СВАРКА

СВАРКА , технологический
процесс соединения твёрдых материалов в результате действия межатомных
сил, к-рое происходит при местном сплавлении или совместном пластическом
деформировании свариваемых частей. С. получают изделия из металла и неметаллич.
материалов (стекла, керамики, пластмасс и др.). Изменяя режимы С., можно
наплавлять слои металла различной толщины и различного состава. На спец.
оборудовании в определ. условиях можно осуществлять процессы, противоположные
по своей сущности процессу соединения, напр. огневую, или термическую,
резку металлов. Историческая справка. Простейшие приёмы С. были известны
в 8-7-м тыс. до н. э. В основном сваривались изделия из меди, к-рые предварительно
подогревались, а затем сдавливались. При изготовлении изделий из меди,
бронзы, свинца, благородных металлов применялась т. н. литейная С. Соединяемые
детали заформовывали, подогревали и место соединения заливали заранее приготовленным
расплавленным металлом. Изделия из железа и его сплавов получали их нагревом
до '' сварочного жара" в кузнечных горнах с последующей проковкой. Этот
способ известен под назв. горновая, или кузнечная, С. Только эти два способа
С. были распространены вплоть до кон. 19 в. Толчком к появлению принципиально
новых способов соединения металлов явилось открытие в 1802 дугового
разряда В. В. Петровым. В 1882 Н. Н. Бенардос и в 1890
Н. Г. Славянов предложили первые практически пригодные способы С.
с использованием электрич. дуги. В нач. 20 в. дуговая электросварка
постепенно
стала ведущим пром. способом соединения металлов. К нач. 20 в. относятся
и первые попытки применения для С. и резки горючих газов в смеси с кислородом.
Первую ацетилене-кислородную сварочную горелку сконструировал франц. инж.
Э. Фуше, к-рый получил на неё патент в Германии в 1903. В России этот способ
стал известен предположительно к 1905, получил распространение к 1911.
Процесс дуговой С. совершенствовался, появились её разновидности: под флюсом,
в среде защитных газов и др. Во 2-й пол. 20 в. для С. стали использовать
др. виды энергии: плазму, электронный, фотонный и лазерный лучи, взрыв,
ультразвук и др.

Классификация. Совр. способы
С. металлов можно разделить на две большие группы: С. плавлением, или С.
в жидкой фазе, и С. давлением, или С. в твёрдой фазе. При С. плавлен и-е
м расплавленный металл соединяемых частей самопроизвольно, без приложения
внеш. сил соединяется в одно целое в результате расплавления и смачивания
в зоне С. и взаимного растворения материала. При С. давлением для соединения
частей без расплавления необходимо значит. давление. Граница между этими
группами не всегда достаточно чёткая, напр. возможна С. с частичным оплавлением
деталей и последующим сдавливанием их (контактная электросварка).

В предлагаемой классификации
в каждую группу входит неск. способов. К С. плавлением относятся: дуговая,
плазменная, электрошлаковая, газовая, лучевая и др.; к С. давлением - горновая,
холодная, ультразвуковая, трением, взрывом и др. В основу классификации
может быть положен и к.-л. др. признак. Напр., по роду энергии могут быть
выделены след. виды С.: электрич. (дуговая, контактная, электрошлаковая,
плазменная, индукционная и т. д.), механич. (трением, холодная, ультразвуковая
и т. п.), хим. (газовая, термитная), лучевая (фотонная, электронная, лазерная).

Сварка плавлением. Простейший
способ С.- ручная дуговая С.- основан на использовании электрич. дуги.
К одному полюсу источника тока гибким проводом присоединяется держатель,
к другому - свариваемое изделие. В держатель вставляется угольный или метал-лич.
электрод (см. в ст. Сварочные материалы). При коротком прикосновении
электрода к изделию зажигается дуга, к-рая плавит осн. металл и стержень
электрода (при металлич. электроде), образуя сварочную ванну, дающую при
затвердевании сварной шов. Темп-ра сварочной дуги 6000-10 000 °С
(при стальном электроде). Для питания дуги используют ток силой 100-350
а,
напряжением
25-40 в от спец. источников (см. Сварочное оборудование).

