Об истории развития сварки и ученых, сделавших вклад в эту отрасль
Всякий социальный процесс или возникшая технология – это не внезапная идея. Каждое событие закономерно. Всё случается в тот момент, когда для этого складываются условия.
Не зря многие исторические периоды названы в честь открытий, орудий труда и уровня развития человечества того времени. Все процессы красной соединены красной нитью с прошлым и будущим.
Наше настоящее зависит от того, что происходило вчера и чего ожидать завтра. И сварочный процесс – не исключение.
- Немного предыстории
- Основные открытия
- Наши годы Электродуговая сварка
- Электрошлаковая техника
- Связная и прессовая сварка
- Газорезка
- Сварка при помощи лучей
Истоки . .
Историческое развитие сварки можно проследить с древнейших времен. Самые ранние артефакты относятся к бронзовой эпохе. Небольшие золотые короба, хранящиеся в Ирландском национальном музее, были получены фактически сваркой давлением, которая, как известно, не требует нагрева, и производится путем пластичной деформации при комнатной температуре. Предполагается, что эти короба были изготовлены более 2 тыс. лет назад. В железном веке египтяне и жители восточной части Средиземноморья научились сваривать куски железа вместе. Многие инструменты, которые были найдены, сделаны в период около 1000 г. до н.э.
В средние века своего рассвета достигло кузнечное искусство и многие изделия, которые появились в ту пору, были сварены ковкой, пока в 19-ом веке не изобрели сварку, какой мы ее знаем сегодня.
Электроды с железным порошком в покрытии
Вводить дополнительный металлический материал в покрытие сварочных электродов с целью интенсификации процесса плавления присадочного материала предложили еще в 1937 г. Е. М. Кузмак и И. П. Доронин. На стержни диаметром 4,0; 5,0 и 6,0 мм с предварительно нанесенным тонким покрытием наматывали спираль из проволоки малого диаметра. Затем на эти электроды наносили второй слой покрытия того же состава, что и первый. Масса намотанной спирали составляла 100—110% массы стержня. По данным Е. М. Кузмака и И. П. Доронина, предложенные электроды имели коэффициент наплавки порядка 18—20 г/А·ч, т. е. в 2 раза больше, чем у промышленных электродов без железного порошка.
Примерно через десять лет специалисты ряда стран (Англии, Франции, Германии, США и др.), оценив достоинства электродов Е. М. Кузмака и И. П. Доронина, разработали промышленные марки высокопроизводительных электродов с железным порошком. В дальнейшем в результате систематических исследований особенностей процессов плавления электродов с различным количеством железного порошка в покрытии различных типов, разработки требований к железному порошку, изучения технологии их изготовления была разработана широкая номенклатура высокопроизводительных электродов, определился устойчивый спрос на такие электроды. В то же время, потребитель стал диктовать поставщикам все новые требования к электродам с железным порошком, регламентируя типы покрытий, сварочно-технологические характеристики, возможность сварки в иных, кроме нижнего, положениях, свойства и эксплуатационные характеристики свариваемых соединений и т. д. Процесс совершенствования высокопроизводительных электродов во многих странах находится в развитии и в настоящее время. Фирмы ряда западных стран предлагают потребителю достаточно широкую номенклатуру электродов различного назначения с основным, рутиловым, рутило-основным и другими типами покрытий, характеризующимися коэффициентом наплавки 12—20 г/А·ч.
В нашей стране широкое применение высокопроизводительных электродов началось примерно к середине 60-х гг. Именно в это время были разработаны электроды ОЗС-3, АНО-1, ЗРС-1 и др. с коэффициентом наплавки 14—15 г/А·ч. По многим причинам в течение нескольких десятилетий интерес к такого рода электродам снижался, хотя промышленные и экономические выгоды применения высокопроизводительных электродов убедительны.
И на закуску…
Сварка трением придумана в Советском Союзе. Здесь работает принцип превращения механической энергии в тепловую за счет сил трения, возникающих при соединении с определенным усилием сжатия двух деталей.
Лазерная сварка – инновационный сварочный процесс. Лазер был первоначально разработан в Bell Telephone Laboratories в качестве устройства связи. Но благодаря способности концентрировать огромное количество энергии в небольшом объеме, он оказался еще и мощным источником тепла, что используется сегодня для высокоэффективной сварки и резки металла.
