Сварка

Как древние египетские кузнецы соединяли металлы друг с другом, когда изобрели ацетилен, каким методом сваривают под водой – обо всем этом и многом другом в хронологическом порядке вы можете прочитать в этой статье.

Античность и средние века Соединение металлов с низкой температурой плавления известно с древности. В то время использовались воздуходувки или мехи (1), которыми пламя направлялось на припаиваемый объект. Изделия из золота, серебра, меди, латуни и бронзы изготавливались методом сварки в очаге.

С открытием и началом производства стали она стала основным сырьем для изготовления инструментов и оружия, а ее сварка в кузнечном сердце стала популярной как основная технология. В средние века были изучены другие методы пайки металлов. С этого периода известны примеры пайки золотых и серебряных колец, фибул, сбруи, книжной фурнитуры и т. д.

1. Древний эгейский коваль

1800 Первое преднамеренное создание дуги между двумя угольными электродами с помощью батареи было приписано сэру Хамфри Дэви. В середине девятнадцатого века был изобретен электрический генератор, и эти открытия воспользовались дуговым освещением.

1836 Открытие ацетилена приписывают англичанину Эдмунду Дэви. Это произошло случайно при попытке выделить металлический калий. Нагревая карбонат калия с углеродом при очень высоких температурах, Дэви получил вещество, ныне известное как карбид калия ( K₂C₂), которые вступали в реакцию с водой с выделением нового газа.

1846 Работая в британском адмиралтействе, Джеймс Нэсмит обнаруживает, что при подготовке слегка выпуклых поверхностей для сварки стружка и флюс выдавливаются из соединения, что увеличивает его прочность. До изобретения сварки ее применяли в кузнечном деле.

2. Патент Бенардоса-Ольшевского на сварочное устройство.

1881-1887 Огюст де Меритенс из лаборатории Кабота во Франции использовал тепло электрической дуги в 1881 году, используя угольный электрод для соединения свинцовых пластин. Его ученик, русский Николай Н. Бенардос, использует результаты Меритенса для разработки техники электросварки. Вместе со своим польским коллегой Станиславом Ольшевским Бенардос разрабатывает технику (2), которую они оба назвали. На него получают патенты — британский в 1885 году и американский в 1887 году.

Изобретатели также разработали все элементы, используемые в настоящее время в процессе электросварки, такие как трансформаторный сварочный аппарат с питанием от переменного тока, электрод, помещенный в держатель (неплавящийся, угольный), клемму заземления и кабели, соединяющие все вместе.

Сварка методом Бенардоса и Ольшевского заключается в сплавлении кромок соединяемых металлов и присадочного металла электрической дугой, тлеющей между свариваемым материалом и угольным электродом. Применение этого решения в настоящее время ограничено, поскольку сварные швы науглероживаются частицами углерода от электрода и окисляются кислородом воздуха, что делает их твердыми и ломкими.

1885 Элиху Томсон подал два патента на «электросварочный аппарат», изобретя технику контактной сварки. Он заключается в соединении элементов, на которые действует усилие зажима электрода при включении электрического тока большой силы. В результате протекания тока на контактной поверхности элементов выделяется тепло, имеющее значительно большее электрическое сопротивление, чем сопротивление самих соединяемых элементов. В течение следующих пятнадцати лет изобретатель усовершенствовал этот метод.

1888 Николай Славянов изобретает плавкий металлический электрод, который заменил твердые и неплавкие угольные электроды, использовавшиеся ранее в процессе.

1893 Немецкий химик Ганс Гольдшмидт изобретает термит, который также быстро используется для сварки. Это смесь порошкообразного алюминия и оксида железа. Он вступает в сильно экзотермическую окислительно-восстановительную реакцию, при которой алюминий быстро восстанавливает оксиды металлов, что сопровождается одной из самых высоких температур, получаемых в промышленных процессах (ок. 3000 °С, а в присутствии материалов, повышающих температуру, — даже 3800 °С). ) и интенсивное свечение.

Продуктами реакции являются оксид алюминия и жидкое железо. Термиты используются, в частности, в как сварочное средство для сварки труб и рельсов (4).

4. Термитная сварка рельсов

1894 Француз Хенрик Мессон разрабатывает промышленный способ получения карбида (3). Его получали в электропечах сопротивления, где измельченную смесь известняка или извести с углем обжигали при температуре 2300°С.

3. Старое оборудование для производства ацетилена из карбида.

5. Сечение ацетиленового баллона

1897 Французские ученые Жорж Клод и Альбер Гессе изобрели способ хранения ацетилена под давлением (5) в виде ацетилена, растворенного в ацетоне.

1900-1907 Артур Перси Строменгер и Оскар Кьельберг производят первые покрытые электроды.

Для их изготовления Штроменгер использовал глину и известь, а Кьельберг погрузил стальную проволоку в смеси карбонатов и силикатов.

