HomeСварка стали › История соединения стали

История соединения стали

История соединения стали Философы и историки предшествующих времен пытались представить себе историю первобытного общества, опираясь на мифы, предания, археологические исследования. К началу XIX в. археологи накопили большое количество знаний об орудиях первобытного человека.

 

Датский археолог К. Томсен предложил разделить развитие первобытного общества на три стадии: каменный, бронзовый, железный века. Эта классификация была им основана на различии материалов, из которых преимущественно изготовлялись изделия в соответствующие века. Однако различия были не только в материалах, но и в способах их обработки. Сейчас мы знаем много способов соединения деталей, а в первобытные времена главным, а может быть и единственным, было связывание. Способ связывания по времени совпадает с каменным веком.

 

В бронзовый и железный века, когда начали осваивать металлы, необходимо было создать новую технологию соединения. Первым способом соединения металлов была кузнечная сварка.

 

Камнем подходящей формы человек начал выковывать из самородков золота, серебра, меди разнообразные орудия и предметы потребления. Не исключено, что этим же технологическим приемом «сковывали» вместе несколько кусков металла без подогрева. Даже в настоящее время для соединения металлов, обладающих хорошими пластическими свойствами, применяют холодную сварку, основанную на приложении деформирующих усилий.

 

С появлением нового материала — бронзы (сплав меди с оловом) пришлось древним специалистам разрабатывать и новые способы соединения. Бронза обладала лучшими, чем исходные материалы, свойствами: более высокой твердостью, прочностью, сопротивляемостью истиранию. Однако она менее пластична, чем медь. Поэтому кузнечная сварка бронзовых изделий даже с подогревом не могла дать высокого качества соединения.

 

И тогда возникла литейная сварка, при которой края соединяемых деталей за-формовывали (окружали специальной земляной смесью) и заливали перегретым жидким металлом. Этот присадочный металл сплавлялся с деталями и, застывая, образовывал шов. Такие швы были обнаружены на бронзовых сосудах, сохранившихся со времен Древней Греции и Древнего Рима.

 

В III-II тысячелетиях до н. э. в различных районах земного шара для изготовления орудий труда и оружия начали применять железо. В процессе производства этого металла важное место занимала кузнечная сварка криц. Крицы — это бесформенные глыбы весом 10-100 кг, состоящие из зерен чистого железа и железистого шлака. Крицы получали из железной руды при нагревании ее вместе с древесным углем.

 

Спекшиеся частицы восстановленного железа, угля и шлака неоднократно проковывали в горячем состоянии. При этом отдельные частицы железа соединялись — сваривались, образуя плотный металл, а частицы шлака и угля выдавливались. Для того чтобы увеличить массу металла, отдельные заготовки разогревали до белого каления, складывали вместе и проковывали.

 

Высокого мастерства достигли кузнецы-сварщики в изготовлении орудий труда и оружия во времена средневековья. При помощи кузнечной сварки, полагаясь на опыт и интуицию, они изготовляли металл с чередующимися в определенной последовательности слоями твердой стали и мягкого железа. Многочисленные лезвия плугов и мечей были самозатачивающимися.

 

Холодная, литейная и кузнечная сварка — первые технологические процессы в истории техники, при помощи которых люди смогли получить неразъемные соединения металлов. При этих процессах прочное сцепление соприкасающихся поверхностей достигалось за счет взаимодействия атомов.

 

В это же время начали применять пайку металла, при которой металлы соединяются с помощью третьего, легкоплавкого металла, так называемого присадочного.

Первые способы сварки были несовершенны из-за отсутствия в то время мощных источников тепла.

 

Очень трудно было равномерно нагревать большие конструкции и сложные изделия и незамедлительно проковывать место соединения или полностью заливать стык — металл быстро остывал.

 

Поэтому уже в позднем, бронзовом веке начали применять еще один вид соединений металлов — клёпку. Прежде чем соединить два металлических листа, их подгоняли друг к другу, пробивали в них отверстия, готовили и разогревали заклёпку, вставляли их в отверстия и расклепывали кувалдой.

 

В средневековье основными строительными материалами были дерево и камень. Для их соединения сварка не требовалась, а с изготовлением немногочисленных металлических изделий вполне справлялись благодаря уже известным способам сварки. Особенно часто применяли клепку и кузнечную сварку.

 

Резко возросла потребность в металлах, металлических сооружениях, средствах транспорта, механизмах, паровых машинах и др. Понадобились и новые, более производительные, уникальные способы соединения и ремонта металлических изделий.

 

В конце XVIII в. итальянский физик А. Вольта создал длительно работающий источник электрической энергии — вольтов столб. Это послужило толчком к применению электричества в сварке. В 1802 г. русский ученый В. В. Петров открыл явление электрической дуги и доказал возможность использовать ее для расплавления металлов.

 

В 1841 -1842 гг. английский ученый Дж. Джоуль и русский ученый Э. X. Ленц независимо друг от друга сделали открытие: определили количество тепла, выделяющегося в проводнике при прохождении через него электрического тока. Разработкой новых источников тепла успешно занимались и химики: русский ученый Н. Н. Бекетов, французские ученые Б. Бертло и Ле Шателье.

