Осторожно: 

горячо!

Первые способы сварки появились с началом использования и обработки металлов. Сегодня сварку проводят самыми разнообразными методами, которых насчитывается более полутора сотен. И, кстати, не все из них требуют нагревания.


9 апреля 2019

О сколько нам открытий чудных...

Лишь только человечество обнаружило возможность применять в хозяйстве железо, золото, медь, как перед ним встал вопрос соединения мелких фрагментов в более крупные, пригодные для быта. Со временем люди научились ковать, плавить, отливать и обрабатывать. Пришло понимание, что ковкой с прогревом металла можно добиться удивительных результатов.

По мере развития литейного производства, когда начали выплавлять металл из руд, получать отдельные детали и элементы, мастера научились сваривать их вместе. Детали заформовывали, а шов заполняли расплавленным металлом. Затем были созданы специальные легкоплавкие сплавы. Так, логическим следствием литейной сварки стала пайка металлов.

Доказательством служат золотые украшения с оловянной пайкой, найденные в египетских пирамидах, и свинцовые водопроводные трубы с поперечным паяным швом, обнаруженные при раскопках в древнеримском городе Помпеи. В древние времена была распространена и кузнечная сварка, при которой металлы разогревались до состояния пластичности, после чего спрессовывались в местах соединения.

Кузнечная сварка и пайка были ведущими процессами техники соединения металлов вплоть до конца ХIХ века. Открытие электрического дугового разряда позволило получить электродуговую сварку, актуальную до сих пор. Правда, путь к этому открытию длился целых восемь десятков лет.

В 1802 году профессор физики Санкт-Петербургской медико-хирургической академии Василий 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. Изучив и описав это явление в работе «Известие о гальвани-вольтовских опытах», он указал на возможность использования энергии электрической дуги для расплавления металлов и тем самым заложил основы дуговой сварки металлов и электроплавильных печей.

До конца XIX века металлы соединяли путем кузнечной сварки и пайки

Только в 1882 году русский изобретатель Николай Бенардос для соединения металлов применил электрическую дугу, горящую между угольным электродом и металлом и питаемую электрической энергией от аккумуляторной батареи. Через три года он запатентовал способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока. В 1888 году русский инженер-металлург Николай Славянов впервые в мире провел дуговую сварку металлическим электродом под слоем флюса – до него применялись только угольные электроды, хотя Бенардос указывал, что проводящим веществом может выступать не только уголь.

Николай Славянов (в центре) в окружении рабочих Пермского пушечного завода

Николай Славянов (в центре) в окружении рабочих Пермского пушечного завода

На Всемирной выставке 1900 года в Париже Николай Бенардос продемонстрировал изобретенное им приспособление для автоматического регулирования длины дуги с помощью соленоида (это односложная катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра. – Прим. ред.). Еще он предложил варианты сварки наклонными металлическими электродами – устройствами, в которых подача электрода в зону дуги выполнялась за счет давления пружины, а также разнообразные виды автоматических устройств для сварки, выступившие прообразами современных сварочных автоматов и полуавтоматов.

С помощью дуговой сварки рабочие научились ремонтировать чугунные и бронзовые детали

Что касается Николая Славянова, то он не только изобрел дуговую сварку металлическим электродом, описал ее в своих статьях, книгах и запатентовал, но и сам широко внедрял в практику. Он специально обучил рабочих исправлять дуговой сваркой брак литья и восстанавливать детали паровых машин и различного крупного оборудования. Им были созданы первый сварочный генератор и автоматический регулятор длины сварочной дуги, разработаны флюсы для повышения качества наплавленного металла при сварке.

Внедрение сварки в производство проходило очень интенсивно. Только с 1890 по 1892 год было отремонтировано более 1,5 тыс. деталей, в основном чугунных и бронзовых, общим весом свыше 17 тыс. пудов (около 280 тыс. кг). Был даже разработан проект ремонта российского памятника литейного производства – знаменитого Царь-колокола, но эту работу провести не разрешили. Заложенные Бенардосом и Славяновым способы сварки стали основой методов электрической сварки металлов, получивших массовое распространение в XX веке. В 1920-х дуговую сварку стали внедрять при ремонте котлов и локомобилей – передвижных паровых двигателей, она нашла применение в железнодорожных мастерских. Сегодня такую разновидность сварки обозначают аббревиатурой ММА.

