История сварки, или как сварка пришла к нам из глубины веков.
Способ получения неразъемных соединений различных металлических деталей путем сварки и пайки был известен еще в глубокой древности. Так, в египетских пирамидах при археологических раскопках нашли золотые изделия, которые имели паянные оловом соединения, а при раскопках итальянского города Помпеи обнаружили свинцовые водопроводные трубы с продольным паяным швом. Широко применялась в прошлом и кузнечная сварка. При этом способе сварки соединяемые металлы нагреваются до состояния пластичности, а затем проковываются в местах соединения.
Ранее сварка представляла собой технологический процесс самого разнообразного применения, но, за небольшим исключением, не использовалась для создания сложных конструкций. Чаще ее использовали для изготовления свинцовых труб или свинцовых кровельных листов. Подогрев осуществлялся с помощью древесного угля, а сварку выполняли последовательными ударами молота. Широко распространена была ремонтная сварка, например, ремонт каретных осей, разрушающихся от усталости.
Уровень технологии сварки в средние века можно увидеть на примере огромной пушки Дол Грайэт, 1382 года выпуска. Эта пушка представляла собой кованную трубу, усиленную наружными обручами, которые присоединялись к трубе кузнечной сваркой. Общая масса изделия более 16 тонн. Такой способ изготовления пушек был широко распространен во всем мире. Самые большие пушки этого типа были изготовлены в Индии в XVI и XVII веках. Они достигали 9 м в длину и весили до 50 тонн.
В большинстве древних строений в качестве несущих элементов, нагруженных сжатием, применялись камень и нормированный бетон, а также древесина для балок и перекладин. В некоторых случаях требовались узлы, работающие на растяжение, и тогда использовали железные анкера, изготовленные кузнечной сваркой или ковкой. Одним из примеров тому является купол Храма Рокк в Иерусалиме (VIII в.). В нем горизонтальная растягивающая нагрузка восьмигранного свода приложена к восьмигранному стальному крепежному кольцу. И это не украшение, а составной компонент конструкции. В итальянской Венеции аркады Дворца Дожей также поддерживаются стальными брусьями. И здесь горизонтальная нагрузка сводов требовала сварного крепления.
Вообще, готическая архитектура и архитектура эпохи Возрождения часто требовала стальных сварных соединений несущих конструкций, как на начальной стадии строительства, так и при последующем ремонте. Это было первое широко распространенное применение сварки в элементах сооружений.
Появление сварочных электродов
С наступлением индустриализации, вследствие развития науки и техники, многие изготавливаемые ранее из дерева и камня элементы сооружений были заменены металлическими. Преобладающим металлом было и остается железо или его сплавы, называемые сталями.
Можно с уверенностью утверждать, что и в дальнейшем сварка будет оставаться одним из ведущих технологических процессов в промышленном производстве и в строительстве. До 2/3 мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений. Сварке подвергаются практически любые металлы и неметаллы в любых условиях - на земле, в морских глубинах и в космосе. Толщина листов свариваемых деталей колеблется от единиц микрон до десятков и сотен сантиметров, масса сварных конструкций - от долей грамма до сотен и тысяч тонн. Зачастую сварка является единственно возможным или наиболее эффективным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения заготовок, максимально приближенных к оптимальной форме готовой детали или конструкции.
Большинство современных сварочных процессов были разработаны в первой половине ХХ-го века, хотя начало свое они берут в веке XIX. Так, в 1802 году впервые в мире профессор Санкт-Петербургской медико-хирургической академии Василий Владимирович Петров (1761 - 1834) открыл и наблюдал дуговой разряд от построенного им сверхмощного "Вольтового столба". Этот столб состоял из 2100 пар разнородных кружков (из меди и цинка), которые были проложены бумажными кружками, смоченными водным раствором нашатыря. Тогда это был наиболее мощный источник электрического тока. Проделав большое количество опытов, профессор Петров показал возможность использования электрической дуги для освещения и плавления металлов. Он первым предложил применить электрическую дугу в качестве источника теплоты для мгновенного расплавления металлов.