История разработки процессов сварки плавлением
Большинство современных электродуговых процессов были разработаны в первой половине 20-го века, хотя начало свое они берут в веке 19-м. Так, в 1802 году впервые в мире профессор Санкт-Петербургской медикохирургической академии Василий Владимирович Петров (1761—1834) открыл и наблюдал дуговой разряд от построенного им сверхмощного «Вольтового столба». Этот столб состоял из 2100 пар разнородных кружков (из меди и цинка), которые были проложены бумажными кружками, смоченными водным раствором нашатыря. Тогда это был наиболее мощный источник электрического тока. Проделав большое количество опытов, профессор Петров показал возможность использования электрической дуги для освещения и плавления металлов.
Он первым предложил применить электрическую дугу в качестве источника теплоты для мгновенного расплавления металлов.
Изначально в дуговой сварке не использовали расходных сварочных материалов, и основным видом электросварки была сварка дугой с использованием неплавящегося угольного электрода. Впервые она была применена в 1881 году Августом де Меританом. Спустя короткое время, в 1888 году, Н. Г. Славянов заменил уголь на голый металлический электрод (пруток), обычно изготавливавшийся из холоднокатанной стали (например, телеграфной проволоки, проволоки для изгороди и т. д.). Тем самым было положено начало дуговой сварке плавящимся электродом. Дугу от такого электрода было очень трудно зажигать и поддерживать, так как она горела на открытом воздухе, и поэтому наплавленный металл был сильно загрязнен и вспенен кислородом и азотом. Процесс сварки был не слишком благоприятен для пользователя и сопровождался образованием неровных поверхностей плавления, пористости и довольно обильным крупнокапельным переносом металла.
Первые флюсы, наносимые непосредственно на поверхность электродов, были аналогичны флюсам кузнечной сварки (песок, борат, пепел и т. п.). Учитывая то, что с помощью дуговой и кузнечной сварки решаются совершенно разные технические задачи, данный подход не был эффективным. Основной прогресс был достигнут (приблизительно в 1902 г.), когда Кельберг изготовил флюс для голых электродов. Стержни опускали в пасту, состоящую из порошкообразных карбонатов и окисей металлов, смешанных с водой. Покрытие высушивали при обычной температуре (от 20 до 30 °C), и электрод был готов к применению. Хотя по современным стандартам такое флюсование электрода считается сырым, с тонкой, низкокачественной обмазкой, оно давало некоторую газовую защиту при сварке и в какой-то степени обеспечивало стабилизацию дуги.
Однако разработки продолжались, и к 1912 году появилось толстое электродное покрытие, по существу представляющее собой обертку из синего асбеста, пропитанного жидким стеклом (рис. 3, а). Преимущество толстого покрытия заключалось в существенных добавках других составляющих, чего не было в тонком покрытии. Эти и другие подобные им изменения давали важные преимущества толстым электродам, так как они обеспечивали лучшую стабилизацию дуги и шлаковую защиту сварного шва. Электроды с толстым покрытием, пропитанным жидким стеклом, нашли применение в таких важных областях промышленности, как изготовление вооружений и ремонт бойлеров кораблей. Широкое использование толстого флюсового покрытия было обусловлено еще и тем, что оно обеспечивало не только защиту от атмосферного загрязнения, но создавало легко ионизируемые компоненты, стабилизирующие горение дуги. Этим компенсировался недостаток умения сварщика и повышался шанс получения шва без дефектов. Впервые прочность сварного шва стала равной прочности основного металла.
Электроды с толстым покрытием, изначально разработанные для ремонта бойлеров на кораблях, заложили фундамент для разработок в области сварочных материалов на много десятилетий вперед. Изготовители сварочных электродов еще и до настоящего времени используют в работе ряд прежних составляющих компонентов для флюса, такие как CaCO3, K2CO3, MgO, C, KNaSiO3, B2O3, HAlSiO4.
Интересный и показательный факт: даже при явных преимуществах покрытых электродов, в большинстве случаев, вплоть до 20-х годов ХХ века, в электросварке использовались в основном голые металлические электроды. Это происходило в основном по экономическим соображениям, так как первые покрытые электроды дорого стоили и при этом не всегда полностью удовлетворяли требованиям по качеству.
