Основополагающие открытия
Прорыв в технологии сварочного производства был совершен в период промышленного переворота или промышленной революции. Открытия в области электричества совершались на протяжении веков, что привело в итоге к следующему.
В 1802 году русский физик Василий Владимирович Петров открыл и, будучи физиком-экспериментатором, доказал возможность применять на практике электрическую дугу. Это открытие считается самым выдающимся успехом ученого. Оно является главным прототипом современных сварочных устройств.
Сэр Гемфри Дэви в 1821 году проводил исследования с электрической дугой. Его ученик, Майкл Фарадей посвятил много времени изучению связи электричества и магнетизма. В 1830-х годах он открыл электромагнитную индукцию.
Немного позднее электрическая дуга уже начала служить во благо общества, когда появилась в бытовых лампах для освещения.
Только в 1881 году Николай Николаевич Бенардос, русский инженер и изобретатель, придумал непосредственно дуговую электросварку «Электрогефест». После нескольких лет совершенствования изобретения, в 1887 году, оно было запатентовано, а уже спустя несколько лет распространилось не только по всей России, но и по всему миру.
В 1885 году Бернадос открыл товарищество «Электрогефест», имевшее первую мастерскую по сварочным работам. Бенардос впервые получил патент на свое изобретение. На получения этого патента в России ученый потратил последние сбережения, европейские страны выдали патент с помощью привлеченных средств от купца Ольшевского.
После всемирного распространения способа электродуговой сварки и мирового признания Бенардос разработал электродуговую сварку с угольными и металлическими электродами. Он стал основоположником идеи электродугового сварочного процесса с металлическим электродом при переменном токе; сварки наклонным электродом; технизации сварочного процесса.
Таким образом, всех вышеуказанных ученых и изобретателей считают основоположниками сварки, теми, кто её изобрел.
Несмотря на такие ключевые открытия в области электросварки, XIV век не славится ее обширным и повсеместным использованием, так как электроэнергия была в дефиците. Применять все новые открытия было проблематично, но никто не собирался отказываться от их применения. Преобразование сварочного оборудования и сварочных аппаратов продолжалось.
1904 год ознаменован появлением резаков. 1908-1909 года характеризуются появлением технологии подводной резки металлов. Применять ее начали во Франции и Германии. Газовая сварка занимала лидирующие позиции в сварочном производстве вплоть до 30-х годов, усиленно применялась в годы Первой мировой войны.
Дуговая электросварка в эти годы не была такой распространенной ввиду того, что ее источник питания требовал совершенствования (длина дуги была небольшая, она горела неустойчиво). Эту проблему в период с 1914 по 1917 гг. разрешали такие ученые как Строменгер, С.
Первые сварные конструкции
Кораблестроение. Первые нормативы на стальные суда были выданы Регистром Ллойда в 1855 г. и Бюро Веритас в 1858 г. Поскольку преобладающим видом соединения металлических листов была клепка, эти суда собирались без применения сварки. Впервые сварка была использована в качестве ремонтной технологии, больше по необходимости, нежели осознанно.
Сварочная технология впервые была широко применена в 1905 году для ремонта русских судов, поврежденных во время войны с Японией. Успех этих ремонтных работ обусловил идею использования сварки с самого начала сооружения судна. После ремонта небольших барж в 1915—1917 гг.
Вскоре после Первой мировой войны все государства, имеющие в своем распоряжении морской флот, проявили живой интерес к быстрому и дешевому способу строительства судов. В Швеции было сконструировано и построено 16-ти метровое судно «ESAB IV», демонстрирующее все особенности цельнометаллической конструкции корпуса корабля. По этому проекту во Франции был построен 20-ти метровый корабль «SAF 4», а в Японии спущен на воду «Suwa Maru».
Первое большое судно дальнего плавания было построено и спущено на воду в Великобритании в 1919 г. Корабль «Fullagar» имел 46 метров в длину и водоизмещение 398 тонн. Это судно выдержало серьезное крушение, которое потопило бы клепаный корабль. Очередной значительный шаг в направлении совершенства сварных кораблей был сделан в связи с ограничением тоннажа немецких судов по Версальскому договору.
