Сварка металлов

Резка и сварка металлов ─ одни из главных технологических процессов, формирующих материальную основу современной цивилизации. Сегодня сварочные работы выполняются не только в «штатных» условиях, но под водой и даже в космосе.

Что такое сварка металлов

Сварка ─ технологический процесс соединения металла. Цель сварки ─ создать непрерывную связь двух или более деталей посредством сварного соединения, обеспечивающего непрерывность структуры соединяемых металлов. Инструмент достижения этой цели ─ нагрев и/или давление. При этом может использоваться присадочный металл.

Частью сварочных технологий является наплавка ─ формирование с помощью сварки слоя металла на детали для получения желаемых свойств или размеров.

Слово «сварка» объединяет широкий круг технологических процессов, используемых для создания неразъемных соединений. И хотя существительное «сварка» имеет корень «вар», такой же, как и у глагола «варить» (а варят «по определению» при повышенной температуре), сварка может быть холодной.

Например, холодная сварка металла ─ один из видов сварки давлением, когда энергоносителем является движение массы. Т. е. сварка с использованием длительного давления, вызывающего значительную пластическую деформацию.

Из истории сварочных технологий. Неторопливое начало и…

Сварка металлов имеет длительную историю. Возникнув из кузнечного дела, она долгое время шла с ним рука об руку, а кузнецы на протяжении многих веков по совместительству были единственными сварщиками. Впрочем, вплоть до XIX столетия сварка не была такой ослепительно яркой как сегодня, а сварщики, благодаря неуловимому сходству сварочного щитка и шлема скафандра, не были так похожи на космонавтов.

Кузнечная сварка, благополучно сохранившаяся до наших дней, является ничем иным, как ковкой с подогревом. Используя ее, еще в VIII-VII тысячелетиях до н. э. удавалось соединить в одно целое разрозненные кусочки металла.

Затем появилась пайка. Но вплоть до конца XIX столетия технология сварки металлов развивалась неторопливо. Разве что в начале XIX столетия кузнечная сварка была механизирована. И хотя примерно в это же время открыли электрическую (вольтову) дугу ─ это сделал в 1802 г. профессор Петербургской медико-химической академии В. В. Петров ─ вплоть до второй половины XIX века в сварочных технологиях не происходило ничего примечательного.

…мощный разбег

Но ближе к концу столетия, получив поддержку в виде впечатляющих достижений в области физики, химии, механики и электротехники, сварочные технологии испытали своеобразный взрыв. Словно стремясь наверстать упущенное, они за считанные годы набрали стремительный темп. Начавшийся менее полутора веков назад спурт продолжается и сегодня.

В начале 1880-х гг. был изобретен способ дуговой сварки с применением угольного электрода, а уже в 1888 г. – метод дуговой сварки плавящимся металлическим электродом. Еще в XIX столетии появляется первый сварочный полуавтомат и клещи для контактной сварки. На стыке XIX и XX столетий изобретены электроды с покрытием и горелки для реализации газопламенных процессов, внедрена в производство сварка в среде защитных газов.

Газовая сварка металлов, получив мощный импульс новых идей в начале XX столетия, преобладала на протяжении его первой трети. В дореволюционной России на заводах Урала и Украины в эксплуатацию было введено немало газовых постов. С 1911 года газовую сварку начинают применять для изготовления паровых котлов в Петербурге.

К началу XX столетия усилиями ученых и изобретателей создана ацетиленокислородная сварка. За короткое время разработаны технологии получения с ее использованием неразъемных соединений почти всех металлов и сплавов, включая алюминий.

Уже с середины XX столетия начинают стремительно развиваться такие виды сварки как ультразвуковая, лазерная, электронно-лучевая, электрошлаковая, плазменная и другие.

Сварка металлов и неметаллов

Круг соединяемых с помощью сварки материалов охватывает не только приходящие на ум первыми при слове «сварка» металлы. Сегодня сваривают пластмассу, керамику и даже биологические ткани (с помощью ультразвуковой сварки). И все же в контексте сварки металлы вспоминаются первыми не случайно. Именно они ─ основные потребители сварочных технологий, а сварка металлов ─ наиболее распространенный вид сварочных работ.

