Вступ

Філософи і історики минулих років намагалися уявити собі історію першого людського суспільства, спираючись на міфи, перекази, археологічні дослідження. На початку ХІХ ст. в археології накопичилась більша кількість знань про знаряддя першої людини. Датський археолог К. Томсен запропонував розділити розвиток першого суспільства на три етапи: кам’яний, бронзовий та залізний. Ця класифікація була їм заснована на різноманітності матеріалів, із яких переважно виготовляли вироби в ці періоди. Однак різниця була не тільки в матеріалах, а й в способах їх обробки. Зараз ми знаємо багато способів з’єднання деталей, а в первісні часи головним, а можливо і єдиним було зв’язування. Спосіб зв’язування по часу збігається з кам’яним віком.

В бронзовому й залізному віках, коли почали освоювати метали, необхідно було створити нову технологію з’єднання. Першим способом з’єднання металів була ковальське зварювання.

Ера ковальського зварювання. За допомогою каменя відповідної форми людина почала виковувати із самородків золота, срібла, міді різні предмети вжитку. Не виключено, що цим же технологічним прийомом «сковували» разом декілька кусків металу без нагріву. Навіть в ці часи для з’єднання металів, що мали добрі пластичні властивості, застосовували холодне зварювання, основане на прикладанні деформаційних зусиль.

З появою нового матеріалу – бронзи (сплаву міді з оловом) древні спеціалісти розробили і нові способи з’єднання. Бронза мала кращі, ніж вихідні матеріали, властивості: вища твердість, міцність, стійкість до стирання. Але була менш пластична за мідь. Тому ковальське зварювання бронзових виробів з підігрівом не могло дати високої якості з’єднання. І тоді виникло ливарне зварювання, при якому краї з’єднувальних деталей заформовували (закривали спеціальною земляною сумішшю) і заливали перегрітим рідким металом. Цей присадковий метал сплавлявся з деталями і застигнувши, створював шов. Такі шви були виявлені на бронзових посудинах, що збереглися з часів Стародавньої Греції і Стародавнього Риму.

В ІІІ – ІІ тисячоліттях до н.е. в різних районах земної кулі для виготовлення предметів праці і зброї почали використовувати залізо. В процесі виготовлення цього металу важливе місце займало ковальське зварювання криж. Крижі – безформні глиби масою 10–100 кг, що складаються із зерен чистого заліза і залізистого шлаку. Крижі отримували з залізної руди при нагріванні її разом з деревним вугіллям. Спечені частини відновленого заліза, вугілля і шлаку неодноразово проковували в гарячому стані. При цьому окремі частинки заліза з’єднувались – зварювались, створюючи товстий метал, а частинки вугілля і шлаку виштовхувались. Для збільшення маси металу окремі заготівки розігрівали до білого кипіння, складали разом і проковували.

Високої майстерності досягли ковалі-зварники в виготовленні предметів праці і зброї в часи середньовіччя. З допомогою ковальського зварювання, покладаючись на досвід і інтуїцію, вони виготовляли метал, де чергувалися у визначеній послідовності шари твердої сталі і мілкого заліза.

Багаточисельні леза плугів і мечів були самозаточуючими.

Холодне, ливарне і ковальське зварювання. Це перші технологічні процеси в історії техніки, за допомогою яких люди змогли отримати нерозбірні з’єднання металів. При цих процесах міцне зчеплення поверхонь, що торкалися, досягалось за рахунок взаємодії атомів металів.

В цей час почали застосовувати пайку металу, при якій метали з’єднується за допомогою третього, легкоплавкого металу, так званого присадкового.

Перші способи зварювання були недосконалі через відсутність в ті часи потужних джерел тепла. Дуже важко було рівномірно нагрівати більшість конструкцій, складні вироби і невідкладне проколювання місця з’єднання або повністю заливати метал швидко остигав.

Тому вже в пізньому бронзову віці почали застосовувати ще один вид з’єднання металів – клепання. Перед тим, як з’єднати два металевих листа, їх підганяли один до одного, пробивали в них отвори, готовили і розігрівали заклепки, вставляли їх в отвори і розклепували кувалдою.

В середньовіччі основними будівельними матеріалами були дерево і камінь. Для їх з’єднання зварювання було не потрібне, а з виготовленням невеликої кількості металевих виробів повністю справлялись за допомогою вже відомих способів зварювання. Особливо часто застосовували клепання і ковальське зварювання.

