Термическая и антикоррозийная обработка цветных металлов
Термической (тепловой) обработкой называются процессы, при которых металл нагревают или охлажда...
Цветные металлы
В последнее время цветные металлы и сплавы все более распространены в употреблении. Свое назван...
Эмали для металла
Эмаль, то есть суспензия из смол, красящих и стабилизирующих веществ и растворителя, является о...
Дуговая сварка покрытыми электродами
Опубликовано: 06.09.2018
Начало ХХ в. можно назвать периодом перехода к новой технологии соединения металлов – сварке. Сварка в руках специалистов уже охватывала почти весь диапазон толщин и типов соединений изделий из черных металлов, а также медных, бронзовых и других материалов. Однако в промышленности сварка использовалась преимущественно для ремонта неответственных деталей. Основной причиной этого было низкое качество металла шва. Клепка, несмотря на технические трудности, давала более прочные и плотные соединения. И все же преимущества сварки были очевидны, и преодоление ее недостатков сулило серьезные выгоды. Именно ХХ в. стал временем расцвета и триумфа сварочной науки, техники и технологии. За последние сто лет были разработаны и нашли практическое применение большинство видов сварки, она вышла за пределы Земли и опустилась под воду.
Дуговые виды сварки металлов
В конце XIX в. – начале ХХ в. дуговую сварку по способам Бенардоса и Славянова продолжали применять в России и за рубежом главным образом на железных дорогах, на крупных машиностроительных и металлургических предприятиях. Усовершенствование технологии сварки позволило применять ее не только для ремонта простых изделий, но и для более ответственных работ. С помощью сварки ремонтировали паровозные цилиндры, вагонные колеса, заваривали трещины в бронзовых золотниках и наплавляли шейки паровозных и вагонных осей.
ручная дуговая сварка. виды покрытий электродов
По способу Славянова успешно сваривали чугун и бронзу, стальные детали значительных сечений. Качество сварочных работ находилось на высоком уровне. К началу ХХ в. установки для дуговой сварки действовали на Коломенском и Невском машиностроительных заводах, на заводе общества пароходства и торговли в Севастополе, на Луганском, Златоустовском, Сормовском и Ижевском заводах, в Одесских и Кронштадских портовых мастерских, в мастерских при различных железных дорогах. Особо следует отметить Одесскую электросварочную мастерскую Юго-Западной железной дороги. За большие успехи в применении дуговой сварки и совершенствовании технологического процесса на Всероссийской промышленной выставке в 1910 г.
Одесские железнодорожные мастерские были удостоены высшей награды – золотой медали с надписью «За умелое применение электросварки». В период Первой мировой войны сварка плавящимся и угольным электродом стала применяться и в английской промышленности при производстве корпусов бомб, мин и торпед, а в 1920 г. электрическая дуга вспыхнула и на судостроительных верфях. Но, как уже отмечалось, несмотря на отдельные успехи, дуговая сварка по способам Бенардоса, Славянова, Коффина и Церенера имела серьезные недостатки: плавление стали в дуговом разряде сопровождалось выгоранием углерода, марганца, кремния. При этом сварной шов мог насыщаться кислородом, азотом и водородом.
Для создания конкурентоспособного процесса необходимо было решить ряд проблем, прежде всего технологического характера. Особенно это было важно для сварки плавящимся электродом. Дуга на металлическом электроде имеет небольшую длину, поэтому сварщик должен поддерживать дуговой промежуток с большой точностью в пределах 1–3 мм при скорости плавления электрода более 200 мм в минуту. В связи с этим стоит электроду оплавиться на несколько миллиметров, как процесс становится неустойчивым, капли металла разлетаются в разные стороны, дуга гаснет. Поэтому необходимо было не только найти способы защиты зоны сварки и легирования ванны для улучшения качества металла шва, но и попытаться облегчить процессы возбуждения и поддержания горения дуги. Удачно найденные решения внедрялись в практику, развивались, служили очередной ступенькой для дальнейшего совершенствования.
Дуговая сварка покрытыми электродами
Новый путь развития дуговой сварки открыл Оскар Кьельберг. В 1904 г. О. Кьельберг основывает фирму «ЭСАБ» по производству главным образом электротехнического оборудования для судостроения, которая в настоящее время известна сварщикам всего мира высококачественным сварочным оборудованием, материалами и технологиями. Начинаются его исследования по сварке, в результате которых в 1907 г. был создан плавящийся электрод в виде отрезка проволоки, покрытого с помощью клея порошком силикатов.
