История развития сварки
Сварка является надежным, технологичным и эффективным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов.
Две трети производимого стального проката в России идет на изготовление сварных конструкций. Положительная тенденция роста мирового производства стали, определяет рост объема сварочного производства и производства сварочной техники, а также объемов научных исследований и разработок по созданию нового и совершенствованию существующего оборудования и технологий.
Рис. 1. Индексы металлургического производства в 2000–2017 гг.
(в %, значение показателя за год)
В начале ХХI в. объем сварочного производства оценивался примерно в 40 млрд долл., из которых около 70 % приходится на сварочные материалы и около 30 % — на оборудование. Сварочные процессы по широте применения и валовому объему конечного продукта занимают половину всех производственных работ. Трудно назвать отрасль народного хозяйства, где бы не применялась сварка. Сварка в будущем по-прежнему останется наиболее востребованным процессом в промышленности и строительстве с высокой производительностью.
Сварка как способ неразъемного соединения твердых металлических частей известна человечеству с самых древних времен.
Еще в глубокой древности при помощи каменного орудия из самородков золота, серебра, меди обковывали пластинки, острые лезвия, скребки и т.п., для увеличения размеров которых соединяли между собой. Нанося удары по сложенным вместе кускам металла, удавалось добиться их соединения. Ковкой их превращали в листочки, пластинки, острия. Такой процесс считают началом истории холодной сварки.
За несколько тысячелетий до нашей эры некоторые племена научились добывать из руды медь. Но техникой литья они еще не овладели и, поэтому для изготовления крупных изделий из меди, им приходилось прибегать к сварке отдельных подогретых кусков металла. Подогрев металла до пластического состояния облегчал схватывание, а процесс соединения напоминал ковку. Поэтому он и называется кузнечной сваркой.
В III…II тысячелетиях до н. э. в различных районах земного шара начали получать железо. Тогда плавить железо не умели и из руды получали продукт, состоявший из мельчайших частиц железа, перемешанных с частицами руды, угля и шлака. Лишь многочасовой ковкой нагретого продукта удавалось отжать неметаллические примеси и сварить частицы железа в кусок платного металла.
В Средние века развивалось искусство кузнечного дела, производилось много изделий из железа соединенных процессом получения неразъёмных соединений молотком.
Кузнечная сварка и пайка были ведущими процессами сварочной техники вплоть до конца ХIХ в., когда начался совершенно новый, современный период развития сварки.
Рис. 2 Кузнечная сварка
В XIX в. в России расширялось применение электрического привода на промышленных предприятиях, наблюдался подъём транспортного строительства, промышленность владела передовой технологией производства паровозов, вагонов, пароходов, резко увеличился выпуск паровых котлов и паровых машин и т. п. В этот период кузнечная сварка достигла своей вершины. Она была трудоёмка, малопроизводительна, но главное - качество сварных швов было нестабильным и не удовлетворяло требованиям развивающейся техники: при большом числе свариваемых заготовок имели место дефекты - непровары, приводившие к расслоению металла и разрушению нагруженных деталей во время работы. Это было связано с тем, что основными технологическими параметрами процесса сварки являлись температура свариваемого металла и величина его деформации в зоне сварки (обусловленная ударами молота), которые трудно было выдерживать в требуемом достаточно узком диапазоне.
Широко применяемая в настоящее время сварка плавлением, когда происходит локальное расплавление свариваемых поверхностей, образование общей сварочной ванны с последующей кристаллизацией, требовала мощного источника тепла, способного локально расплавить металл. А такого источника тепла в то время не было.
В начале 1802 года профессор Петербургской медико-химической академии В.В. Петров построил самый крупный для того времени источник тока - батарею из 4200 пар медных и цинковых кружков. Именно этой батареи была впервые в мире получена электрическая дуга. Он доказал, что в работе по металлу можно использовать электрическую дугу. Эта идея сразу не воспринялась учеными как нечто необычное. Хотя спустя десятки лет его заслуги были по достоинству оценены. Петров создал базовый прототип современного сварочного аппарата.
В 1800 году сэр Хамфри Дэви открыл короткоимпульсную электрическую дугу и представил свои результаты в 1801 году.
