124322 (Сварка)

Сварка является одним из ведущих технологических процессов как в области машиностроения, так и в строительной индустрии.

Николай Николаевич Бенардос — один из крупнейших русских изобре­тателей второй половины XIX в., соз­датель электрической дуговой сварки. В 1890 г. Н. Н. Бенардос издал ка­талог своих изобретений (всего более 120); транспорт, двигатели разных типов, военное дело, электротехника, электросварка, бытовая техника, стан­ки и механизмы — вот направления техники, в которых он работал. Самым крупным изобретением, принесшим Н. Н. Бенардосу мировую известность, было открытие в 1882 г. дуговой элект­росварки металлов, которую он наз­вал «электрогефест», по имени древне­греческого бога огня и кузнечного ис­кусства Гефеста. Суть открытия за­ключалась в применении электриче­ской дуги, возникающей между элект­родом из угля и обрабатываемым изделием, для соединения и разъединения металлов. «Электрогефест» был сразу подхвачен на заводах всего ми­ра. В России большинстве новинок Бенардоса не находило применения, Многие его изобретения прошли ни кем не замеченными на Родине, но были присвоены и использованы на Западе.

Но он неутомимо продолжал рабо­тать. Разрабатывая новые типы ак­кумуляторов, он отравился свин­цом, тяжело заболел. Бенардос умер, так и не дождавшись признания. Толь­ко в годы Советской власти дуговая электросварка металлов, изобретен­ная Бенардосом, получила широкое распространение. Жизнь и труд Н. Н. Бенардоса — пример бескорыстного служения науке и технике.

Красавец мост перекинулся через Днепр в Киеве. Во всей этой 1150-метровой громаде нет ни одной заклепки. Он цельносварный. В этом сооружении — творении Е.О. Патона — как бы слились воедино два дела, которым он посвятил жизнь: мостостроение и сварка.

Евгений Оскарович Патон — выдающийся советский инженер и уче­ный, академик, Герой Социалистического Труда — родился в семье русского консула в Ницце (Франция), окончил политехнический институт в Дрездене (Германия). Но, вернувшись в Петербург известным инже­нером-строителем, автором проекта Дрезденского вокзала, Патон снова сел на студенческую скамью, спустя год сдал все экзамены и, получив диплом инженера путей сообщения, стал специалистом по сооружению железнодорожных мостов. Он положил начало советской школе мостостроения и за выдающиеся заслуги в этой области был избран действитель­ным членом Академии наук УССР. А на 60-м году жизни... изменил профессию. «Желание послужить делу пятилеток,— говорил он,— после 35 лет работы по мостам толкнуло меня взяться за новое тогда дело в стране — электросварку». Он стал ор­ганизатором первого в мире Института электросварки в Киеве, в кото­ром разработал новые методы проек­тирования, расчетов и возведения сварных конструкций. Быстрее, дешевле, надежнее стали строиться каркасы заводских цехов, цистерны и вагоны, паровые котлы и суда, а в годы Великой Отечественной войны — танки. В возрасте 70 лет он изобрел новый способ сварки под слоем флюса. И сегодня тысячи километров газо­проводов свариваются знаменитым методом Патона.

Удивительную творческую энергию сохранял ученый всю жизнь. В 80 лет он руководит проектированием и строительством первого в стране цельносварного моста в Киеве, названного его именем.

Сварка представляет собой процесс создания неразъемного соединения металлических дета­лей, важнейшую операцию сборки деталей в узлы и целые конструкции. Сегодня в промыш­ленности внедрено более 100 способов сварки, появляются новые способы, совершенствуются старые. Но прежде чем сварка заняла свое место в современной технике, она прошла долгий путь.

Способ получения неразъемных соединений деталей путем сварки и пайки стал известен людям в глубокой древности. История не сохранила нам имен первых сварщиков. Об их искусстве мы можем судить лишь по раскопкам археологов и гипотезам ученых. В египетских пирамидах были найдены золотые изделия, которые имели паяные оловом соединения, а при раскопках Помпеи обнаружены свинцовые водопроводные трубы с продольным паяным швом.