В 20-е и 30-е годы ХХ в. клепаные суда еще оставались в большинстве. Картина изменилась в 40-е годы. Вторая мировая война породила огромный спрос на корабли, удовлетворить который могли только сварные суда. В эти годы в США было построено 2600 так называемых «Либерти Шипс» (Кораблей Свободы).
При эксплуатации сварных судов проявился новый вид разрушения корпуса судна. Он появлялся в основном из-за остаточных напряжений и отсутствия способности к деформации при определенных условиях. В конечном счете, большие научно-исследовательские работы смогли решить проблему хрупкого излома с помощью специальных материалов, требований к проектированию и сварке.
Несущие стальные конструкции для зданий. Несущим стальным конструкциям для зданий с самого начала пришлось остро соперничать с бетонными и каменными. Сталь применяли только тогда, когда свойства общепринятых материалов были недостаточными.
Примером может служить Эйфелева башня в Париже. В то время невозможно было возвести подобное сооружение из бетона. Развитие сварочной технологии изменило отношение к ней. Значительное сокращение стоимости производства и времени изготовления сделали стальные конструкции конкурентоспособными во многих областях. Экономичное превосходство сварных конструкций стало очевидным.
С 1920 года в США были начаты проектные исследования по созданию конструкций несущих каркасов для многоэтажных зданий с использованием сварочной технологии.
Результаты этих исследований и ожидания снижения стоимости строительства были настолько убедительными, что 7-этажная больница Калифорнийского университета была построена за один месяц. Сообщалось, что при этом использовали 10 сварочных установок, которыми сварили более чем 3500 м швов.
Несколькими годами позже этот успех привлек внимание европейских конструкторов. В 1922 году в Германии (Neese) была представлена на рассмотрение первая докторская диссертация, посвященная деталям конструкций, проектированию, анализу и проверке качества сварных соединений.
В 20-е годы по всему миру было воздвигнуто несколько зданий с применением сварки. В Германии были построены заводские здания, 13-этажное здание было возведено в Катовицах (Польша) и 20-этажное в Швейцарской Лозанне. Строительство здесь проходило по обычной технологии: изготовление элементов конструкций в цехе с использованием всех установок оснастки, приборов и доступных для автоматизации средств, а затем последующее возведение здания на монтажной строительной площадке с помощью сварки, а иногда и болтовых соединений.
После этой ранней, более или менее экспериментальной стадии новой технологии, потребовались правила и нормативы. Первые нормативы были введены в Германии в 1926 г. Затем в Польше в 1927 был опубликован норматив «Стандартное производство металлоконструкций с использованием дуговой сварки».
Мосты. С середины XIX века, когда сталь стала дешевой и массовой продукцией, начали возводить огромные мосты. В качестве примера можно вспомнить некоторые выдающиеся сооружения: мост через реку Форт, мост Тайн Бридж в Великобритании, Бруклинский мост в Нью-Йорке.
Во Франции в 1923 году механики были вынуждены взяться за срочный ремонт моста. С помощью сварки были добавлены ребра жесткости. Год спустя после удачного опыта железнодорожный виадук был отремонтирован и усилен сваркой. Допустимую нагрузку смогли удвоить.
В конце 20-х годов были сооружены первые сварные мосты. Пионерами были США и вслед за ними Советский Союз, выполнявший свои пятилетние планы. Экономия от применения сварки при строительстве мостов была значительной. В 1930 году уже существовали первые нормативы на сварные мосты, и широкому применению сварки уже ничего не мешало.
В Бельгии были построены мосты через канал Альберта. Позднее они рухнули из-за хрупкостных разрушений. Замечательным примером того времени является полностью сварной мост в Чехословакии (Faltus). Проект производства сварочных работ отвечает всем современным требованиям. К концу 30-х годов были полностью разработаны концепции, проект и анализ сварных мостов.
Транспортные средства и оборудование. Вероятно, не случайно, автомобильная промышленность и сварочная технология развивались в одно и тоже время. В Германии первая реализация ацителено-кислородной сварки состоялось на автомобильном заводе.
По другую сторону реки Рейн, во Франции автомобильная промышленность сыграла роль первооткрывателя. Ситроен создал первый отдел сварки, который отвечал за все аспекты новой технологии, например, за выбор материалов, технологию сварки, обеспечение качества и обучение персонала.