Следующее значимое открытие было сделано Н. Н. Бенардосом. Он создал более 120 оригинальных изобретений, многие из которых не потеряли своего значения и сейчас. Диапазон изобретений поразителен: железные бороны и углубители, скороварки и молотильные машины, паровые ножницы и пневматическая поливалка, пароходные колёса с поворотными лопастями и охотничьи лодки, замки и краны, турбины для гидроэлектростанций и пушка для метания канатов на терпящий бедствие пароход, летательные аппараты и станки для обработки металла и дерева, пневматические и вагонные тормоза и ветряной двигатель.
Большое количество изобретений сделал он в области электротехники. И самым важным из них, принесших ему мировую славу, явился разработанный им в 1882 г. способ электродуговой сварки, названный электрогефестом. Металл расплавлялся дугой, горящей между угольным электродом, закреплённым в специальном держателе, и изделием, подключённым к полюсам источника тока.
Рис 2. Патент на способ дуговой электросварки «Электрогефест», выданный Николаю Бенардосу 17 мая 1887 года
«Электрогефест» успешно применяли и за рубежом. К середине 90-х годов XIX века новый технологический процесс был внедрён более чем на 100 заводах Западной Европы и в США, электросварку начали применять не только для вспомогательных ремонтных работ, но и как основной технологический процесс производства новых металлических изделий.
Создателем нового направления в производстве металлических конструкций стал русский инженер Н.Г. Славянов. Он внес корректировки в изобретение Бенардоса, касающиеся металлургии сварки. Сварка сталей, содержащих легирующие компоненты и примеси, не всегда получалась удачной, так как в шов попадали оксидные включения, в нем скапливались сера и фосфор; металл выгорал и становился хрупким в месте сварки.
Н.Г. Славянов заменил неплавящийся угольный электрод металлическим плавящимся электродом-стержнем, сходным по химическому составу со свариваемым изделием. Но самое главное то, что сварочная ванна была защищена слоем шлака - расплавленного металлургического флюса. Такой процесс повышал качество наплавленного металла при сварке.
Н.Г. Славянов разработал специальный сварочный генератор на 1000 А, заменивший аккумуляторную батарею Бенардоса.
Способ Славянова получил диплом первой степени и золотую медаль на Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году за удивительный экспонат из России - металлический двенадцатигранный стакан высотой 210 мм. Николай Гаврилович последовательно сварил семь несплавляемых металлов: колокольную бронзу, томпак (медно-цинковый сплав), никель, сталь, чугун, медь, нейзильбер (сплав меди с никелем и цинком) и бронзу. Сделанный из этой многослойной заготовки стакан массой 5330 граммов представлял сразу всю гамму конструкционных металлов того времени.
Рис.3 Стакан Славянова Н.Г.
Большое внимание Н.Г. Славянов уделял механизации и автоматизации дуговой сварки. Он изготовил и опробовал первый в мире сварочный полуавтомат, элементы которого использованы и в современных автоматических сварочных головках.
В 1891 году Н.Г. Славянов запатентовал своё изобретение во Франции, Германии, Великобритании, Австро-Венгрии, Бельгии, а в 1897 году - в США.
В 1904 году швед Оскар Кьельберг основал в Гётеборге фирму «ESAB». Деятельность предприятия была связана с применением сварки в судостроении. В результате собственных исследований и наблюдений О. Кьельберг изобрел технологию сварки покрытыми плавящимися электродами. Покрытие стабилизировало горении электрической дуги и защищало зону дуговой сварки. В 1906 году им был получен патент «Процесс электрической сварки и электроды для этих целей».
В России дальнейшее развитие нового технологического процесса электродуговой сварки столкнулось с существенными трудностями: электротехническая промышленность страны была очень слабой. Применение электросварки постепенно сокращалось, а со смертью её создателя практически прекратилось вовсе.
В то же время необходимо отметить, что новый технологический процесс. предложенный Славяновым, не всегда обеспечивал высокое качество соединений, так как плавление стали в дуговом разряде сопровождалось выгоранием углерода, марганца и кремния, при этом сварной шов мог насыщаться кислородом, азотом и водородом. Сварка применялась при изготовлении второстепенных металлоконструкций и неответственных изделий. Удачно найденные решения внедрялись в практику, развивались, служили очередной ступенькой для дальнейшего подъёма сварочного производства.
В 1923-1924 гг. сварку начали применять в металообрабатывающей промышленности.