При дуговой сварке кислород
и азот атм. воздуха активно взаимодействуют с расплавленным металлом, образуют
окислы и нитриды, снижающие прочность и пластичность сварного соединения.
Существуют
внутр. и внеш. способы защиты места С.: введение различных веществ в материал
электрода и электродного покрытия (внутр. защита), введение в зону С. инертных
газов и окиси углерода, покрытие места С. сварочными флюсами (внеш. защита).
При отсутствии внеш. средств защиты сварочная дуга наз. открытой, при наличии
их - защищённой или погружённой. Наибольшее практич. значение имеет электросварка
открытой дугой покрытым плавящимся электродом. Высокое качество сварного
соединения позволяет использовать этот способ при изготовлении ответственных
изделий. Одной из важнейших проблем сварочной техники является механизация
и автоматизация дуговой С. (см. Автоматическая сварка). При изготовлении
изделий сложной формы часто более рациональной оказывается полуавтоматич.
дуговая С., при к-рой механизирована подача электродной проволоки в держатель
сварочного полуавтомата. Защиту дуги осуществляют также сварочным флюсом
(см. в ст.
Сварочные материалы). Идея этого способа, получившего
назв. С. под флюсом, принадлежит Н. Г. Славянову (кон. 19 в.), применившему
в качестве флюса дроблёное стекло. Пром. способ разработан и внедрён в
произ-во под рук. акад. Е. О. Патона (40-е гг. 20 в.). С. под флюсом
получила значит. пром. применение, т. к. позволяет автоматизировать процесс,
является достаточно производительной, пригодна для осуществления различного
рода сварных соединений, обеспечивает хорошее качество шва. В процессе
С. дуга находится под слоем флюса, к-рый защищает глаза работающих от излучений,
но затрудняет наблюдение за формированием шва.

При механизированных способах
С. применяют газовую защиту - С. в защитных газах, или газоэлектрическую
С. Идея этого способа принадлежит Н. Н. Бенардосу (кон. 19 в.). С. осуществляется
сварочной
горелкой или в камерах, заполненных газом. Газы непрерывно подаются
в дугу и обеспечивают высокое качество соединения. Используют инертные
и активные газы (см. в ст. Сварочные материалы). Наилучшие результаты
даёт применение гелия и аргона. Гелий из-за высокой стоимости его получения
используют только при выполнении спец. ответственных работ. Более широко
распространена автоматич. и полуавтоматич. С. в аргоне или в смеси его
с др. газами неплавящимся вольфрамовым и плавящимся стальным электродами.
Этот способ приметим для соединения деталей обычно небольших толщин из
алюминия, магния и их сплавов, всевозможных сталей, жаропрочных сплавов,
титана и его сплавов, никелевых и медных сплавов, ниобия, циркония, тантала
и др. Самый дешёвый способ, обеспечивающий высокое качество,- С. в углекислом
газе, промышленное применение к-рой разработано в 50-е гг. 20 в. в Центр.
н.-и. ин-те технологии и машиностроения (ЦНИИТМАШ) под рук. К. В. Любавского.
Для С. в углекислом газе используют электродную проволоку. Способ пригоден
для соединения изделий из стали толщиной 1-30 мм. К электрич. способам
С. плавлением относится электрошлаковая С., при к-рой процесс начинается,
как при дуговой С. плавящимся электродом -зажиганием дуги, а продолжается
без дугового разряда. При этом значит, кол-во шлака закрывает сварочную
ванну. Источником нагрева металла служит тепло, выделяющееся при прохождении
электрич. тока через шлак. Способ разработан в Ин-те электросварки им.
Е. О. Патона и получил пром. применение (в кон. 50-х гг.). Возможна электрошлаковая
С. металлов толщиной до 200 мм (одним электродом), до 2000 мм
(одновременно
работающими неск. электродами). Она целесообразна и экономически выгодна
при толщине осн. металла более 30 мм. Электрошлаковым способом можно
выполнять ремонтные работы, производить наплавку, когда требуется значит.
толщина наплавляемого слоя. Способ нашёл применение в произ-ве паровых
котлов, станин прессов, прокатных станов, строит. металлоконструкций и
т. п.

Осуществление дуговой электросварки
возможно также в воде (пресной и морской). Первый практически пригодный
способ С. под водой был создан в СССР в Моск. электромеханич. ин-те инженеров
ж.-д. транспорта в 1932 под рук. К. К. Хренова. Дуга в воде горит
устойчиво, охлаждающее действие воды компенсируется небольшим повышением
напряжения дуги, к-рая плавит металл в воде так же легко, как и на воздухе.
С. производится вручную штучным плавящимся стальным электродом с толстым
(до 30% толщины электрода) водонепроницаемым покрытием. Качество С. несколько
ниже, чем на воздухе, металл шва недостаточно пластичен. В 70-е гг. в СССР
в Ин-те электросварки им. Е. О. Патона осуществлена С. под водой полуавтоматом,
в к-ром в качестве электрода использована т. н. порошковая проволока (тонкая
стальная трубка, набитая смесью порошков), непрерывно подаваемая в дугу.
Порошок является флюсом. Подводная С. ведётся на глуб. до 100 м, получила
распространение в судоремонтных и ава-рийно-спасат. работах.