Арсенал современных технологий позволяет вовлечь в орбиту сварки широкий перечень металлов. Это и сварка черных металлов (с них сварочные технологии начинали во время своего второго рождения в XIX веке) и сварка цветных металлов (с кузнечной сварки меди они начиналась тысячи лет назад). Разработаны разнообразные способы сварки металлов, позволяющие сваривать любые полуфабрикаты, добиваясь нужного результата независимо от того, производится сварка тонкого металла или сварка толстого металла.

Свариваемость

И все же, очерчивая круг решаемых с помощью сварочных технологий задач с учетом возможностей существующего оборудования и экономической целесообразности, необходимо принимать во внимание неодинаковую свариваемость различных металлов.

Определение свариваемости дано в «ГОСТ 29273-92. Свариваемость. Определение». Пожалуй, это один из самых коротких ГОСТов, текст которого уместился на половине одной страницы. Но его содержание заслуживает быть процитированным.

Итак, «Металлический материал считается поддающимся сварке до установленной степени при данных процессах и для данной цели, когда сваркой достигается металлическая целостность при соответствующем технологическом процессе, чтобы свариваемые детали отвечали техническим требованиям как в отношении их собственных качеств, так и в отношении их влияния на конструкцию, которую они образуют».

Если говорить менее официально, то под свариваемостью понимают совокупность свойств, определяющих качественные показатели сварных соединений, которые могут отличаться при различных способах сварки: склонность к образованию трещин, пористость, механические свойства, коррозионная стойкость и другие. Так, при сварке плавлением свариваемость зависит от химического состава и структуры металла, его теплопроводности, температуры плавления, плотности.

Виды сварки металла

Согласно «ГОСТ Р ИСО 857-1-2009. Сварка и родственные процессы. Словарь. Часть 1. Процессы сварки металлов. Термины и определения» сварка металлов разделяется на два больших сегмента ─ сварку давлением и сварку плавлением.

Сварка металлов давлением осуществляется посредством приложения внешней силы и сопровождается пластическим деформированием сопрягаемых поверхностей. Присадочный металл, как правило, не применяется. Чтобы облегчить получение соединения, иногда сопрягаемые поверхности нагревают.

При сварке плавлением происходит оплавление сопрягаемых поверхностей, поскольку температура сварки металла достигает нескольких тысяч градусов. Приложения внешней силы не требуется. Обычно, но необязательно, добавляется расплавленный присадочный металл.

При более подробной классификации сварочных процессов главным критерием является энергоноситель ─ физическое явление, служащее источником необходимой для сварки энергии. Энергоносителем могут быть твердые тела, жидкости, газы, электрический разряд и электрический ток, излучение, движение массы и т. д.

Примером сварки давлением служит получающая все большее распространение контактная сварка. В частности, точечная контактная сварка, при которой площадь сварной точки в контакте «деталь-деталь» примерно равна площади контактной поверхности электродов.

Повод употребить слова «жидкая сварка для металла» появляется, если энергоносителем служит жидкость. Пример ─ сварка заливкой жидкого металла между свариваемыми кромками, когда свариваемый узел помещается в сварочную форму, и расплавленный присадочный металл заливается на свариваемые поверхности до образования шва. Близкий к нему способ ─ термитная сварка, при которой используется энергия экзотермической реакции смеси оксидов металла и измельченного алюминиевого порошка, в результате которой образуется расплавленный присадочный металл.

Широко распространены газовая сварка и резка металлов. Виды газовой сварки получили свои названия от используемых горючих газов. Например, ацетиленокислородная сварка (газовая сварка, в которой горючим газом является ацетилен), пропанокислородная, водородно-кислородная.

Отличающаяся «деликатностью» газовая сварка незаменима в целом ряде случаев. Например, когда затруднительна сварка тонкого металла электродом. Она оказывается востребованной, если необходима качественная сварка цветных металлов и сплавов или нержавеющей (высоколегированной) стали.

Еще более распространенным видом сварки является дуговая сварка металла, при которой нагрев осуществляется с помощью электрической дуги. (Иногда говорят «электродуговая сварка металлов», но уточняющее «электро-» в данном случае избыточно).