Все больше и больше узлов производили с использованием сварки. Технология вводилась постепенно, шаг за шагом и в 30-е годы были спроектированы полностью сварные конструкции железнодорожных составов, локомотивов, трамваев, электрогенераторов и, в целях обороны, бронемашин.
После войны сварка стала развиваться в мирных целях. Кроме непрерывных улучшений, можно увидеть и несколько краеугольных камней развития. В машиностроении, особенно при конструировании станков, механизмов и оборудования, литые чугунные корпуса были почти полностью заменены сварными.
В 60-х и 70-х годах появление высокопрочных закаленно-отпущенных сталей оказало основное влияние на конструирование кранового, металлообрабатывающего и землеройного оборудования. Без этих материалов было бы не возможно создание передвижных кранов с грузоподъемностью до 1000 тонн.
Краткая историческая справка о развитии сварки в мире и в россии в частности
Введение
В 1802 году впервые в мире профессор физики Санкт-Петербургской медико-хирургической академии В.В.Петров (1761-1834гг.) открыл электрическую дугу и описал явления, происходящие в ней, а также указал на возможность её практического применения. В 1881 году русский изобретатель Н.Н.
Бенардос (1842-1905гг.) применил электрическую дугу для соединения и разъединения стали. Дуга Н.Н. Бенардоса горела между угольным электродом и свариваемым металлом. Присадочным прутком для образования шва служила стальная проволока. В качестве источника электрической энергии использовались аккумуляторные батареи.
Сварка, предложенная Н.Н. Бенардосом, применялась в России в мастерских Риго-Орловской железной дороги при ремонте подвижного состава. Н.Н. Бенардосом были открыты и другие виды сварки: контактная точечная сварка, дуговая сварка несколькими электродами в защитном газе, а также механизированная подача электрода в дугу.
В 1888 году русский инженер Н.Г.Славянов (1854-1897гг.) предложил дуговую сварку плавящимся металлическим электродом. Он разработал научные основы дуговой сварки, применил флюс для защиты металла сварочной ванны от воздействия воздуха, предложил наплавку и сварку чугуна. Н.Г.
Славянов изготовил сварочный генератор своей конструкции и организовал первый в мире электросварочный цех в Пермских пушечных мастерских, где работал с 1883 по 1897г. Н.Н.Бенардос и Н.Г.Славянов положили начало автоматизации сварочных процессов. Однако в условиях царской России их изобретения не нашли большого применения.
Только после Великой Октябрьской социалистической революции сварка получает распространение в нашей стране. Уже в начале 20-х гг. под руководством профессора В.П.Вологдина на Дальнем Востоке производили ремонт судов дуговой сваркой, а также изготовление сварных котлом, а несколько позже – сварку судов и ответственных конструкций.
Развитие и промышленное применение сварки требовало разработки и изготовления надёжных источников питания, обеспечивающих устойчивой горение дуги. Такое оборудование – сварочный генератор СМ-1 и сварочный трансформатор с нормальным магнитным рассеянием СТ-2 – было изготовлено впервые в 1924 году Ленинградским .
В том же году советский учёный В.П. Никитин разработал принципиально новую схему сварочного трансформатора типа СТН. Выпуск таких трансформаторов начал с 1927г. В 1928 году учёный Д.А. Дульчевский изобрёл автоматическую сварку под флюсом. Новый этап в развитии сварки относится к концу 30-ых годов, когда коллективом института электросварки АН УССР под руководством академика Е.О.
Патона был разработан промышленный способ автоматической сварки под флюсом. Внедрение его в производство началось с 1940г. Сварка под флюсом сыграла огромную роль в годы войны при производстве танков, самоходных орудий и авиабомб. Позднее был разработан способ полуавтоматической сварки под флюсом.
В конце 40-ых годов получила промышленное применение сварка в защитном газе. Коллективами Центрального научно-исследовательского института технологий машиностроения и Института электросварки имени Е.О. Патонова разработана и в 1952 году внедрена полуавтоматическая сварка в углекислом газе.