 

Во второй половине XIX в. промышленность получила новые физико-химические средства воздействия на металл, которые начали оттеснять механические инструменты.

Явление электрической дуги, открытое русским ученым В. В. Петровым, стало использоваться в прожекторах и специальных лампах для освещения, приборах для выпрямления тока и управления его силой, в металлургии для нагрева и плавления металлов.

 

Русский изобретатель Н. Н. Бенардос в 1881 г. изобрел способ дуговой сварки угольным электродом и назвал его в честь древнегреческого бога-кузнеца электрогефестом. Чтобы сварить детали электрической дугой, не требовалось нагревать их целиком. Металлические конструкции любых размеров и любой конфигурации стало возможным соединять прочными и плотными швами. Так появилась электродуговая сварка — выдающееся изобретение XIX в.

 

Электродуговая сварка сразу же нашла применение в наиболее сложной в то время отрасли промышленности — паровозостроении. Чтобы облегчить процесс сварки, изобретатель сконструировал электродо-держатели, окруженные газовыми горелками.

 

Открытие Н. Н. Бенардоса усовершенствовал его современник Н. Г. Славянов, заменив угольный электрод металлическим плавящимся. Изобретатель предложил применять шлак, который защищал свариваемый шов от попадания в него воздуха, и шов становился более прочным и надежным. В 1886 г. английский ученый Э. Томсон и в 1887 г. Н. Н. Бе-нардос получили патенты на контактную сварку. При контактной сварке соединяемые детали зажимали между электродами. Проходящим током детали нагревались на отдельных участках и сдавливались.

 

В конце XIX в. был предложен способ сварки, основанный на применении ацетилено-кислородного пламени. Мощности дуги и пламени хватало для соединения стали, меди, латуни толщиной в несколько миллиметров. Для сварки стыков рельсовых путей и стальных труб применяли термиты (зернистые смеси алюминия или магния с окислами железа). При их сгорании образуется металлическое железо и выделяется большое количество тепла.

 

Порцию термита сжигали в огнеупорном тигле и расплав выливали в зазор между стыками. Таким образом, в последние два десятилетия XIX в. было предложено превращать электрическую энергию и энергию химических реакций в тепло, необходимое для сваривания металла. Однако все эти способы сварки еще не вытеснили клепку, так как швы получались невысокого качества.

 

Сварка в эпоху научно-технической революции.. Области применения сварки непрерывно расширяются. Сварка стала ведущим технологическим процессом при изготовлении и ремонте металлических конструкций и изделий в промышленности, строительстве, транспорте, в сельском хозяйстве и т. д. Но еще не все способы сварки достаточно разработаны. Некоторые только осваиваются, возможности их еще познаются, и основное применение их — в перспективе.

 

Способы сварки разделяются по виду энергии, применяемой для получения сварного соединения, на механические, химические, электрические, электромеханические, химико-механические, лучевые и др. Например, к механическим способам относится сварка трением, холодная, ультразвуковая и др.; к химическим — газовая и термитная; к электрическим — дуговая, электрошлаковая, плазменно-дуговая и др.

 

А если рассматривать способы сварки с позиции «кто и чем ее выполняет», то многие способы можно разделить на ручные, механизированные, полуавтоматические, автоматические.

 

В зависимости от метода получения сварного соединения различают такие основные группы сварочных процессов: сварка плавлением и давлением. При сварке плавлением специальный источник теплоты нагревает и расплавляет кромки соединяемых деталей на небольшом участке. При сварке давлением, для того чтобы произошло схватывание кромок, их сдавливают.

 

Иногда, чтобы облегчить схватывание, место сварки нагревают до пластического состояния металла или даже до расплавления. Большинству способов сварки название дано по виду энергии и физическим явлениям, благодаря которым обеспечивается межатомная связь в месте соединения.

 

В настоящее время наиболее часто применяются способы дуговой сварки, поэтому о них мы расскажем подробно в следующих главах. Дуговую сварку мы возьмем за основу при описании различных разделов сварочной науки. Способы дуговой сварки, а также газовая, термитная, электрошлаковая, электроннолучевая, лазерная и ряд других относятся к сварке плавлением.

 

К сварке давлением относятся следующие способы сварки: контактная, газопрессовая, диффузионная, холодная, трением, ультразвуковая, взрывом и некоторые другие. Каждый из этих способов имеет определенные технологические возможности и применяется при изготовлении конкретных изделий с учетом требований производства.

 

Газовая сварка, самая распространенная в начале XX в., а теперь отставшая от других способов по производительности, применяется в основном при ремонтных работах, а также там, где нет электричества. Возможности этого способа ограничены: газовое пламя соединяет металл (сталь, медь, чугун) толщиной только до нескольких миллиметров.

 

Электрошлаковая сварка. Свариваемые кромки и присадочный (электродный) металл нагреваются теплом, выделяющимся в шлаковой ванне. Электрод (в виде проволок или пластин) и изделие подключают к разным полюсам, а ток проходит через жидкий шлак. Жидкий электродный металл накапливается в пространстве между кромками и специальными формирующими ползунами, которые поднимаются по мере заполнения пространства и остывания металла.