Значительного совершенства в древности достигла кузнечная сварка. При кузнечной сварке металл нагревается до состояния пластичности, а затем проковывается в местах соединения. Этим достигается плотное прилегание соединяемых кусков, образуется сварное соединение.

Сварка позволила создать кольчугу — новое средство защиты воина, более совершенное, легкое и удобное, чем латы рыцарей. В коль­чуге, состоящей из 10—20 тыс. колец, кольца были сварные.

Но быстрое развитие сварки началось только в конце XIX в. В 1802 г. профессор В.В.Пет­ров открыл явление электрической дуги — один из видов электрического разряда в газовой среде. В.В. Петров рекомендовал применять электрическую дугу как источник тепла для мгновенного расплавления металла. Однако прошло свыше 80 лет, прежде чем явление электрической дуги было практически использовано. Наши соотечествен­ники Н.Н. Бенардос и Н.Г.Славянов первыми применили «дугу Петрова» для сварки. Интенсивная разработка новых способов сварки и их внедрение в промышленность начались позднее - в середине XXв. В это время возникла необходимость соединять эле­менты конструкций толщиной от нескольких микрометров до нескольких метров из весьма разнообразных материалов. Чтобы получить прочное соединение твердых тел, нужно обеспечить взаимодействие их по­верхностных атомов. Для этого последние необходимо сблизить настолько, чтобы между ними могли возникнуть межатомные связи, т.е. на расстояния порядка атомных радиусов.

В жидкостях такое сближение достигается сравнительно легко за счет подвижности час­тиц, но сблизить настолько твердые тела зна­чительно труднее. Их поверхности даже после самой тщательной обработки имеют неровнос­ти — выступы и впадины, размеры которых по сравнению с размерами атома огромны. При соединении поверхностей двух тел их фактическое соприкосновение происходит лишь в отдельных точках. Возможность сцепления атомов соприкасающихся поверхностей метал­лов затрудняется тем, что в обычных условиях поверхности всегда покрыты пленками оксидов, адсорбированных газов, всевозможных загряз­нений. Эти пленки, как броня, защищают по­верхности металлов от соприкосновений.

Существующие в настоящее время способы сварки можно подразделить на 2 основные группы. К первой группе относятся способы сварки, при которых металлы свариваются в твердом состоянии при совместной пласти­ческой деформации, часто одновременно с дополнительным нагревом (сварка давлением). Ко второй группе относятся способы, при ко­торых металлы в месте соединения расплавля­ются (сварка плавлением).

Соединяемые сваркой металлы, пластмассы или другие материалы, как известно, состоят из атомов, размещённых в определённом порядке и скрепленных между собой силами межатомного взаимодействия. Поверхности каждой из соединяемых частей имеют свободные атомные связи, способные захватывать атомы или молекулы другой части. Если соединяемые монокристаллы имеют идеально чистую и гладкую поверхность, то, сблизив их на расстояние действующих межатомных сил, казалось бы, можно получить неразъемное соединение.

Однако это приведёт к снижению свободной энергии системы атомов и поэтому потребует затраты дополнительной энергии активации. Энергия активации - энергия, необходимая для возбуждения поверхностных атомов, при котором происходят нарушения исходного энергетического состояния и переход в новое устойчивое энергетическое состояние, т.е. соединение частей.

На практике такого рода соединения для твёрдых металлов без дополнительного воздействия каких-либо источников энергии неосуществимы. Эта объясняется большой твёрдостью большинства металлов, наличием окисной плёнки и загрязнений на соединяемых поверхностях и невозможностью, несмотря на хорошую обработку шлифованием, сближения металлических частей на расстояние действующих межатомных сил. Самопроизвольное соединение и смешивание возможны только для однородных жидкостей, у которых облегчено сближение атомов с образованием новых межатомных связей. Для соединения же металлов требуется приложение энергии. Металлы малой твёрдости (свинец, олово и др.) соединяют сдавливанием сравнительно небольшим усилием. Для более твёрдых металлов, как, например, медь и алюминий, это усилие значительно растёт, и процесс такого соединения становится неэффективным, а иногда невозможным.