Не только в воздухе, но и под водой 

В 1903 году французскими учеными Эдмоном Фуше и Шарлем Пикаром была сконструирована сварочная горелка, работающая на ацетилено-кислородной смеси и позволяющая получить температуру газового пламени 3150°С. Предложенная конструкция принципиально не изменилась до наших дней. В 1906-м появились первые надежные ацетиленовые генераторы, после чего началось промышленное использование данного вида сварки для монтажа газопроводов и другого оборудования.

В 1912 году было создано толстое электродное покрытие, которое представляло собой обертку из синего асбеста. Электроды с толстым покрытием, пропитанным жидким стеклом, нашли свое применение в военной промышленности и кораблестроении. Толстое флюсовое покрытие не только обеспечивало защиту от загрязнения, но и стабилизировало горение электрической дуги благодаря ионизируемым компонентам. Благодаря этому стало возможно создавать сварочные швы без дефектов, а плотность шва впервые стала такой же, как и плотность самого металла.

В конце 1920-х годов известный мостостроитель академик Евгений Патон, оценив перспективы электросварки в мостостроении и других отраслях, решил посвятить этому свою научную деятельность. В 1929 году он основал в Киеве первый в мире институт электросварки. Кроме того, им был разработан целый ряд новых и эффективных технологических процессов электросварки. В годы первых пятилеток СССР внедрение сварочного оборудования и передовой по тому времени технологии сварки способствовало успешному строительству Днепрогэса, «Магнитки», «Уралмашзавода» и других важнейших объектов страны.

Первый пригодный для практического применения способ сварки под водой был создан в Московском электромеханическом институте инженеров железнодорожного транспорта в 1932 году под руководством К.К. Хренова. Дуга в воде горит устойчиво, охлаждающее действие жидкости компенсируется небольшим повышением напряжения дуги, которая плавит металл в воде так же легко, как и на воздухе. Сварка производится вручную штучным плавящимся стальным электродом с толстым (занимает до 30% толщины электрода) водонепроницаемым покрытием. Однако качество сварки в воде все-таки несколько ниже, чем на воздухе, а металл шва недостаточно пластичен.

Плавить металл в воде оказалось так же легко, как и на воздухе

Плавить металл в воде оказалось так же легко, как и на воздухе

В 1940 году был впервые применен вольфрамовый электрод, электрическая дуга которого поддерживалась в гелии. Инертный газ обеспечивал самый высокий уровень стабилизации дуги и защиты от загрязнения. В наше время такая сварка известна под аббревиатурой TIG.

Развитие сварки позволило в годы Великой Отечественной войны быстро наладить производство самолетов, танков и других видов вооружения на заводах Урала и Сибири. Немалую лепту внес Евгений Патон, под руководством которого в кратчайшие сроки были разработаны автоматические стенды для сварки башен и корпусов танков, самоходных орудий, корпусов авиабомб.

С 1946 года для сварки реактивных металлов и алюминиевых конструкций стал использоваться аргон, который зарекомендовал себя как наиболее чистый, безопасный и относительно дешевый газ, химически инертный к расплавам указанных материалов. Сейчас этот метод сварки профессионалы называют MIG/MAG.

В 1960 году была разработана новая технология сварки – с использованием нескольких электродов. Суть ее в следующем: две или более сварочные проволоки под флюсом подаются в сварочную ванну, причем они могут использоваться в качестве присадки или находиться под напряжением. Данный технологический процесс позволяет существенно увеличить скорость плавления металла и улучшить его эксплуатационную гибкость.

На 1960-е годы приходится наибольшее количество разработок в области сварки. Именно тогда впервые изобрели сварку металлов с помощью порошкового электрода в инертном газе и без него, электрогазосварку и другие методы.