Работы по технике липкого электрода (6) были завершены примерно в 1907 г. Это был в некотором роде завершающий этап работ по технике электросварки в современном понимании.

1901 Чарльз Пикард создает первую кислородно-ацетиленовую горелку (7) для сварки. Спустя три года он строит первую кислородно-ацетиленовую горелку для резки стали — высокого давления, работающую на ацетилене из баллона.

Для процесса кислородно-ацетиленовой сварки требуются два баллона, один из которых содержит горючий газ, ацетилен, а другой — кислород. Кислородно-ацетиленовое пламя нагревается до температуры примерно 3500°С.

7. Кислородно-ацетиленовая горелка

1920 General Electric внедряет первые методы автоматической сварки.

В методе используется оголенная электродная проволока, питаемая постоянным током и напряжением дуги, в качестве основы для регулирования скорости продвижения развернутого электрода. Он использовался для ремонта изношенных валов двигателей и крановых колес. Он также использовался в автомобильной промышленности для производства картеров заднего моста.

20-е годы. Первые применения инертных газов для защиты электрической дуги (8). Дуговая сварка в среде инертного газа неплавящимся вольфрамовым электродом (TIG/GTAW) началась с идеи Чарльза Л. Коффина, запатентованной еще в 1890 году, для сварки в атмосфере неокисляющего газа.

Эта концепция была разработана в конце 20-х гг. Х. М. Хобартом, использовавшим гелий, и П. К. Деверсом, использовавшим аргон. Этот процесс отлично подходит для сварки магния, а также нержавеющей стали и алюминия. Он был усовершенствован в 1941 году, запатентован Расселом Мередитом из Northrop Aircraft и назван сваркой Heliarc.

1924 Ирвинг Ленгмюр изобретает атомную сварку — в ходе своих исследований атомарного водорода в США. (AHW) — это процесс дуговой сварки, в котором используется дуга между двумя вольфрамовыми электродами в защитной водородной атмосфере. Электрическая дуга эффективно расщепляет молекулы водорода, которые впоследствии рекомбинируют с огромным выделением тепла, достигая температуры от 3400 до 4000°С.

1940 В феврале этого года Роберт К. Хопкинс запатентовал разработанный им процесс электрошлаковой сварки. Позже метод развивался и совершенствовался в Институте Патона в Киеве в СССР — до 1950 года, когда он был продемонстрирован на ярмарке в Брюсселе.

На первом этапе процесса между электродом и заготовкой зажигается электрическая дуга. Флюс, покрывающий зону стыка, начинает плавиться и образуется резервуар жидкого шлака, глубина которого становится больше. Когда температура шлака повышается и, следовательно, увеличивается его электропроводность, дуга гаснет и через жидкий шлак потечет электрический ток. Так как жидкий шлак имеет определенное сопротивление, протекающий ток производит тепловую энергию, необходимую для процесса сварки.

9. Катушка с проволокой для сварки методом

1948 Дуговая сварка в среде защитного газа (-GMAW) разработана в Мемориальном институте Баттеля под патронажем компании Air Reduction. В этом процессе используется дуга в среде защитного газа, аналогичная вольфрамовой дуге, но во время сварки вольфрамовый электрод заменяется плавящимся электродом. Первые применения GMAW были в сварке цветных металлов. Первоначально он не использовался для сварки стальных элементов из-за затрат.

1949 Немецкий физик Карл-Хайнц Штайгервальд, анализируя различные применения электронного луча, разрабатывает электронную сварку. Он также проектирует машину для этого процесса — она ​​начала работать в 1958 году. Американский изобретатель Джеймс Т. Рассел также многим обязан созданием практичной машины для электронной сварки.

Электронная сварка заключается в нагреве места соединения металлов с помощью электронного луча. Для этого используется электронный сварочный аппарат, в котором источником электронов является электронная пушка. Электроны ускоряются на десятки кВ. Характерной особенностью электронно-лучевой сварки является то, что она чаще всего происходит в вакуумной среде, и то, что сварной шов образуется путем сплавления кромок соединяемых деталей.

1953 Советские инженеры Любавский и Новожилов разрабатывают технологию сварки плавкими электродами в атмосфере углекислого газа. Процесс сварки углекислым газом₂ он сразу встретил с интересом. Во-первых, здесь используется оборудование, разработанное для дуговой сварки металлом в среде инертного газа. Во-вторых, стоимость газа оказалась настолько низкой, что этот метод можно было успешно использовать для сварки стали.

1957 Роберт М. Гейдж разрабатывает процесс плазменной дуговой сварки и резки, который обеспечивает точную резку и сварку как тонких, так и толстых металлов, а также наплавку закаленных напылением металлов на другие металлы. Одним из примеров применения было создание покрытия распылением на лопатках турбины ракеты «Сатурн». Как и при сварке TIG, дуга при плазменной сварке образуется между неплавящимся вольфрамовым электродом и основным материалом.