Также заслуживает внимания первый сварной автомобильный мост в мире, мост Maurzyce, разработанный Стефаном Брюлой из Львовского технологического университета в 1927 году он был построен через реку Слудвя близ города Лович, Польша.
Самостоятельный центр развития сварки возник на Дальнем Востоке. Огромный вклад в развитие сварочного производства внес Виктор Петрович Вологдин – основатель сварного судостроения, ученого с мировым именем, профессор и в дальнейшем ректора ДВПИ (1925-1928 гг.). Он сконструировал и построил первый сварочный генератор, освоил практический опыт поддержания дуги и лично выполнил сварочные работы как рабочий-электросварщик, а в дальнейшем организовал и сварочную мастерскую. Под его же руководством были подготовлены первые кадры сварщиков и в дальнейшем открыт факультет сварки в ДВПИ (ДВГТУ).
Уже в 1930 году на Дальзаводе было построено первое в России цельносварное судно, а затем – более 15 буксирных катеров и сварных барж, и с 1931 года завод начал строить и достраивать корабли и подводные лодки для Тихоокеанского флота на Дальнем Востоке. На станции Большой Невер по проекту Вологдина впервые был построен сварной резервуар для хранения нефтепродуктов.
M / S Carolinian был первым полностью сварным коммерческим судном в мире. Оно было завершено в марте 1930 года в Чарльстоне, Южная Каролина, построенный компанией Charleston Dry Dock & Machine. Строительство корабля заняло около девяти месяцев с момента закладки киля, как обозначается приставкой M/S , судно также имело главный двигатель внутреннего сгорания. Сварная конструкция и двигатели внутреннего сгорания являются основными элементами современного судостроения, что позволяет Каролине стать первым по-настоящему современным торговым судном.
В 1932 г. – Константином Константиновичем Хреновым впервые в мире, в Советском Союзе осуществлена дуговая сварка под водой. Впервые в мировой практике подводную дуговую резку угольным электродом в лабораторных условиях осуществили в 1887 г. Н.Н. Бенардос и проф. Д.А. Лачинов. Продолжения эти работы не получили. Только в начале 30-х гг. ХХ в. были возобновлены работы по применению сварки под водой. В 1932 г. К. К. Хренов разработал электроды для подводной сварки и провел испытания их в Черном море. В середине 30-х гг. ручная дуговая сварка под водой была применена для ряда работ, например, ремонта парохода «Уссури» и подъема парохода «Борис».
В 1938-1939 годах в Западной Европе неожиданно обрушилось несколько мостов. Балки мостов были сварными. В этот период тысячи железнодорожных вагонов в России и других странах были сняты с эксплуатации из-за трещин в сварных рамах и тележках. Начались всесторонние исследования по влиянию процесса сварки на свойства металла шва и околошовной зоны, которые позволили найти способы управлять качеством сварного соединения.
В период с 1934 по 1941 год под руководством Е.О. Патона и при его непосредственном участии был выполнен цикл исследований в области проблем прочности сварных конструкций, их расчёта и надёжности. В результате систематических работ по изучению металлургических и электротехнических процессов дуговой сварки был разработан способ сварки под флюсом.
В годы войны возникла насущная проблема в подводной сварке и резке металлов при ремонте кораблей, мостов, при аварийных и спасательных работах. В декабре 1942 года был сформирован специальный поезд для подводной резки, состоящий из электростанции, водолазных станций, сварочных агрегатов, подъёмных и плавательных средств и т. д.
Характерно, что в годы войны впервые сварка стала применяться практически без ограничений. Так, в 1944 году были спроектированы цельносварные доменные печи, башни и мачты высотой 180 - м и другие ответственные сооружения.
Война открыла широкую дорогу сварке в энергетику. В каждом котельном агрегате тепловой электростанции довоенной постройки имелось по три-четыре барабана - огромных цилиндрических емкости со сферическими днищами. Изготовление этой сложной и ответственной конструкции требовало специального мощного кузнечно-штамповочного оборудования, причём на какие-либо виды сварки или подварки был наложен строжайший запрет - взрыв котла грозил разрушением всей электростанции.