 

Для изготовления стальных, медных, титановых, алюминиевых конструкций толщиной до нескольких метров и изделий с большим сечением швов (котлы, станины прессов и др.) в Институте электросварки им. Е. О. Патона разработали способ электрошлаковой сварки. «Русская сварка» (так назвали за рубежом электрошлаковую сварку) была отмечена большой золотой медалью «Гран-при» на Всемирной выставке в Брюсселе.

 

Фирмы многих стран мира купили аппараты для электрошлаковой сварки, приобрели лицензии. В Советском Союзе с помощью электрошлаковой сварки изготовлены сотни тысяч тонн самых разнообразных конструкций, в том числе уникальные по размерам и весу сварно-литые элементы крупных машин.

 

Соединения толщиной в доли миллиметра и до нескольких дециметров можно выполнить электроннолучевой сваркой. Электроннолучевая сварка ведется в условиях вакуума, необходимого для свободного движения электронов и чистоты металла шва. Благодаря высокой концентрации энергии (до 108 Вт/см2) и глубокому вакууму этот способ незаменим при производстве всевозможных электровакуумных приборов. Он обеспечивает герметизацию под вакуумом без дополнительной откачки.

 

В атомной энергетике электроннолучевая сварка применяется для заварки топливных элементов. Электронный луч пробивается в узкие зазоры между деталями разделки, проникает через несколько слоев, соединяет толстые элементы с тонкими. Эти типы соединений позволяют создавать новые, более простые конструкции многих важнейших машин и аппаратов, наиболее эффективно использовать свойства материалов.

 

В начале 60-х гг. XX в. были созданы лазерные сварочные установки импульсного действия, а в настоящее время успешно проходят испытания аппараты для непрерывной лазерной сварки большой мощности.

 

Луч лазера может сваривать как однородные, так и разнородные металлы. Сварные соединения при этом отличаются- хорошими механическими свойствами.

Диффузионная сварка основана на явлении диффузии в вакууме. Диффузия (проникновение молекул одного вещества в другое) протекает более интенсивно, когда соединяемые детали одновременно нагреваются и сдавливаются.

 

Сварку ведут в вакуумной установке, из которой выкачан воздух до 10\»4 мм рт. ст. Детали нагревают до 600-800°С токами высокой частоты. При такой температуре разрушаются окисные пленки на поверхности соединяемых металлов, препятствующие диффузии.

 

Сдавливание и хорошая подгонка поверхностей облегчают диффузию. Этим способом соединяют даже детали из хрупких материалов, в том числе и из разнородных металлов и неметаллов. Однако для диффузионной сварки необходима сложная аппаратура, размеры деталей ограничены размерами вакуумной камеры, и на процесс диффузии затрачивается много времени — 10-30 мин.

 

Самый быстрый способ сварки — сварка взрывом: поверхности в несколько квадратных метров соединяются за тысячные доли секунды. Причем можно соединить детали, разные по массе, детали из разнородных металлов. Такой способ успешно используют при изготовлении изделий, которые нельзя нагревать. Например, при монтаже оболочек телефонных кабелей.

 

В 1956 г. токарь А. И. Чудиков получил сварное соединение на обычном токарном станке. К вращающейся в патроне детали он прижал другую, неподвижную. Торцы деталей за несколько секунд разогрелись докрасна, и, как только вращение прекратилось, детали прочно сварились. Простой технологический процесс сварки трением удалось легко автоматизировать.

 

Этот способ успешно применяется благодаря высокой производительности и возможности соединять разнородные металлы. Особенно он эффективен при изготовлении металлорежущего инструмента из обычной мягкой стали, к которой приваривается небольшая режущая часть из дорогостоящих специальных сплавов.

 

Для соединения металлов толщиной в несколько микрон разработана ультразвуковая сварка. В зону сварки наконечник специального сварочного инструмента передает механические колебания частотой в несколько десятков килогерц. Под действием ультразвуковых колебаний разрушаются окисные пленки на соединяемых поверхностях, и они нагреваются. При этом наконечник сдавливает кромки и тем самым помогает образованию соединения.

 

В начале 70-х гг. XX в. ультразвук стали применять для соединения, наплавки и резки живых тканей. Работа сварщиков под руководством Героя Социалистического Труда члена-корреспондента АН СССР Г. А. Николаева совместно с медиками увенчалась большим успехом. Сварочным аппаратом хирурги стали наплавлять костные ткани человека.

 

Разработаны способы соединения материалов без их расплавления. Это пайка и склеивание. Во время пайки межатомная связь возникает, когда поверхности кромок смачиваются расплавленным металлом — припоем. Склеивание применяется для тех сплавов и пластмасс, которые теряют свои свойства при нагревании или сдавливании.

 

Этот способ применил известный советский авиаконструктор Герой Социалистического Труда академик АН УССР О. К. Антонов при создании конструкций самолетов из высокопрочных, но трудно поддающихся сварке алюминиевых сплавов.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.