Данная конструкция имеет название тройник для водовода, который изготавливается из двух труб 219мм и из стали толщиной 14мм.

Используется эта труба для транспортировки энергоносителей, водопроводных и канализационных систем и работает под давлением, т.е. испытывает статические нагрузки. Два патрубка свариваются угловым соединением и длинными многослойными кольцевыми швами.

Угловые сварные соединения. Сварное соединение двух элементов, расположенных под прямым углом и сваренных в месте примыкания их краёв, называется угловым.

Угловые сварные соединения, условно обозначаемые в ГОСТ 5264-80 У1,У2,У4 и т.д., встречаются в стальных колоннах, балках, фермах и резервуарах. Они особенно распространены в машиностроительных конструкциях, баках, котлах и трубопроводах.

Технический рисунок тройника водовода.

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода не превышает 2%.Кроме углерода сталь содержит небольшое количество Mn, Si, S и P.

Данная сталь имеет следующие химические добавки:

Хром - в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах до 0,3%, конструкционных - 0,7-3,5%, легированных хромистых сталях - 12-18% и хромо-никелевых - 9-35%. Cr затрудняет сварку, так как в процессе сварки образует тугоплавкие карбиды хрома.

Марганец - содержится в стали в пределах 0,3-0,8%, в указанных пределах марганец не затрудняет процесс сварки. При сварке среднемарганцовистых сталей с содержанием 1,8-2,5% марганца возникает опасность появления трещин в связи с тем, что марганец способствует закаливаемости стали.

Кремний - содержится в низко- и среднеуглеродистой стали в пределах 0,02-0,35%,в указанных пределах он не вызывает затруднений при сварке. При содержании кремния в специальных сталях от 0,8 до 1,5% сварка затрудняется из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких оксидов кремния.

Сера – соединяясь с железом, образует сульфид железа FeS , который является вредной примесью в металле шва. Сульфид железа в период кристаллизации сварочной ванны образует эвтектику FeS – Fe, имеющую меньшую, чем сталь, температуру плавления (940°C) и малую растворимость в жидкой стали.

Фосфор – снижает ударную вязкость металла шва. Для ликвидации вредного влияния фосфора необходимо уменьшить его содержание в металле шва созданием его соединений, нерастворимых в металле.

Свариваемостью называются способность металлов образовывать при установленной технологии сварки сварное соединение, металл шва которого имел бы механические свойства, близкие к основному металлу. При определении понятия свариваемости различают металлургическую и технологическую свариваемость.

Металлургическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне сплавления свариваемых деталей, в результате которых образуется неразъёмное сварное соединение. На границе соприкосновения соединяемых деталей происходят физико-химические процессы, протекание которых определяется свойствами соединяемых металлов. Однородные металлы (одного хими-ческого состава) обладают одинаковой металлургической свариваемостью. Сварка разнородных металлов может не произойти, так как свойства таких металлов иногда не в состоянии обеспечить протекание необходимых физико-химических процессов в зоне сплавления, поэтому эти металлы не обладают металлургической свариваемостью.

Под технологической свариваемостью понимается возможность получения сварного соединения, определяемого видом сварки. При различных видах сварки происходит окисление компонентов сплавов. В стали, например, выгорает углерод, кремний, марганец, окисляется железо. В связи с этим в определение технологической свариваемости входит в определение химического состава, структуры и свойств металла шва в зависимости от вида сварки, оценка структуры и механических свойств околошовной зоны, склонности стали к образованию трещин, оценка получаемого при сварке сварного соединения. Технологическая свариваемость устанавливает оптимальные режимы и способы сварки, технологическую последовательность выполнения сварочных работ, обеспечивающие получение требуемого сварного соединения.

О свариваемости стали известного химического состава судят по эквивалентному содержанию углерода. Для этого каждый легирующий элемент оценивают с точки зрения его влияния на твёрдость (закаливаемость) стали по сравнению с влиянием углерода. Эквивалентное содержание углерода, %, может быть определено из выражения:

легирующих добавок.