Звáрювання — технологічний процес утворення нероз'ємного з'єднання між матеріалами при їх нагріванні та/або пластичному деформуванні завдяки встановленню міжмолекулярних і міжатомних зв'язків.
Відомо близько 70 способів зварювання. За основу їхньої класифікації покладено дві ознаки: агрегатний стан матеріалу в зоні зварювання та вид енергії, яку використовують для утворення з'єднання.
Історія Історія розвитку зварювання
Процес зварювання з'явився ще за бронзової доби, коли людина почала набувати досвіду обробки металів для виготовлення знарядь праці, бойової зброї, прикрас та інших виробів.
Першим відомим способом зварювання є ковальське. Воно забезпечувало достатньо високу, на ті часи, якість з'єднання, особливо з пластичними металами (мідь). Із винайденням бронзи, яка є твердішою і гірше піддається куванню, виникло ливарне зварювання. Під час ливарного зварювання крайки з'єднуваних деталей заформовують спеціальною сумішшю і заливають розігрітим рідким металом. Цей присадковий метал сплавляється з виробом і, застигаючи, утворює шов. Такі з'єднання знайдені на бронзових посудинах Стародавньої Греції та Риму. Зварювання було використано під час побудови Залізного стовпа в Делі, ІндіяCary, Howard B; Scott C. Helzer (2005). Modern Welding Technology. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. Р. 4. ISBN 0-13-113029-3.
У 1802 році російський академік Василь Петров звернув увагу на те, що при пропусканні електричного струму через два прутики з вугілля або металу між їхніми кінцями виникає яскрава дуга (електричний розряд), яка має дуже високу температуру. Він дослідив та описав це явище, а також указав на можливість використання тепла електричної дуги для розплавлення металів і тим самим заклав основи дугового зварювання металів.
Але існують відомостіCary, Howard B; Scott C. Helzer Modern Welding Technology. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. — 2005, Р 5-6. ISBN 0-13-113029-3., про те, що англійський хімік сер Гемфрі Деві в 1800 першим дослідив електричну дугу і описав можливе застосування її в промисловості.
В той час результати досліджень Василя Володимировича Петрова не були використані, ні в Росії, ні за кордоном. Лише через 80 років інженери — Микола Миколайович Бенардос і Микола Гаврилович Слав'янов застосували відкриття Петрова на практиці та розробили різні промислові способи зварювання металів електричною дугою.
Микола Бенардос у 1882 році винайшов спосіб дугового зварювання із застосуванням вугільного електрода. У наступні роки він розробив наступні методи зварювання: дугою, яка горить між двома або декількома електродами; в атмосфері захисного газу; контактне точкове електрозварювання за допомогою кліщів. Створив ряд конструкцій зварювальних автоматів, запатентував у Росії та за кордоном велику кількість різних винаходів у галузі зварювального устаткування та процесів зварюванняХренов К. К. Сварка, резка и пайка металлов — М.: «Машиностроение», — 1973. − С. 12..
Автором методу дугового зварювання металевим плавким електродом, найпоширенішого в наш час, є Микола Слав'янов, який розробив його в 1888 році. Через два роки американський інженер Чарльз Гофін повторив відкриття і запатентував метод дугового зварювання плавким металевим електродом на території США.
Микола Слав'янов не лише винайшов дугове зварювання металевим електродом, описав його у своїх статтях і запатентував у різних країнах світу, але й сам широко впроваджував його в практику. За допомогою навчених ним робітників-зварювальників Слав'янов виправляв дуговим зварюванням брак лиття та відновлював деталі парових машин і різного великого устаткування. Він створив перший зварювальний генератор з автоматичним регулятором довжини зварювальної дуги, розробив флюси для підвищення якості наплавленого металу при зварюванні. Роботи Бенардоса і Слав'янова є основою сучасних методів електричного зварювання металів.