Один из перспективных способов
С.-плазменная С.- производится плазменной горелкой. Сущность этого способа
С. состоит в том, что дуга горит между вольфрамовым электродом и изделием
и продувается потоком газа, в результате чего образуется плазма, используемая
для высокотемпературного нагрева металла. Перспективная разновидность плазменной
С.- С. сжатой дугой (газы столба дуги, проходя через калиброванный канал
сопла горелки, вытягиваются в тонкую струю). При сжатии дуги меняются её
свойства: значительно повышается напряжение дуги, резко возрастает темп-pa
(до 20 000-30 000 °С). Плазменная С. получила пром. применение для соединения
тугоплавких металлов, причём автоматы и полуавтоматы для дуговой С. легко
могут быть приспособлены для плазменной при соответствующей замене горелки.
Плазменную С. используют как для соединения металлов больших толщин (многослойная
С. с защитой аргоном), так и для соединения пластин и проволока толщиной
от десятков мкм до 1 мм (микросварка, С. игольчатой дугой).
Плазменной струёй можно осуществлять также др. виды плазменной обработки,
в т. ч. плазменную резку металлов.

Газовая С. относится к способам
С. плавлением с использованием энергии газового пламени, применяется для
соединения различных металлов обычно небольшой толщины - до 10 мм. Газовое
пламя с такой темп-рой получается при сжигании различных горючих в кислороде
(водородно-кислородная, бензино-кислородная, ацетилено-кислородная С. и
др.). Пром. применение получила ацетилено-кислородная газовая С. Существенное
отличие газовой С. от дуговой С.- более плавный и медленный нагрев металла.
Это обстоятельство определяет применение газовой С. для соединения металлов
малых толщин, требующих подогрева в процессе С. (напр., чугун и нек-рые
спец. стали), замедленного охлаждения (напр., инструментальные стали) и
т. д. Благодаря универсальности, сравнительной простоте и портативности
оборудования газовая С. целесообразна при выполнении ремонтных работ. Пром.
применение имеет также газопрессовая сварка стальных труб и рельсов,
заключающаяся в равномерном нагреве ацетилено-кислородным пламенем металла
в месте стыка до пластич. состояния и последующей осадке с прессованием
или проковкой.

Перспективными являются появившиеся
в 60-е гг. способы лучевой С., также осуществляемые без применения давления.
Электроннолучевая (электронная) С. производится сфокусированным потоком
электронов. Изделие помещается в камеру, в к-рой поддерживается вакуум
(10^-2-10^-4 н/л²), необходимый для свободного
движения электронов и сохранения концентрированного пучка электронов. От
мощного источника электронов (электронной пушки) на изделие направляется
управляемый электронный луч, фокусируемый магнитным и электростатич. полями.
Концентрация энергии в сфокусированном пятне до 10⁹ вт/см².
Перемещая
луч по линии С., можно сваривать швы любой конфигурации при высокой скорости.

Вакуум способствует меньшему
окислению металла шва. Электронный луч плавит и доводит до кипения практически
все металлы и используется не только для С., но и для резки, сверления
отверстий и т. п. Скорость С. этим способом в 1,5-2 раза превышает скорость
дуговой С. при аналогичных операциях. Недостаток этого способа - большие
затраты на создание вакуума и необходимость высокого напряжения для обеспечения
достаточно мощного излучения. Этих недостатков лишён др. способ лучевой
С.- фотонная (световая) С. В отличие от электронного луча, световой луч
может проходить значит. расстояния в воздухе, не теряя заметно энергии
(т. е. отпадает необходимость в вакууме), может почти без ослабления просвечивать
прозрачные материалы (стекло, кварц и т. п.), т. е. обеспечивается стерильность
зоны С. при пропускании луча через прозрачную оболочку. Луч фокусируется
зеркалом и концентрируется оптич. системой (напр., кварцевой линзой). При
потребляемой мощности 50 квт в луче удаётся сконцентрировать ок.
15 квт. Для создания светового луча может служить не только искусств.
источник света, но и естественный - Солнце. Этот способ С., наз. гелиосваркой,
применяется
в условиях значит. солнечной радиации.

Для С. используется также
излучение оптич. квантовых генераторов - лазеров. Лазерная С. занимает
видное место в лазерной технологии.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я