Изначально в дуговой сварке не использовали расходных сварочных материалов, и основным видом электросварки была сварка дугой с использованием неплавящегося угольного электрода. Впервые она была применена в 1881 году Августом де Меританом. Спустя короткое время, в 1888 году, Н. Г. Славянов заменил уголь на голый металлический электрод (пруток), обычно изготавливавшийся из холоднокатаной стали (например, телеграфной проволоки, проволоки для изгороди и т. д.). Тем самым было положено начало дуговой сварке плавящимся электродом. Дугу от такого электрода было очень трудно зажигать и поддерживать, так как она горела на открытом воздухе, и поэтому наплавленный металл был сильно загрязнен и вспенен кислородом и азотом. Процесс сварки был не слишком благоприятен для пользователя и сопровождался образованием неровных поверхностей плавления, пористости и довольно обильным крупнокапельным переносом металла.
Первые флюсы, наносимые непосредственно на поверхность электродов, были аналогичны флюсам кузнечной сварки (песок, борат, пепел и т. п.). Учитывая то, что с помощью дуговой и кузнечной сварки решаются совершенно разные технические задачи, данный подход не был эффективным. Основной прогресс был достигнут (приблизительно в 1902 году), когда Кельберг изготовил флюс для голых электродов. Стержни опускали в пасту, состоящую из порошкообразных карбонатов и окисей металлов, смешанных с водой. Покрытие высушивали при обычной температуре (от 20 до 30 °С), и электрод был готов к применению. Хотя по современным стандартам такое флюсование электрода считается сырым, с тонкой, низкокачественной обмазкой, оно давало некоторую газовую защиту при сварке и в какой-то степени обеспечивало стабилизацию дуги.
Появление толстопокрытых сварочных электродов, развитие современных видов сварки
В 1903 году французские инженеры Эдмон Фуше и Шарль Пикар сконструировали первую ацетиленокислородную сварочную горелку и получили на нее патент Германии. Предложенные ими конструкции газосварочных горелок принципиально почти не изменились до настоящего времени.
Созданию газовой сварки и резки способствовали исследования процессов горения газовых смесей французским ученым Анри Луи Ле Шателье. В 1895 году он получил высокотемпературное пламя, свыше 3000 °С, при сжигании ацетилена и кислорода. Хотя ацетилен был открыт еще в 1836 году, а в 1863-м был синтезирован М. Бертло, но доступным техническим продуктом он стал лишь после того, как был найден способ приготовления карбида кальция из известняка и угля.
С 1906 года, после появления достаточно надежных конструкций ацетиленовых генераторов, началось промышленное применение ацетиленокислородной сварки для технологического оборудования, газопроводов и других конструкций.
В 1904 году во Франции была обнаружена возможность использования ацетиленокислородной горелки для резки металлов, а в 1908-1909 годах во Франции и в Германии проведены первые успешные опыты по кислородной подводной резке.
В 1911 году комиссия при Министерстве торговли и промышленности России допустила газовую сварку для изготовления паровых котлов, разрешив сварку некоторых неответственных частей котла.
Более интенсивное развитие в России газовая сварка получила в период Первой мировой войны. Начиная с этого времени и вплоть до 30-х годов газовая сварка занимает ведущее положение в сварочном производстве России, а затем и СССР. Поскольку газовая сварка в то время обеспечивала наиболее высококачественные сварные соединения, то с ее помощью выполнялись все ответственные работы. Например, все магистральные нефтепроводы и продуктопроводы в СССР в 1926-1935 годах создавались с применением газовой сварки.
В 1912 году появилось толстое электродное покрытие, по существу представляющее собой обертку из синего асбеста, пропитанного жидким стеклом. Преимущество толстого покрытия заключалось в существенных добавках других составляющих, чего не было в тонком покрытии. Электроды с толстым покрытием, пропитанным жидким стеклом, нашли применение в таких важных областях промышленности, как изготовление вооружений и ремонт бойлеров кораблей. Широкое использование толстого флюсового покрытия было обусловлено еще и тем, что оно не только обеспечивало защиту от атмосферного загрязнения, но и создавало легко ионизируемые компоненты, стабилизирующие горение дуги. Этим компенсировался недостаток умения сварщика и повышался шанс получения шва без дефектов. Впервые прочность сварного шва стала равной прочности основного металла.
С внедрением в технику дуговой сварки толстопокрытых электродов появились новые способы дуговой сварки, в это же время были разработаны машины для контактной сварки, после чего на многих производствах газовая сварка постепенно начала вытесняться электрической сваркой. С увеличением использования электрической и вытеснением газовой сварки увеличилось использование кислородной резки.
В 30-х годах в связи с дефицитом карбида кальция широкое распространение получила резка с использованием горючих жидкостей, сначала бензина, затем керосина, а в послевоенные годы широко стала внедряться резка с использованием пропан-бутана и природного газа.