У 1900 році англієць Артур Строхменхер почав промисловий випуск покритих металевих електродів зі стійкішою під час горіння дугою. 1919 року англієць Клод Джозеф Холсланг винайшов джерело змінного струму, яке забезпечувало стійкіше горіння дуги, але в промисловості цей винахід на десятиліття забутий.
Родоначальник контактного зварювання — англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін), який уперше застосував стикове зварювання в 1856 році. В 1877 у США Еліх Томсон самостійно розробив стикове зварювання і впровадив його в промисловість. В тому ж році в Росії Микола Бенардос запропонував способи контактного точкового і шовного (роликового) зварювання. На промисловій основі в Росії контактне зварювання запроваджено в 1936 році, після освоєння серійного випуску контактних зварювальних машин.
Ацетилен, винайдений 1836 року Едмундом Деві, почали використовувати як горючий агент при газовому зварюванні з 1900 року, водночас із винаходом газового пальника.
Бурхливий розвиток зварювальних технологій і обладнання почався за часів Першої світової війни. Британці почали використовувати зварювальні процеси при побудові військових кораблів із суцільнозварними корпусами.
Упродовж 1920-х років головні акценти в зварювальних технологіях ставилися на розвиток автоматичного зварювання. Великий внесок у розвиток різноманітних видів зварювання вніс академік Євген Оскарович Патон та фахівці Інституту електрозварювання, які вперше у світі розв'язали складні наукові і технічні завдання, пов'язані з автоматичним зварюванням броні, розробили досконалу технологію і необхідне обладнання. Було досліджено процеси, що відбуваються у потужній зварювальній дузі, яка горить під флюсом, розроблено нові зварювальні флюси і знайдено місцеву сировину для їх масового виробництва. Широко проводився пошук способів багатодугового та багатоелектродного автоматичного зварювання під флюсом, розроблено технологію напівавтоматичного зварювання під флюсом, створено перші зварювальні напівавтомати.
Застосування автоматичного зварювання в оборонній промисловості дало винятково великий ефект і забезпечило можливість різкого збільшення випуску бойових машин, боєприпасів і озброєння високої якості. В умовах воєнного часу застосування автоматичного зварювання під флюсом для виробництва техніки стало вирішальним чинником різкого нарощування обсягів виробництва у стислі терміни. В роки війни в жодній країні, окрім Радянського Союзу, автоматичне зварювання під флюсом у танковій промисловості не застосовувалося. Лише в останні воєнні роки за прикладом СРСР почали освоювати цей спосіб при виготовленні бронекорпусів танків і самохідних артилерійських установок у США.
Борису Патону було доручено розробити електричну схему нових автоматичних зварювальних головок, що реалізують відкрите в 1942 році Володимиром Дятловим явище саморегулювання дуги. З цим завданням молодий інженер упорався блискуче. Винятково проста конструкція, надійність і зручність у роботі не лише дали змогу випускати нові головки в умовах простих механічних майстерень, а й вирішували проблему кадрів при їх експлуатації. Як відзначав у своїх спогадах Євген Патон, «пробний пуск першої нової головки відбувся у листопаді 1942-го, а до кінця війни вона вже зварила сотні кілометрів швів на бортах бойових машин! Починаючи з січня наступного року ми встановлювали на всіх нових верстатах тільки спрощені одномоторні головки А-80, виготовлені в майстернях інституту. Вони переможно вирушили по всіх заводах військової промисловості і відіграли величезну роль у випуску продукції для фронту. Це був поворотний момент у поширенні швидкісного зварювання на оборонних підприємствах країни»Патон Е. О. Воспоминания: Лит. запись Ю.Буряковского. — Киев. Гослитиздат УССР, 1955. — 324 с. 1943 року Борис Патон одержав свій перший орден «Знак Пошани».
Зварювання повсюдно витіснило спосіб нероз'ємного з'єднання деталей за допомогою заклепок.