На дорозі до сучасного зварювання. В ХVІІІ ст. виникло машинобудівне виробництво. Різко виросла потреба в металах, металевих конструкціях, засобах транспорту, механізмах, парових машинах тощо. Потрібні були нові, кращі і унікальні способи з’єднання і ремонту металевих виробів.

В кінці ХVІІІ ст. італійський фізик А. Вольт створив довго працююче джерело електричної енергії – вольт стовп. Це стало поштовхом для використання електричного струму в зварюванні. В 1802 р. російський вчений В.В. Петров відкрив явище електричної дуги і доказав можливість використання її для розплавлення металів. В 1841–1842 рр. англійський вчений Дж. Джоуль і російський вчений Є.Х. Ленц незалежно один від одного зробили відкриття: визначили кількість тепла, яке виділяється в провіднику при проходженні через нього електричного струму.

Розробкою нових джерел тепла успішно займалися і хіміки Н.Н. Бекетов (російський учений), французькі учені Б. Бертло і Ле Шательє.

В другій половині ХІХ ст. промисловість отримала нові фізико-хімічні засоби дії на метал, які почали витісняти механічні інструменти.

Явище електричної дуги, відкрите російським ученим В.В. Петровим, стало використовуватись в прожекторах і спеціальних лампах для освітлення, пристроях для випрямлення струму і управління його силою, в металургії для підігріву і плавлення металів.

Російський винахідник Н.Н. Бенардос в 1881 році винайшов спосіб дугового зварювання вугільним електродом і назвав його на честь давньогрецького бога–коваля електрогефестом. Щоб зварити деталі електричною дугою, не потрібно було нагрівати їх повністю. Металеві конструкції любих розмірів і любої конфігурації стало можливим з’єднувати міцними і щільними швами. Так з’явилось електродугове зварювання – найвидатніша знахідка ХІХ ст.

Електродугове зварювання відразу знайшло застосування в найскладнішому на ті часи виді промисловості – паровозобудуванні. Щоб полегшити процес зварювання, винахідник винайшов електродотримач, оточений газовими горілками.

Відкриття Н.Н. Бенардоса удосконалив його сучасник Н.Г. Слав’янов, замінивши вугільний електрод на металевий плавлячий. Винахідник запропонував застосувати шлак, який захищав зварний шов від попадання в нього повітря, і шов ставав міцніший і надійніший. В 1886 році англійський учений Е. Томсон і в 1887 році Н.Н. Бенардос одержали патенти на контактне зварювання. При контактному зварюванні з’єднувальні деталі затискали між електродами. Струмом, що проходив крізь деталі, вони нагрівались на окремих ділянках і стискались.

В кінці ХІХ ст. був запропонований спосіб зварювання, заснований на використанні ацетилено-кисневого полум’я.

Потужності дуги і полум’я вистачало для з’єднання сталі, меді, латуні товщиною в кілька міліметрів. Для зварювання стиків рейкових шляхів і сталевих труб застосовували терміти (зернисті суміші алюмінію або магнію з оксидами заліза). При їх згорянні утворюється металеве залізо і виділяється більша кількість тепла. Порцію терміту спалювали у вогнетривкому тиглі і розплавлену виливали в зазор між стиками.

Таким чином, в останні два десятиріччя ХІХ ст. було запропоновано перетворювати електричну енергію і енергію хімічних реакцій в тепло, необхідне для зварювання металів. Однак всі ці способи зварювання ще не витіснили клепку, тому що шви отримували невисокої якості.

Зварювання в епоху науково-технічної революції. Область використання зварювання неперервно розширювалась. Зварювання стало ведучим технологічним процесом при виготовленні і ремонті металевих конструкцій і виробів в промисловості, будівництві, транспорті, в сільському господарстві та ін. Але ще не всі способи зварювання достатньо розвинуті. Деякі тільки освоюються, можливості їх ще досліджуються, і основне використання їх – в перспективі.

Способи зварювання розділяються по виду енергії, що використовується для одержання зварного з’єднання, на механічний, хімічний, електричний, електромеханічний, хіміко-механічний, променевий та ін. Наприклад, до механічних способів відносяться: зварювання тертям, холодне, ультразвукове та ін; до хімічних – газове та термітне; до електричних – дугове, електрошлакове, плазмово-дугове та ін.