Так изобретатель хотел предотвратить стекание электродного металла при сварке швов в потолочном положении, но дополнительно обнаружил, что улучшается и защита зоны сварки. Поэтому в патенте сказано, что цель покрытия – «защитить расплавленный металл от кислорода и азота воздуха и обеспечить надлежащие физические и химические свойства шва, а также сделать возможной сварку во всех пространствен-ных положениях».
Непокрытым оставался только один конец, который вставлялся в электрододержатель и торец электрода на другом конце, которым зажигали дугу. Однако «защита» была очень слабая. Расплавленные силикаты обволакивали конец электрода, но поверхность капель металла не полностью покрывалась шлаком. Компоненты воздуха – азот и кислород – могли контактировать и взаимодействовать с металлом. Несмотря на это, качество металла удалось улучшить. Существенно улучшил электродное покрытие англичанин А. Строменгер в 1911 г.
Он предложил обматывать металлический стержень асбестовым шнуром, пропитанным силикатом натрия (жидким стеклом). Тонкая алюминиевая проволока наматывалась поверх покрытия. Шлака от такого покрытия образовывалось столько, что обеспечивалась достаточно надежная защита и образующихся капель металла и сварочной ванны. Алюминий выступал в роли раскислителя и обеспечивал удаление кислорода. Под названием «Квази-арк» эти электроды распространились по Европе и Америке. В 1917 г. английский инженер С. Джонс получил патент, по которому на оплетку из асбеста или другого непроводящего материала наносилась специальная паста, состоящая из шлака и связующего (жидкого стекла). Разработчики обратили внимание и на материал электродного стержня. В 1917 г. в Америке выпускали 8 типов специализированных электродов, отличающиеся друг от друга маркой стали, из которой изготовлен электрод. В этом же году американские ученые О. Андрус и Д. Стреса изобрели новый тип электрода.
Стальной стержень был обернут полосой бумаги, приклеенной силикатом натрия. Бумага при горении электрода давала дым, который оттеснял воздух из зоны сварки. Обнаружилось еще одно интересное свойство покрытия – дуга зажигалась сразу, с первого касания, и не гасла при удлинении. В 1925 г. англичанин А.О. Смит несколько изменил конструкцию штучного электрода: на бумагу с помощью жидкого стекла наносились порошкообразные компоненты, улучшающие защиту и легирующие металл шва. По мере добавления различных компонентов покрытие становилось толще, а качество наплавленного металла – лучше. В этом же году французские изобретатели О. Са-разен и О. Монейрон разработали покрытие, которое толстым слоем наносилось на металлический стержень. Компонентами в рецепте покрытия стали соединения щелочных и щелочноземельных металлов: полевой шпат, мел, мрамор, сода. Элементы (калий, натрий и кальций) обладают низким потенциалом ионизации, что обеспечивает легкое возбуждение дуги и поддержание ее горения.
В октябре 1914 г. С. Джонсу был выдан британский патент на метод получения электрода, покрытие которого наносилось методом опрессовки. Металлический стержень проталкивался через фильеру одновременно с шихтой, ложившейся на стержень. Таким образом, за первую четверть ХХ в. были разработаны конструкции плавящихся электродов для ручной дуговой сварки, методы их изготовления, обоснован состав покрытия. К концу 20-х годов прошлого века электроды с обмазкой содержали специальные компоненты: - газообразующие – оттесняющие воздух из зоны сварки; - легирующие – улучшающие состав и структуру металла шва; - шлакообразующие – защищающие расплавленный и кристаллизующийся металл от взаимодействия с газовой фазой; - стабилизирующие – вещества с низким потенциалом ионизации. Изменяя состав компонентов покрытия, можно было получать электроды со специальными свойствами. Судьба дуговой сварки зависела также от решения проблемы источника питания.
Первый специализированный источник питания для сварки был разработан Н.Н. Бенардосом. Его сварочный аккумулятор нашел применение во многих странах мира, проработав на отдельных предприятиях до 30-х годов ХХ в. Однако эксплуатация аккумуляторов представляла серьезные трудности, вызванные вредными условиями труда, необходимостью систематической зарядки, невозможностью транспортировки. Сварочный генератор Н.Г. Славянова упростил уход за источником питания (рис. 6). Однако для обеспечения стабильности горения дуги пришлось оставить в цепи буферную аккумуляторную батарею, сглаживающую пики токов. Развитие сварки и электротехники привело к тому, что в первом десятилетии ХХ в. в Германии и США начали выпускать специальные сварочные генераторы.
Рис. 6. Первый электрический генератор для сварки, разработанный и построенный Н.Г. Славяновым
В 1907 г. первый генератор с регулируемым напряжением был выпущен на заводе «Линкольн электрик». В том же году другая американская фирма «Си-Си электрик» наладила производство мотор-генераторов. В 1909 г. генератор постоянного тока создал американский промышленник и изобретатель Дж. Вестингауз, а фирма «Дженерал электрик» стала выпускать моторгенераторы. Между тем электротехника в развитых странах мира уже осваивала переменный ток. Его применение сулило большие выгоды, в первую очередь за счет упрощения конструкции источников питания.