Рис. 3. Схематичная иллюстрация основных сварочных процессов: а — сварка плавящимся электродом (SMAW); б — дуговая сварка под флюсом защищенной дугой (SAW); в — дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (GTAW); г — дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитного газа (GMAW)
Однако применение электродов, покрытых флюсом наглядно показало, что толстое покрытие способствует:
- стабилизации дуги во время сварки;
- образованию газового и флюсового слоя для защиты дуги и наплавленного металла от атмосферного загрязнения;
- регулированию взаимодействия флюс/металл путем добавления легирующих элементов в наплавленный металл;
- формированию правильной формы сварного шва за счет его укрытия шлаком во время сварки.
Непрерывная сварка электродом с флюсовым покрытием осуществлялась при помощи сварочной головки с автоматической подачей прутка. Этот процесс механизированной сварки известен как гравитационная сварка. С начала 1940-х годов этот метод широко использовался на японских верфях для сварки протяженных горизонтально-вертикальных угловых швов.
При сварке под флюсом дуга и расплавленный металл защищены оболочкой из расплавленного флюса и слоем нерасплавленных частиц гранулированного флюса (рис. 3, б). Этот процесс был разработан в США и СССР к концу 1930-х годов. В течение долгого времени считалось, что теплота должна выделяться за счет процесса нагрева током, проходящим через сопротивление расплавленного шлака.
Преимущество данного процесса заключается в том, что для достижения глубокого провара и получения высокой скорости наплавки металла при значительной экономии затрат можно применять очень высокие сварочные токи. Шов сваривают без разбрызгивания металла и попадания воздуха, так как дуга и сварочная ванна полностью защищены. Данный метод применяют в основном для сварки в нижнем положении плоских пластин с длинной и прямой разделкой.
Примерно в 1960 году был разработан процесс сварки под флюсом несколькими электродами, при котором используют две или более сварочные проволоки, подающиеся в одну и ту же сварочную ванну. Проволоки могут быть под током, либо в качестве присадки. Такой процесс позволяет увеличить скорость наплавки металла и улучшить эксплуатационную гибкость. Регулирование процесса наплавки металла также способствует достижению более высоких скоростей сварки.
Один за другим были разработаны, в частности на японских судоверфях, некоторые типы процессов односторонней сварки под флюсом на медной или флюсовой подкладке (рис. 4).
Рис. 4. Флюсо-медная подкладка (а) и сварной шов (б)
Односторонняя дуговая сварка представляет собой процесс получения шва с полностью проплавленным основным металлом путем сварки только с одной стороны. Она применялась в конструкциях, где пространство было слишком узким для сварки металла с обеих сторон. Целью этой разработки являлось повышение эффективности работ на габаритных конструкциях в судостроении в случаях, когда переворачивание деталей было затруднительным или невозможным. Для получения гладкой однородной поверхности с обратной стороны шва подкладывали длинную медную полосу с нанесенным на ее поверхность тонким слоем флюса, которую прижимали к обратной стороне шва с помощью надувного резинового рукава (рис. 1.4, а). Так как односторонний процесс сварки под флюсом делает возможным изготовление сборочной линии в сочетании с конвейером, его успешно начали применять на многих судоверфях, а впоследствии его применение распространилось и на стадию строительного монтажа.
Идея применения защиты дуги и наплавленного металла от атмосферного загрязнения принудительной подачей газа в зону сварки известна примерно столько же, сколько и покрытый электрод. Рассмотрено и испытано много видов газов от инертных до водорода. Примерно в 1930 году в США был проведен ряд экспериментов по горению дуги с вольфрамовым электродом в атмосфере инертного газа, а позднее, в 1940 году, была начата на практике сварка дугой, возбуждаемой вольфрамовым электродом в гелии (рис. 1.3, в). Это было началом применения процесса дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа. В ходе разработки этого процесса чистота защитного газа была повышена до 99,95%, особенно в связи с потребностью в высокоочищенных газах для сварки алюминиевых сплавов и реактивных металлов. Популярность приобрел аргон как наиболее эффективный и безопасный в применении газ.