На сьогодні зварювання є найрозповсюдженішим способом з'єднання деталей при виготовленні металоконструкцій. Широко застосовується зварювання в комплексі з литтям, штампуванням і спеціальним прокатом окремих елементів заготовок виробів, майже повністю відтіснивши складні та дорогі суцільнолиті та суцільноштамповані заготовки.
Основні способи зварювання
Для забезпечення зварюваності двох частин матеріалу необхідно зблизити їх настільки, щоб створити можливість для утворення міжатомних зв'язків. Це можливо в тому випадку, коли атоми двох частин матеріалу зближуються на відстань, меншу ніж 4•10−10 м. Такі умови можна створити трьома шляхами: стисненням деталей без термічної обробки, нагріванням до пластичного стану та одночасним стисненням деталей, нагріванням матеріалу до розплавлення.
Стисненням без нагрівання можна зварювати в окремих випадках лише пластичні метали: алюміній, мідь, свинець тощо. Це так зване «холодне» зварювання. Другий спосіб застосовується для металів і сплавів, які здатні переходити в пластичний стан при нагріванні до температур, нижчих від температури плавлення (сталь, алюміній тощо), що дозволяє здійснювати зварювання в пластичному стані шляхом стиснення двох попередньо нагрітих частин металу. При стисненні оксидна плівка на поверхнях дотику руйнується і стає можливим взаємопроникнення (дифузія) кристалічних зерен однієї частини в зерна іншої, що забезпечує їх зварювання. З підвищенням температури нагрівання величина зусилля, потрібного для стиснення, зменшується.
Третій спосіб — зварювання плавленням, при якому стиснення деталей не потрібне. Цим способом можна зварювати всі метали і сплави, зокрема і такі, які при нагріванні відразу переходять в рідкий стан (чавун, бронза, литі сплави алюмінію, магнію тощо).
При класифікаціїГОСТ 19521-74. Сварка металлов. Классификация процесів зварювання виділяють три основних фізичних ознаки: форма енергії, яка вводиться в зону зварювання; наявність тиску; вид інструмента — носія енергії.
Інші ознаки умовно відносять до технічних та технологічних.
За видом енергії, що вводиться у виріб основні зварювальні процеси поділяють на: термічні (Т) термомеханічні (Т М) термопресові (ТП) механічні (М) пресово-механічні (ПМ).
Форму енергії, яку застосовують в джерелі енергії для зварювання (електрична, хімічна та ін.), як класифікаційну ознаку не використовують, тому що вона характеризує головним чином не процес, а обладнання для зварювання.
Всі відомі нині процеси зварювання відбуваються за рахунок уведення двох видів енергії — термічної та механічної, або їх сполучення.
За агрегатним станом матеріалу в зоні зварювання всі способи поділяються на зварювання плавленням або тиском. При зварюванні плавленням характерна відсутність зовнішніх стискуючих зусиль. При зварюванні тиском обов'язковим є стискання.
Класифікація зварювання металів регламентована за фізичними, технічними і технологічними ознаками. За фізичними ознаками всі способи зварювання об'єднані в три класи: Термічний клас: види зварювання, здійснювані плавленням з використанням теплової енергії — газове, дугове, електронно-променеве, лазерне тощо. Термомеханічний клас: види зварювання, здійснювані з використанням теплової енергії і тиску — контактне, дифузійне, газо- і дугопресове, ковальське тощо. Механічний клас: види зварювання, здійснювані з використанням механічної енергії — холодне, тертям, ультразвукове, вибухом тощо.
Головна роль дугового розряду — перетворення електричної енергії в теплоту. При температурі близько 5500° С газ у розряді є сумішшю іонізованих часток. Характер дугового розряду залежить від присадочного металу, основного металу, захисного середовища, параметрів електричного кола та інших факторів.
Ручне дугове зварювання Ручне дугове зварювання є найпоширенішим видом електрозварювання, застосовується для зварювання м'якої та легованої сталей, чавуну, нержавіючих сталей, у деяких випадках кольорових металів. Електрод має вигляд стрижня діаметром 1,5—10 мм, закріплений в ручному електродотримачі.