А якщо розглядати способи зварювання з позиції «хто і чим її виконує», то більшість способів можна розділити на ручні, механізовані, напівавтоматичні, автоматичні. В залежності від методів отримання зварного з’єднання розрізняють такі основні групи зварних процесів: зварювання плавленням і давленням. При зварюванні плавленням спеціальне джерело теплоти нагріває і розплавляє кромки з’єднувальних деталей на невеликій ділянці. При зварюванні давленням для схоплювання кромок їх здавлюють. Іноді для полегшення схоплювання місце зварювання нагрівають до пластичного стану металу або також до розплавлення. Більшості способів зварювання назву дано по виду енергії і фізичним властивостям, за допомогою яких забезпечуються міжатомні зв’язки в місці з’єднання.

В даний час найчастіше використовуються способи дугового зварювання.

До зварювання давленням відносяться наступні способи: контактне, газопресове, дифузійне, холодне, тертям, ультразвукове, вибухом і інші. Кожний з цих способів має певні технологічні можливості і застосовується при виготовленні конкретних виробів з урахуванням потреб і можливостей підприємства.

Газове зварювання було найбільш розповсюджене в ХХ ст., а зараз відстало від інших способів, використовується в основному при ремонтних роботах, а також там, де немає електричного струму. Можливості цього способу обмежені: газове полум’я з’єднує метал (сталь, мідь, чавун) товщиною тільки до кількох міліметрів.

Для виготовлення стальних, мідних, титанових, алюмінієвих конструкцій товщиною до кількох метрів і виробів з великим розрізом швів (котли, станини пресів та ін.) в Інституті електрозварювання імені Е.О. Патона розробили спосіб електрошлакового зварювання. «Російське зварювання» (так назвали за кордоном електрошлакове зварювання) було нагороджено золотою медаллю «Гран-при» на Всесвітній виставці в Брюсселі. Фірми багатьох країн світу купили апарати для електрошлакового зварювання, купили ліцензії. В Радянському Союзі за допомогою електрошлакового зварювання виготовляли сотні тисяч тонн найрізноманітних конструкцій, в тому числі унікальні по розмірах і масі зварно-литі елементи великих машин.

З’єднання товщиною в частки міліметра і до кількох дециметрів можна виконувати електронно-променевим зварюванням. Електронно-променеве зварювання ведеться в умовах вакууму, необхідного для вільного руху електронів і чистоти шва. Завдяки високій концентрації енергії (до 10⁸ Вт/ст²) і глибокому вакууму цей спосіб незамінний при виробництві всіх можливих електровакуумних приборів. Він забезпечує герметизацію під вакуумом без додаткового відкачування. В атомній енергетиці електронно-променеве зварювання застосовується для зварювання опалювальних елементів. Електронний промінь проникає у вузькі зазори між деталями розробки, проникає через кілька шарів, з’єднує товсті елементи з тонкими. Ці типи з’єднань дозволяють створювати нові, більш простіші конструкції багатьох важливих машин і апаратів, найбільш ефективно використовувати властивості матеріалів.

На початку 60-х років ХХ ст. були створені лазерні зварювальні установки імпульсної дії, а в даний час успішно виконуються випробовування апаратів для безперервного лазерного зварювання великої потужності.

Промінь лазера може зварювати як однорідні, так і різнорідні метали. Зварні з’єднання при цьому відрізняються добрими механічними властивостями.

Дифузійне зварювання засноване на явищі дифузії у вакуумі. Дифузія (проникнення молекул одної рідини в інші) протікає більш інтенсивно, коли з’єднувальні деталі одночасно нагріваються і стискаються. Зварювання проводять у вакуумній установці, із якої викачане повітря до 10^-4 мм ртутного стовпчика. Деталі нагрівають до 600–800⁰ С струмом високої частоти. При такій температурі руйнується окисна плівка на поверхні з’єднувальних металів, перешкоджаючи дифузії. Стискування і добра підгонка поверхонь полегшує дифузію. Цим способом з’єднують також деталі із крихких матеріалів, в тому числі і із різнорідних металів і неметалів. Однак для дифузійного зварювання необхідна складна апаратура, розміри деталей обмежені розмірами вакуумної камери, і на процес дифузії витрачається багато часу – 10–30 хвилин.