В 1948 году был разработан новый процесс с применением защитного газа. Это была дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитного газа (рис. 1.3, г). В дуговой сварке вольфрамовым электродом электрод был неплавящимся, а в данном процессе электрод имел форму проволоки, которая подавалась из бухты в дугу со скоростью, равной скорости плавления проволоки. Так как применение аргона для дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа экономически невыгодно, то после нескольких лет исследований в СССР, Великобритании, Нидерландах и Японии к концу 1950-х годов были разработаны методы, сделавшие возможным использование углекислого газа в качестве защитного.
1960-е годы были самым важным периодом, в течение которого были разработаны многие процессы сварки плавлением, отличные от вышеупомянутых, которые стали широко применять во всем мире. В их число входит дуговая сварка порошковой проволокой в защитном газе и без него, электрогазосварка, дуговая сварка плавящимся электродом в смеси газов (Ar+CO2), электрошлаковая сварка и т. д.
В начале 1980-х годов были разработаны и применялись в основном порошковые проволоки малого диаметра (1,2—1,6 мм), поэтому применение полуавтоматической и автоматической дуговой сварки было распространено в основном в судостроении и строительстве мостов.
Будущее сварочного дела
Судьба развития металлообработки напрямую зависит от текущих проблем в этой области и вопросов, требующих быстрого решения. Сегодня любой недостаток непременно устраняется мастерами с 20-летним опытом.
Оборудование становится всё более современным, что по праву есть заслугой ученых 21 века. Важная цель современности – сделать сварку легкой, подвластной даже новичку.
Происходят работы в таких направлениях:
- Создаются автоматические сварочные агрегаты. Это позволяет сделать прирост коэффициента полезного действия сварщиков, а также обеспечить высокий коэффициент силы.
- Регулирование сварочных процессов на расстоянии при работе с масштабными конструкциями. Можно говорить о совершенствовании металлообработки магистралей и промышленных объектов.
- Вечный отбор методов снижения цен на лазерную сварку по аналогии с электрической.
- Еще одна задача – тестирование долговечных сооружений и металлоконструкций. Они смогут работать в экстремальных условиях – на большой глубине или высотах. Возможно через 10-15 лет станет возможной сварка в космическом пространстве.
- В 21 веке активно развиваются компьютерные технологии, которые затрагивают и металлообработку. Активно внедряются возможности искусственного интеллекта в базовые сварочные процессы. Совершенствуются научные работы, инженерное планирование, а также контролируется весь сварочный процесс.
Подведем итог
Сварщику 2019-2020 года следует регулярно пополнять свою базу знаний о металлообработке. От этого прямо зависит скорость реагирования на современные вызовы, проблемы и вопросы.
Если мастер сможет оказаться в эпицентре с пониманием своего дела – он быстро решит любую сложную ситуацию.
Стоит не забывать о том, что все значимые открытия происходят тогда, когда появляется новая информация, добытая опытным путем. У каждого сварщика должен быть открытый доступ ко всей необходимой для работы информации.
Технологии сегодня не стоят на месте. Хочется думать, что уже через 20 лет люди смогут наблюдать возникновение новых видов сварки, ее целостное развитие и совершенство.
Наши годы
В конце 20-го и начале 21-го столетий развитие сварочного дела не остановилось.
Сегодня выделяют десятки способов металлообработки, каждый из которых может похвастаться своими преимуществами. Поговорим о каждом из них.
Электродуговая сваркаРаспространена настолько, что ее применяют в 8 случаях из 10. Это настоящий лидер, который заметно выделяется среди остальных.
Электрошлаковая техникаНовый способ обработки больших конструкций, таких как металлопрокат, котлы и другие. Базовый принцип сварки кроется в этом: электрический импульс проходит сквозь шлак.
Последний появляется во время растапливания флюса, который считают проводником электричества. Как итог – после прохождение тока сквозь остаток происходит выделение тепла.
Выделяют такие виды сварки с использованием шлака:
- работа электродов, работающих с крупным сечением;
- тремя проволоками из сетки.
Уильям Томпсон придумал связной способ сварки, который сегодня считают довольно старым методом. Изначально она была популярной в Штатах, затем стала частью российских технологий.
В связи с этим открывалось большое количество исторически известных научных центров и , Институт Патона и десятки других.