К концу 1930-х годов в США и СССР был разработан способ сварки под флюсом, при котором дуга и расплавленный металл защищены оболочкой из расплавленного флюса и слоем нерасплавленных частиц гранулированного флюса.
Непрерывная сварка электродом под флюсовым покрытием осуществлялась при помощи сварочной головки с автоматической подачей прутка. Этот процесс механизированной сварки известен как гравитационная сварка. С начала 1940-х годов этот метод широко использовался на японских верфях для сварки протяженных горизонтально-вертикальных угловых швов.
Преимущество данного процесса заключается в том, что для достижения глубокого провара и получения высокой скорости наплавки металла при значительной экономии затрат можно применять очень высокие сварочные токи. Шов сваривают без разбрызгивания металла и попадания воздуха, так как дуга и сварочная ванна полностью защищены.
В 1940 году была начата сварка дугой, возбуждаемой вольфрамовым электродом в гелии, хотя идея применения защиты дуги и наплавленного металла от атмосферного загрязнения принудительной подачей газа в зону сварки известна примерно столько же, сколько и покрытый электрод. Этот процесс сварки стал началом применения дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа. В связи с потребностью в высокоочищенных газах для сварки алюминиевых сплавов и реактивных металлов чистота защитного газа была повышена до 99,95%. Популярность приобрел аргон как наиболее эффективный и безопасный в применении газ.
В конце 40-х годов параллельно фирмой "Union Carbide and Carbon Согр" (США-ФРГ), институтом ВНИИавтоген и кафедрой сварочного производства МВТУ им. Баумана были разработаны и внедрены в производство способы кислородно-флюсовой резки.
В 1948 году был разработан новый процесс с применением защитного газа - дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитного газа. В данном процессе электрод имел форму проволоки, которая подавалась из бухты в дугу со скоростью, равной скорости плавления проволоки. Так как применение аргона для дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа экономически невыгодно, то после нескольких лет исследований в СССР, Великобритании, Нидерландах и Японии к концу 1950-х годов были разработаны методы, сделавшие возможным использование в качестве защитного газа углекислый газ.
Примерно в 1960 году был разработан процесс сварки под флюсом несколькими электродами, при котором используют две или более сварочные проволоки, подающиеся в одну и ту же сварочную ванну. Проволоки могут быть под током либо использоваться в качестве присадки. Такой процесс позволяет увеличить скорость наплавки металла и улучшить эксплуатационную гибкость.
1960-е годы были самым важным периодом, в течение которого были разработаны многие процессы сварки плавлением, отличные от вышеупомянутых, которые стали широко применяться во всем мире. В их число входит дуговая сварка порошковой проволокой в защитном газе и без него, электрогазосварка и т. д.
В конце 70-х - начале 80-х годов началось освоение газолазерной резки. В то время ее считали наиболее перспективной среди всех способов термической резки.
В начале 1980-х годов были разработаны и начали применяться порошковые проволоки малого диаметра (1,2-1,6 мм).
* В 1882 году Николай Николаевич Бенардос впервые осуществил сварку металла при помощи электрической дуги. На сегодняшний день существует несколько типов сварочных источников питания: трансформаторы, сварочные выпрямители, генераторы/агрегаты и преобразователи. В свою очередь, каждый из типов имеет свои особенности, как по конструкции, так и по области применения.
Выбор сварочного аппарата для домашних целей.
Ещё лет десять назад мечтой каждого домашнего мастера было иметь в своем хозяйстве «сварочник». Даже самодельный трансформатор доставлял законную гордость его владельцу. И не беда, если перенести его с места на место требовалась помощь друга.
Сегодня же, заходя в магазины, торгующие инструментами и сварочным оборудованием, все чаще можно услышать: «А у вас есть инвертор?» Та же картина в интернете: на форумах, посвященных инструментам, огромный интерес вызывает обсуждение особенностей различных сварочных инверторов, и даже советов по их самостоятельному изготовлению.
Не будем спешить и преждевременно закапывать трансформатор в могилу. По распространённости, а главное, по доступности, трансформаторы по-прежнему безусловные лидеры. Тем не менее, давайте рассмотрим причины изменения интереса к трансформаторам. Оговоримся сразу: речь пойдет только о самой распространенной – ручной дуговой сварке.