При плазменной сварке дуга фокусируется благодаря специально разработанному соплу с водяным охлаждением. Преимуществом этого решения, помимо сужения дуги, является повышение температуры процесса примерно до 20 000 °C.

1959 Изобретение самозащитного электрода (9), не требующего внешней газовой защиты. Этот процесс получил название. Во время сварки флюсы в сердечнике проволоки выделяют газы и шлак, которые защищают т.н. сварочная ванна и горячий затвердевший металл шва.

1962 Первое промышленное применение роботизированной сварки. На заводе General Motors с конвейера выходит робот Unimation 001, разработанный Джорджем Деволом и Джозефом Энгельбергером для точечной сварки.

70-е годы. Появится лазерная сварка (10). Благодаря огромной концентрации энергии на небольшом пространстве лазерный луч оказывается мощным источником тепла, пригодным для резки металлов и неметаллов. Такую сварку проводят в среде инертного газа или — если свариваемый материал не окисляется — на воздухе, обеспечивая высокую прочность сварных швов. Эта технология обычно используется в крупносерийном производстве, например, в автомобильной промышленности.

XXI век Разработка современных методов гибридной сварки, представляющей собой сочетание лазерной и дуговой сварки плавящимся электродом. Важной особенностью этих решений является получение более гибких соединений, чем при лазерной сварке, при сохранении высокой скорости процесса. Комбинация лазерного излучения и электрической дуги известна с 70-х годов, но только недавно появилась в промышленных применениях. Существует три основных типа гибридных сварочных процессов, в зависимости от используемой электрической дуги: TIG, плазменно-дуговая сварка и сварка плавящимся лазером (MIG).

2015 Специалисты финского Лаппеенрантского технологического университета разрабатывают систему автоматической сварки на основе нейронных сетей, способную самостоятельно исправлять ошибки, адаптироваться к изменяющимся условиям и при этом вести процесс сварки согласно проекту. Сенсорная система в новой технологии контролирует не только угол сварки, но и температуру в точке плавления металла, а также форму сварного шва.

Данные на постоянной основе получает нейросеть, которая принимает решение об изменении параметров в процессе сварки. Например, при дуговой сварке в среде защитных газов система может одновременно изменять силу тока, напряжение, скорость движения и настройку сварочного аппарата.

Методы сварки

• Газ: чаще всего используется при сжигании ацетилена при температуре до 3100°С; применяется для склеивания листов толщиной 0,4-40 мм.
• Электрический: с применением сварочного аппарата — устройства, основанного на явлении электрической дуги, при температуре до 4000°С; для склеивания металлических листов толщиной 1-80 мм. Существует три основных метода электросварки:

1. elektrodami otulonymi,
2. крытая арка,
3. в газовом щите:

   — metoda MIG () — дуговая сварка плавящимся электродом в среде инертного газа (Ar, He, Ar + He), применяемая для сварки и наплавки во всех положениях, в автоматическом или полуавтоматическом режиме;

   — metoda MAG () — дуговая сварка в виде химически активного газа (СО₂, CO₂ + инертный газ);

   — sсварка порошковой проволокой;

   — метод TIG () — дуговая сварка неплавящимся электродом, защищенным инертными газами (Ar, He, Ar+He). Он позволяет работать практически со всеми металлами и их сплавами, в том числе соединяя их между собой. Полученный металл шва представляет собой сплав расплавленной части основного материала и связки (проволоки, прутка, палки), подаваемой в зону накала дуги. Чаще применяют сплавы, близкие по составу к основному материалу, но с добавками, улучшающими качество сварных соединений в различных его проявлениях. TIG можно использовать во всех положениях;

   — metoda TOPTIG — разработанная компанией AIR LIQUIDE WELDING технология сварки промышленным роботом, сочетающая в себе качество, достигаемое TIG, с эффективностью, обеспечиваемой MIG. Суть этого решения заключается в запатентованной горелке, в которой присадочная проволока проходит под очень небольшим углом к ​​вольфрамовому электроду;

   — FCAW () — дуговая сварка порошковой проволокой; защита от дуги благодаря флюсу, содержащемуся в проволоке, и дополнительная защита газом, подаваемым извне.

• Электрический газ (EGW -): эволюция метода электрошлаковой сварки, напоминающая его как с точки зрения приборов, так и с точки зрения применения. Однако расплавление электрода происходит не за счет тепла, образующегося в шлаке, а, как и в методе MIG/MAG, за счет свечения сварочной дуги в защитном газовом щите.
• Электронный: метод, который позволяет соединять металлы (например, вольфрам-медь, ниобий-медь), которые не могут быть связаны с другими методами сварки.
• Гибридный: сочетание лазерной и дуговой сварки плавящимся электродом.
• Дуговой водород (атомный).
• Лазер.
• Плазма.
• Термитове.
• Электрошлак.