Самий швидкий спосіб зварювання – зварювання вибухом: поверхня в кілька квадратних метрів з’єднується за тисячні долі секунди. При цьому можна з’єднувати деталі, різні по масі і із різнорідних металів. Такий спосіб успішно використовується при виготовленні виробів, які не можна нагрівати. Наприклад, при встановленні оболонок телефонних кабелів. В 1956 році токар А.І. Чудиков отримав зварне з’єднання на простому токарному верстаті. До обертаючої в патроні деталі він притиснув другу, нерухому. Торці деталей за декілька секунд розігрілись до почервоніння, і як тільки обертання закінчилось, деталі щільно зварились. Простий технологічний процес тертям вдалось легко автоматизувати. Цей спосіб успішно застосовується за допомогою високого виробництва і можливості з’єднувати різнорідні метали. Особливо він ефективний при виготовленні металоріжучого інструменту із простої мілкої сталі, до якої приварюється невелика ріжуча частина із дорогоцінних спеціальних сплавів.

На початку 70-х років ХХ ст. ультразвук почали застосовувати для з’єднання, наплавлення і різання живих тканин. Робота зварювальників під головуванням Героя Соціалістичної Праці члена-кореспондента АН СРСР Г.А. Ніколаєва разом з медиками досягла великого успіху. Зварювальним апаратом хірурги почали наплавляти кісткові тканини людини.

Розроблені способи з’єднання матеріалів без розплавлення. Це пайка і склеювання.

Під час пайки міжатомний зв’язок виникає, коли поверхні кромок змочуються розплавленим металом – припоєм.

Склеювання застосовується для тих сплавів і пластмас, в яких зникають їх властивості при нагріванні або стисканні. Цей спосіб використовував відомий радянський авіаконструктор Герой Соціалістичної Праці академік АН УРСР

О.К. Антонов при створенні конструкцій літаків і високоміцних, що важко піддаються зварюванню, алюмінієвих сплавів.

Автоматичне зварювання під флюсом – це процес зварювання з додаванням флюсу. В процесі зварювання електродний дріт автоматично подається в зону зварювання і флюс одночасно також подається до виробу із спеціального бункера.

При автоматичному зварюванні під флюсом головні робочі рухи – подача електрода в зону його плавлення і взаємного переміщення дуги і виробу – механізовані. Крім цього багато апаратів для зварювання під флюсом забезпечені установками для подачі флюсу в зону дуги і його прибирання після зварювання. Зварювальник, що виконує зварювання під флюсом, безпосередньої участі в формуванні шва не бере. Він управляє процесом зварювання за допомогою кнопок, коректорів, рукояток, розташованих на пульті управління і на корпусі зварювального апарата. Таким чином, автоматичне зварювання під флюсом – не повністю автоматизований процес. Це механізоване зварювання з різним ступенем механізації основних і допоміжних операцій в залежності від конструкції зварювального апарата. Проте термін «автоматичне зварювання» в даний час прийнятий як у вітчизняній, так і зарубіжній технічній літературі.

Зварювання під флюсом може бути одно- і багатоелектродним, одно- і багатодуговим. Особливістю багатоелектродного зварювання є приєднання всіх електродів (дротів або стрічок) до одного полюсу джерела живлення. При багатодуговому зварюванні кожний електрод підключений до одного джерела і всі електроди ізольовані один від одного.

Зварювання під флюсом дозволяє покращити виробничий процес в багато разів порівняно із ручним зварюванням, забезпечує добре формування і найкращий внутрішній вид швів, покращує умови праці і знижує матеріальні витрати.

Напівавтоматичне зварювання під флюсом відрізняється від автоматичного рівнем механізації процесу. Тут механізована тільки подача дроту, а операції переміщення і маніпулювання зварною дугою, подачі і прибирання флюсу виконує зварювальник. Зварний дріт від подаючого механізму до тримача, яким маніпулює зварювальник, подається по гнучкому шлангу, який має спеціальний канал.

В даний час напівавтоматичне зварювання сталей під флюсом використовується в невеликих кількостях, так як її майже скрізь витіснило напівавтоматичне зварювання в захисних газах електродом, що плавиться, як більш мобільний і маневрений процес.

1. Плавлені зварювальні флюси

1.1 Виробництво плавлених флюсів

Як сировинні матеріали при виготовленні зварювальних флюсів застосовують різні руди і продукти їх збагачення (марганцеву руду, плавиковий шпат, кварцовий пісок, флюоритовий концентрат, глинозем і ін.). Номенклатура вживаних сировинних матеріалів залежить від хімічного складу флюсів, що виготовляються. У технології виготовлення плавлених флюсів найбільш істотне значення і характерні особливості має операція плавлення флюсу і вживані для цього печі.