Во время войны при отступлении электростанции выводились из строя взрывом сферической части барабана. Замена барабана для запуска электростанции означала сборку нового котельного агрегата. В 1943 году после освобождения оккупированных территорий было принято рискованное по тем временам решение - "отремонтировать барабаны сваркой". Ручной дуговой сваркой покрытыми электродами с предварительным подогревом свариваемого материала были восстановлены барабаны, которые выдержали гидравлическое давление, в два раза превышающее рабочее. Такого применения сварочной дуги не знала мировая практика. Электростанция была пущена в кратчайший срок.
B годы войны возникла насущная потребность в подводной сварке и резке при ремонте кораблей, мостов, при аварийных и спасательных работах. К.К. Хренов продолжил исследования и разработку техники сварки и резки под водой в специальной лаборатории, организованной в марте 1942 г. при Московском электромеханическом институте инженеров железнодорожного транспорта. В результате были созданы электродные покрытия, обеспечивающие стабильное горение дуги под водой. Результаты всесторонних исследований свойств и состава метала швов, сваренных под водой, показали возможность применения сварки для ремонта подводных частей корпусов кораблей прямо на плаву.
В 1939 г. – Евгением Оскаровичем Патоном разработаны технология автоматической сварки под флюсом и головки для автоматической сварки, электросварные башни танков, электросварной мост. Применение высокопроизводительной автоматической сварки под флюсом на танковых заводах СССР во время Второй мировой войны позволило получить нашей стране существенный перевес по количеству выпускаемых танков над Германией и ее союзниками.
В США, стране значительно удалённой от фронтов, большое внимание уделялось строительству морского транспорта. Только за год, благодаря замене клёпаной конструкции и технологии клёпки на сварную конструкцию и сварку судов было сэкономлено 500 тыс. тонн стали. Цикл постройки сократился до 50 дней. На верфи "Ричмонд Ярд" (Калифорния) был поставлен рекорд сборки и сварки корпуса - 4 дня. Для сокращения времени и уменьшения стоимости изготовления, снижения остаточных напряжений и деформаций была разработана схема "расчленения" корпуса на секции. Каждая секция сваривалась из отдельных листов и элементов набора, что позволяло изготавливать судно на поточной линии в цехе одновременно на нескольких участках. Для сварки листов обшивки, толщина которых достигала 20 мм, применялась дуговая автоматическая сварка под слоем флюса. Для уменьшения деформаций применялась многослойная обратно-ступенчатая сварка.
Сварка применялась и в строительстве американских подводных лодок. В судостроении США впервые был применен способ резки металлов угольной дугой со сжатым воздухом - "Арк эйр", разработанный М. Степатом.
В период развития военного авиастроения для соединения магниевых сплавов Р. Мередитом был разработан новый способ дуговой сварки вольфрамовым электродом в инертных газах (TIG). Дуга при обратной полярности в среде гелия и аргона горела стабильно. При этом применяли присадочную проволоку.
Другие недавние достижения в области сварки включают прорыв 1958 года в области электронно-лучевой сварки, сделавший возможной глубокую и узкую сварку с помощью концентрированного источника тепла. После изобретения лазера в 1960 году лазерная лучевая сварка дебютировала несколько десятилетий спустя и оказалась особенно полезной в высокоскоростной автоматизированной сварке. Магнитно-импульсная сварка (МПВ) промышленно применяется с 1967 года. Все эти три новых процесса остаются довольно дорогими из-за высокой стоимости необходимого оборудования, и это ограничивает их применение.
Говоря о современных достижениях в области сварки нельзя не упомянуть новый метод получения сварных соединений, получивший название «сварка трением с перемешиванием» (СТП), который был изобретен Уэйном Томасом в TWI в 1991 году патентом, зарегистрированным в Европе, США, Японии и Австралии.
Сварка трением с перемешиванием относится к процессам соединения материалов в твердой фазе и поэтому лишена недостатков, связанных с расплавлением и испарением металла. FSW в основном используется в авиационной промышленности для сварки крыльев, топливных баков, конструкций самолетов и т.д, также используется в электронной промышленности для соединения шин, алюминия с медью, соединителей и другого электронного оборудования.
В связи с увеличением объемов механизированных и автоматизированных способов сварки огромное внимание уделяется созданию новых сварочных аппаратов, прежде всего с уменьшенными массой и габаритами, которые расширят возможности их практического применения. Развитие робототехники будет способствовать дальнейшей автоматизации процессов соединения.
автор Дарья Калашникова