Огромным достижением сварочной техники явилась разработка коллективом ИЭС в 1949 году электрошлаковой сварки, позволяющей сваривать металлы практически любой толщины. Авторы сварки в углекислом газе плавящимся электродом и электрошлаковой сварки К.М. Новожилив, Г.З.
Волошкевич, К.В.Любавский и др. удостоены Ленинской премии. В последующие годы в стране стали применяться: сварка ультразвуком, электронно-лучевая, плазменная, диффузионная, холодная сварка, сварка трением и др. Большой вклад в развитие сварки внесли учёные нашей страны: В.П.Вологдин, В.П.Никитин, Д.А.
Дульчевский, Е.О. Патонов, а также коллективы Института электросварки имени Е.О. Патонова, Центрального научно-исследовательского института технологии машиностроения, Всесоюзного научно-исследовательского и конструктивного института автогенного машиностроения, Института металлургии имени А.А.
• экономия металла – 10…30% и более в зависимости от сложности конструкции • уменьшение трудоёмкости работ, сокращение сроков работ и уменьшение их стоимости • удешевление оборудования • возможность механизации и автоматизации сварочного процесса • возможность использования наплавки для восстановления изношенных деталей • герметичность сварных соединений выше, чем клепаных или резьбовых • уменьшение производственного шума и улучшение условий труда рабочих
Виды сварки.Сварка плавлением осуществляется при нагреве сильным концентрированным источником тепла (электрической дугой, плазмой и др.) кромок свариваемых деталей, в результате чего кромки в месте соединения расплавляются, самопроизвольно сливаются, образуя общую сварочную ванну, в которой происходят некоторые физические и химические процессы.
Сварка давлением осуществляется пластическим деформированием металла в месте соединения под действием сжимающих усилий. В результате различные загрязнения и окислы на свариваемых поверхностях вытесняются наружу, а чистые поверхности сближаются по всему сечению на расстояние атомного сцепления.
Основные виды сварки:
Ручная дуговая сварка осуществляется покрытыми металлическими электродами. К электроду и свариваемому металлу подводится переменный или постоянный ток, в результате чего возникает дуга, постоянную длину которой необходимо поддерживать на протяжении всего процесса сварки.
Дуговая сварка под флюсом. Сущность сварки состоит в том, что дуга горит под слоем сварочного флюса между концом голой электродной проволоки. При горении дуги и плавлении флюса создаётся газошлаковая оболочка, препятствующая отрицательному воздействию атмосферного воздуха на качество сварного соединения.
Дуговая сварка в защитном газе производится как неплавящимся (чаще вольфрамовым), так и плавящимся электродам. При сварке неплавящимся электродом дуга горит между электродом и свариваемым металлом в защитном инертном газе. Сварочная проволока вводится в зону сварки со стороны.
Сварка плавящимся электродам выполняется на полуавтоматах и автоматах. Дуга в данном случае возникает между непрерывно подающейся голой проволокой и свариваемым металлом. В качестве защитных газов применяют инертные (аргон, гелий, азот) и активные газы (углекислый газ, водород, кислород), а также смеси аргона с гелием, либо углекислым газом, либо кислородом; углекислого газа с кислородом и др.
Газовая сварка осуществляется путём нагрева до расплавления свариваемых кромок и сварочной проволоки высокотемпературным газокислородным пламенем от сварочной горелки. В качестве горючего газа применяется ацетилен и его заменители (пропан-бутан, природный газ, пары жидких горючих и др.)
Электрошлаковая сварка применяется для соединения изделий любой толщины в вертикальном положении. Листы устанавливают с зазором между свариваемыми кромками. В зону сварки подают проволоку и флюс. Дуга горит только в начале процесса. В дальнейшем после расплавления определённого количества флюса дуга гаснет, и ток проходит через расплавленный шлак.
Контактная сварка осуществляется при нагреве деталей электрическим током и их пластической деформации (сдавливании) в месте нагрева. Местный нагрев достигается за счёт сопротивления электрическому току свариваемых деталей в месте их контакта.