Инверторы относятся к типу сварочных выпрямителей. В отличие от традиционных трансформаторов, работа инвертора построена на следующем законе электрофизики: чем выше частота напряжения, тем меньше вес и габариты трансформатора для передачи той же энергии. Инвертор обычно состоит из выпрямителя, преобразователя в переменное напряжение высокой частоты, трансформатора, еще одного выпрямителя и управляющей схемы
ГОРИ, ГОРИ ЯСНО…
Пожалуй, главные недостатки трансформаторов - плохая устойчивость дуги вместе с низкой стабильностью режима, сильно зависящего от колебаний сети. И здесь современные соперники – инверторы – не оставляют трансформаторам шансов. Так, инверторные источники обеспечивают стабилизированный постоянный сварочный ток, не зависящий от колебаний входного напряжения и обеспечивающий, таким образом, устойчивую дугу и малое разбрызгивание при сварке. Немаловажно также наличие плавной регулировки сварочного тока и наличие спецфункций управления сварочным током.
Так, например, у инверторов широко распространена функция Hot-Start - чтобы без сложностей и лишних "чирканий" начать сварку, инвертор увеличивает начальный ток. Если сварщик по неопытности слишком быстро приближает электрод к изделию, функция Arc-Force увеличивает ток, ускоряя процесс плавления и препятствуя залипанию. Если все же электрод залип, то в отличие от обычных сварочных трансформаторов он не будет раскаляться докрасна – функция Anti-Sticking тут же снизит ток, защищая сеть и аппарат от перегрузки, давая вам время оторвать электрод и продолжить сварку.
Помимо всего прочего, инвертор потребляет гораздо меньше электроэнергии, что дает большие возможности работы от бытовой электросети и автономных источников питания (бензиновых и дизельных электрогенераторов). Для примера, электропотребление инвертора при работе электродом Ø3мм равносильно потреблению двух электрочайников, что вполне укладывается в бытовые нормы.
В общем и целом, сваривать инвертором гораздо проще и приятнее, чем трансформатором. * Инверторы относятся к типу сварочных выпрямителей. В отличие от традиционных трансформаторов, работа инвертора построена на следующем законе электрофизики: чем выше частота напряжения, тем меньше вес и габариты трансформатора для передачи той же энергии. Инвертор обычно состоит из выпрямителя, преобразователя в переменное напряжение высокой частоты, трансформатора, еще одного выпрямителя и управляющей схемы
СКОЛЬКО ВЕШАТЬ В ГРАММАХ?
Немаловажное преимущество инверторов перед трансформаторами – малый вес и небольшие габариты. Это становится возможным благодаря повышению частоты напряжения: ведь при увеличении частоты в 1000 раз, размеры трансформатора уменьшаются в 10 раз. У некоторых моделей инверторов сам трансформатор имеет размеры со спичечный коробок; основную же массу занимает радиатор. Неудивительно, что такой инвертор можно легко повесить на плечо: при массе меньше 3-х килограммов некоторые инверторы позволяют легко работать электродами диаметром даже до Ø4мм.
Правда, здесь надо оговориться: в наших российских условиях часто малый вес становится большим недостатком. Трансформатор здесь по-прежнему безусловный лидер: сорок килограммов под курткой не спрячешь.
ДЕНЕЖНЫЕ ВОПРОСЫ
Трансформаторы по-прежнему в два и более раз дешевле инверторов. Да и ремонт трансформаторов обычно обходится дешевле. Тем, не менее, из опыта Восточной и Западной Европы: каждые 1000 Евро стоимости сварочных работ при ручной дуговой сварке могут быть разделены на следующие части:
35% стоимость электродов
35% оплата труда сварщиков
2% оборудование и принадлежности (стоимость св. аппарата, кабелей и пр.)
28% стоимость электроэнергии
Как видно, стоимость оборудования для сварки лишь незначительно влияет на общую стоимость сварочных работ. В связи с этим становится выгодно покупать оборудование, использующее новейшие разработки: даже при большей стоимости инвертора уменьшение расходов на электроэнергию в перспективе дает суммарную экономию общей стоимости сварочных работ на 5-8% процентов.
ИТОГИ
Судя по всему, классические сварочные трансформаторы действительно уходят в прошлое. Тем не менее, не стоит забывать, что каким бы «умным» не было оборудование, его возможности всегда будут уменьшаться или увеличиваться главным фактором качества - человеком.
В настоящее время главной задачей при производстве сварочного оборудования является его качественное улучшение.
|