В конце 1970-х в Институте электросварки им. Е. Патона была осуществлена сварка под водой полуавтоматом, в котором в качестве электрода использовали так называемую порошковую проволоку (тонкую стальную трубку, набитую смесью порошков), непрерывно подаваемую в дугу. Порошок в этом случае является флюсом. Подводная сварка ведется на глубине до 100 м. Она получила распространение в судоремонтных и аварийно-спасательных работах.

Космические технологии 

В наше время существует свыше 150 видов сварки. Широкое применение получили такие новые способы сварки, как порошковая, плазменная, контактная и электрошлаковая, под водой, в космосе и другие.

Весьма эффективна холодная сварка давлением: она дает сварное соединение, прочность которого иногда превышает прочность основного металла. К тому же в большинстве случаев при такой сварке не происходит значительных изменений в химическом составе металла, поскольку он практически не нагревается. Благодаря такой особенности данный способ сварки незаменим в ряде отраслей промышленности (например, космической, электротехнической, электронной).

Сварка давлением выполняется без применения нагрева, одним только приложением давления, создающим значительную пластическую деформацию (до состояния текучести), которая должна быть не ниже определенного значения, характерного для конкретного металла. Перед сваркой требуется тщательная обработка и очистка соединяемых поверхностей (осуществляется обычно механическим путем, например вращающимися проволочными щетками). Этот способ сварки пригоден для соединения многих металлических изделий (проводов, стержней, полос, тонкостенных труб и оболочек) и неметаллических материалов, обладающих достаточной пластичностью (смолы, пластмассы, стекло и т.п.).

Сегодня сваривать можно не только металлы, но и многие другие материалы

Не менее эффективна сварка взрывом. Это тоже холодная сварка, так как существенного нагрева детали после взрыва не наблюдается. Сваривание происходит за счет очистки поверхности соединяемых деталей кумулятивной струей и их сжатия давлением взрыва. Таким методом удобно сваривать разнородные металлы. Он незаменим для холодной плакировки – нанесения на массивную деталь тонкого слоя другого металла.

Кроме того, для сварки можно использовать механическую энергию трения. Детали зажимаются и сдвигаются до соприкосновения торцами. Затем электродвигатель приводит во вращение специальный стержень, который, подобно сверлу, внедряется в щель между свариваемыми пластинами и перемещается вдоль шва. В результате трения разогреваются и оплавляются поверхностные слои на торцах, вращение прекращается, и производится осадка деталей. Листы в месте стыка становятся пластичными, металл перемешивается и соединяется в сварном шве. Сварка трением с перемешиванием высокопроизводительна и экономична, используется в авиастроении и аэрокосмической промышленности.

Сварка трением с перемешиванием используется в авиастроении и аэрокосмической промышленности

Сварка трением с перемешиванием используется в авиастроении и аэрокосмической промышленности

В наше время именно эту технологию применили в НПК «Объединенная Вагонная Компания» при постройке цистерн модели 15-6901 для перевозки концентрированной азотной кислоты. Ввиду крайней агрессивности груза его транспортировка требует особого подвижного состава, оснащенного алюминиевым котлом (содержание алюминия – 99,5%). При сварке такого котла и используется трение с перемешиванием. Этот способ по сравнению со сваркой плавлением намного продуктивнее. Он показывает низкую дефектность и не оказывает влияния на окружающую среду. Для подтверждения возможности применения данного способа сварки в транспортном машиностроении и проверки механических характеристик сварных образцов в АО «ВНИИЖТ» были выполнены механические испытания. В результате образцы сварного соединения показали рост временного сопротивления на 10% по сравнению c показателем материала в исходном состоянии.

Отечественный вагонный парк сегодня обновляется. На смену изношенным еще в прошлом веке вагонам приходят новые, с улучшенными эксплуатационными характеристиками и изготовленные по самым современным технологиям. А значит, и новейшие способы сварки будут неизменно востребованы российскими вагоностроителями.

Александр Рубцов