• стыковой контактной сварке свариваемые части соединяют по поверхности стыкуемых торцов. • точечной контактной сваркой соединение элементов происходит на участках, ограниченных площадью торцов электродов, подводящих ток и передающих усилие сжатия. • рельефная контактная сварка осуществляется на отдельных участках по заранее подготовленным выступам – рельефам. • шовной контактной сварке соединение элементов выполняется внахлёстку вращающимися дисковыми электродами в виде непрерывного или прерывистого шва.
Электронно-лучевая сварка. Сущность процесса сварки электронным лучом состоит в использовании кинетической энергии электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. При бомбардировке поверхности металла электронами подавляющая часть их кинетической энергии превращается в теплоту, которая используется для расплавления металла.
Для сварки необходимо: получить свободные электроны, сконцентрировать их и сообщить им большую скорость, чтобы увеличить их энергию, которая при торможении электронов в свариваемом металле превращается в теплоту.
Электронно-лучевой сваркой сваривают тугоплавкие и редкие металлы, высокопрочные, жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы и стали.
Диффузионная сварка в вакууме имеет следующие преимущества: металл не доводится до расплавления, что даёт возможность получить более прочные сварные соединения и высокую точность размеров изделий; позволяет сваривать разнородные материалы: сталь с алюминием, вольфрамом, титаном, металлокерамикой, молибденом, медь с алюминием и титаном, титан с платиной и т. п.
Плазменной сваркой можно сваривать как однородные, так и разнородные металлы, а также неметаллические материалы. Температура плазменной дуги, применяемой в сварочной технике, достигает 30 000 C. Для получения плазменной дуги применяются плазмотроны с дугой прямого или косвенного действия.
В плазмотронах прямого действия плазменная дуга образуется между вольфрамовым электродом и основным металлом. Сопло в таком случае электрически нейтрально и служит для сжатия и стабилизации дуги. В плазмотронах косвенного действия плазменная дуга создаётся между вольфрамовым электродом и соплом, а струя плазмы выделяется из столба дуги в виде факела.
Дугу плазменного действия называют плазменной струёй. Для образования сжатой дуги вдоль её столба через канал в сопле пропускается нейтральный одноатомный (аргон, гелий) или двухатомный газ (азот, водород и другие газы и их смеси). Газ сжимает столб дуги, повышая тем самым температуру столба.
Лазерная сварка. Лазер – оптический квантовый генератор (ОПГ). Излучателем – активным элементом – в ОРГ могут быть: 1) твёрдые тела – стекло с неодимом, рубин и др.; 2) жидкости – растворы окиси неодима, красители и др.; 30 газы и газовые смеси – водород, азот, углекислый газ и др.; 4) полупроводниковые монокристаллы – арсениды галлия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др.
Обрабатывать можно металлы и неметаллические материалы в атмосфере, вакууме и в различных газах. При этом луч лазера свободно проникает через стекло, кварц, воздух. Холодная сварка металлов. Сущность этого вида сварки состоит в том, что при приложении большого давления к соединяемым элементам в месте их контакта происходит пластическая деформация, способствующая возникновению межатомных сил сцепления и приводящая к образованию металлических связей.
Сварка производится без применения нагрева. Холодной сваркой можно получать соединения стык, внахлёстку и втавр. Этим способом сваривают пластичные металлы: медь, алюминий и его сплавы, свинец, олово, титан. Сварка трением выполняется в твёрдом состоянии под воздействием теплоты, возникающей при трении поверхностей свариваемых деталей, с последующим приложением сжимающих усилий.
Прочное сварное соединение образуется в результате возникновения металлических связей между контактирующими поверхностями свариваемых деталей. Высокочастотная сварка основана на нагревании металла пропусканием через него токов высокой частоты с последующим сдавливанием обжимными роликами.
Такая сварка может производиться с подводом тока контактами и с индукционным подводомтока. Сварка ультразвуком. При сварке ультразвуком неразъёмное соединение металлов образуется при одновременном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий.
Этот способ применяется при сварке металлов, чувствительных к нагреву, пластичных металлов, неметаллических материалов. Сварка взрывомоснована на воздействии направленных кратковременных сверхвысоких давлений энергии взрыва порядка (100…200)
Х 108 Па на свариваемые детали. Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, при плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами с особыми физическим и химическими свойствами, а также при сварке деталей из разнородных металлов и сплавов.
