дает до 25% экономии металла по сравнению с клепкой, а по сравнению с литьем в отдельных случаях — до 50%
Использование сварки на строительстве зданий позволяет уменьшить вес стальных конструкций на 15%, облегчает изготовление и увеличивает жесткость всей конструкции.
Сокращение сроков работ и уменьшение стоимости изготовления конструкций за счет снижения расхода металла и уменьшения трудоемкости работ.
2. Возможность изготовления сварных изделий сложной формы из штампованных элементов взамен ковки или литья. Такие конструкции называются штампосварными и широко применяются в автомобилестроении, самолетостроении, вагоностроении. С помощью сварки можно изготовлять детали из металла, прошедшего различную предварительную обработку, например сваривать прокатанные профили со штампованными, литыми или коваными заготовками. Можно сваривать и разнородные металлы: нержавеющие стали с углеродистыми, медь со сталью и др.
3. Возможность широкого использования сварки и резки при ремонте, где эти способы обработки металла позволяют быстро и с наименьшими затратами восстанавливать изношенное или вышедшее из строя оборудование и разрушенные сооружения.
4. Удешевление технологического оборудования, так как отпадает необходимость в использовании дорогих сверлильных, дыропробивных станков и клепальных машин.
5. Герметичность получаемых сварных соединений.
6. Уменьшение производственного шума и улучшение условий труда рабочих.
Сваркой можно получить сварное соединение прочностью выше основного металла. Поэтому сварку широко применяют при изготовлении весьма ответственных конструкций, работающих при высоких давлениях и температурах, а также при динамических (ударных) нагрузках — паровых котлов высокого давления, мостов, самолетов, гидросооружений, арматуры железобетонных конструкций и др.

Кто изобрел сварку

аргонодуговая технология позволяет получать все виды соединений: стыковые, угловые, тавровые, внахлест,
газовая, с помощью нее создаются магистральные трубопроводы, пролегающие далеко от источников тока,
полуавтоматическая позволяет ускорить процесс соединения элементов, обладает высокой точностью, снижает риск образования некачественного шва,
всегда остается востребованной традиционная ручная электродуговая.

из-за экономии металла,
износостойкое оборудование имеет большой запас прочности, его применяют в любых условиях,
образуются соединения на молекулярном уровне, обладающие высокой прочностью.

Первые упоминания сварки

Читайте также: Можно ли холодной сваркой заварить алюминий

Открытие электрической дуги

Василий Владимирович Петров

Николай Николаевич Бернадос

исправлял брак, возникший при литье деталей,
восстанавливал части паровых турбин,
заваривал изношенные детали.

Славянов Николай Гаврилович

Развитие технологий в новое время

Евгений Патон

Читайте также: Вязать или варить арматуру для фундамента