Если энергоносителем является электрический разряд (в частности, электрическая дуга), это означает, что выполняется сварка металла электродом. Электроды могут быть самыми разными: расходуемыми плавящимися и неплавящимся (вольфрамовыми, угольными); покрытыми (иметь обмазку) и непокрытыми; использоваться по одному или несколько одновременно; штучными и в виде проволоки и т. д.

Дуговая сварка может происходить как без газовой защиты (введения в зону дуги защитного газа извне), так и в инертном газе. Поскольку защитным газом чаще всего является аргон ─ он дешевле, чем его «конкурент» и «коллега» гелий ─ используется выражение «сварка металла аргоном».

Впрочем, в качестве защитного газа используют и химически активные газы, например, углекислый.

Роль защиты сварочной дуги от неблагоприятного воздействия атмосферы может выполнять флюс.

В аргонно-дуговую сварку неплавящимся электродом уходит своими корнями появившаяся в 50-х гг. XX столетия плазменная сварка. На первом этапе развития этой технологии в качестве плазмообразующего газа использовался аргон. Плазменная сварка широко используется в самолетостроении. Она особенно эффективна при сварке тонких деталей. Плазменная сварка ─ одна из наиболее рациональных сварочных технологий для алюминиевых сплавов, позволяющая получать качественные соединения толщиной до 20 мм без разделки кромок и дополнительного подогрева.

Примером сварочного процесса, в котором роль энергоносителя отведена излучению (в данном случае монохроматическому когерентному лучу света), является лазерная сварка.

Первые сведения о лазерной сварке металлов относятся к 60-м годам XX столетия. Изготовленные тогда установки предназначались для сварки металлов толщиной 0,1-0,2 миллиметра. В перспективе лазерная сварка может составить конкуренцию плазменной. Во многом это зависит от того, сколь быстрым будет прогресс в конструировании лазеров. В настоящее время в технологических лазерах применяются твердотельные и газовые излучатели.

С конца 50-х годов прошлого века начала развиваться электронно-лучевая сварка ─ сварка плавлением, использующая сфокусированный электронный луч. Ее можно выполнять не только в атмосфере, но и в вакууме Положительное влияние вакуума на качество сварных соединений выражается в том, что значительно ускоряются и облегчаются процессы выхода газов и разрушение оксидов не только в поверхностных, но и внутренних слоях металла.

Ультразвуковая сварка появилась в 30-40-х годах. Первым материалом, с которым работали исследователи, были мягкие алюминиевые сплавы. Сегодня она применяется преимущественно в микротехнике.

Кроме того, используется уже упоминавшаяся выше холодная сварка, электрошлаковая сварка (она особенно эффективна при большой толщине свариваемых деталей), сварка взрывом (используется для плакирования стальной поверхности алюминием) и целый ряд других, отработанных или находящихся в стадии изучения технологий.

В сварке нет мелочей

Важное значение для качества и надежности сварных изделий и конструкций имеет не только сам процесс сварки металлов, но и подготовка металла к сварке. Так, например, он чрезвычайно важен в сварке алюминия, учитывая его повышенные теплопроводность и жидкотекучесть, наличие оксидной пленки на поверхности, необходимость ускорения эмиссии водорода из сварного шва и т. д.

Значимая роль в развитии сварочных технологий принадлежит оборудованию. Постоянно совершенствуются аппараты для сварки металла. Один из наглядных тому примеров ─ высокотехнологичные сварочные инверторы. Сварка металла инвертором ─ компактным, имеющим широкий диапазон настроек, обеспечивающим стабильный ток необходимой силы и напряжения, а, значит, стабильность сварочной дуги, устройством ─ завоевывает все большую популярность. И не только в профессиональной среде, но и у тех, для кого сварка металла в домашних условиях является хобби.

Хотя своеобразным символом сварочных технологий считается ручная дуговая сварка плавящимся электродом, механизация и автоматизация производственных процессов затронула сварку не меньше, чем другие технические направления. Сегодня сварка металла полуавтоматом и даже автоматами и роботизированным оборудованием используется все чаще, обеспечивая рост производительности и качества сварочных работ.

Сварка металлов уже на протяжении более ста лет остается важнейшей точкой роста технологических возможностей цивилизации. От ее достижений во многом зависит развитие самых разных технических направлений. И таких «возвышенных», как аэрокосмическая отрасль, и привычных, но от этого не менее важных, как например, строительство.