Однако природа переменного электрического тока вроде бы была несовместима с природой дуги, которая мгновенно исчезает при нулевом значении тока. Одним из первых, кто предложил решение этой проблемы, был известный российский электротехник академик В.Ф. Миткевич. В 1905 г. в работе «О вольтовой дуге» он обосновал возможность применения для сварки переменного тока, в том числе и трехфазного. При питании сварочной дуги переменным током новый потенциал между электродами должен подаваться раньше, чем распадется плазма. В связи с этим скорость нарастания напряжения источника питания должна быть больше, чем скорость деионизации дугового промежутка. Предложенные им схемы легли в основу сварки на переменном токе.
И вот в середине 20-х годов ХХ в. в качестве источников питания наряду со сварочными преобразователями стали использовать специальные сварочные трансформаторы, а еще через десять лет – сварочные выпрямители. В нашей стране в эти же годы работы по обеспечению развития дуговой сварки были поставлены на промышленную основу. В 1928 г. на заводе им. Г.И.Петровского (г. Днепропетровск) серийно стали выпускать покрытые электроды для сварки. К концу тридцатых годов были сформулированы принципы регулирования тока в сварочных трансформаторах, которые были воплощены в различных конструкциях источников питания:
с несколькими выводами; с магнитным шунтом; с регулируемым воздушным зазором.Е.О. Патон (1870-1953)
Выпуск этого оборудования стал производиться серийно на заводе «Электрик», история которого началась в 1896 г. Именно в это время в г. Санкт-Петербурге на Аптекарском острове Петроградской стороны акционерным обществом «Дюфлонн Константинович» был построен «Завод электромеханических сооружений». В ноябре 1922 г. завод получил современное название. Ручная дуговая сварка все шире внедрялась в производство металлических конструкций: котлы и корабли, каркасы зданий и детали мостов, автомобили и вагоны. Казалось, ничто не может прервать наступление сварки.
Но чем шире внедрялась дуговая сварка, тем чаще возникали отрицательные эффекты, которые настораживали производственников и эксплуатационников, вызывая с их стороны запрет на применение нового технологического процесса. Трещины в швах и околошовной зоне, напряжения и деформации целых конструкций, изменяющееся труднопредсказуемое качество при изменении сварочных материалов, ограниченность материалов, их толщин и типов соединений, которые можно сваривать – вот неполный перечень проблем, которые требовали научных решений. Но сварочная наука тогда еще не сформировалась, а рекомендации и выводы отдельных ученых не всегда принимались во внимание.
В большинстве исследовательских и заводских лабораторий изучали преимущественно механические свойства сварных соединений из низкоуглеродистых сталей, которые характеризовались удовлетворительными значениями предела прочности – 320-400 МПа. Пластические свойства металла шва в сварных соединениях были невысокими: углы загиба при разрушении не превышали 30-35 0, а ударная вязкость металла сварных швов при низких и высоких температурах – 100 кДж/м2. По результатам ряда экспериментов было установлено отрицательное влияние на механические свойства сварных соединений проведения сварки при отрицательных температурах. Периодически мир наполняли слухи о ненадежности сварных конструкций, которые, к сожалению, базировались на реальных событиях. В 1936–40 гг. в Западной Европе рухнуло несколько сварных мостов. Катастрофы происходили неожиданно.
Чаще всего этому предшествовало резкое понижение температуры воздуха. Во время аварии мосты не подвергались никакой нагрузке. В этот же период тысячи железнодорожных вагонов в СССР и других странах были сняты с эксплуатации из-за трещин в сварных рамах и тележках. Стало очевидным, что дальнейшее развитие сварки и полная победа новой технологии зависят от науки. В СССР и за рубежом стали создаваться сварочные научные центры, в которых начались всесторонние исследования по влиянию различных параметров сварочного процесса на состав и свойства металла шва и околошовной зоны, позволившие найти способы управлять качеством сварного соединения. Первой по времени возникновения в нашей стране сложилась научная школа В.П. Вологдина.
Диапазон интересов одного из основоположников сварочной науки был необычайно широк. В лаборатории сварки Дальневосточного университета В.П. Вологдиным и его учениками были разработаны вопросы, относящиеся к технологии дуговой сварки, деформациям и напряжениям металла при сварке, среди которых можно отметить:
определение коэффициентов прочности сварных соединений; изучение влияния пространственного положения деталей при сварке на прочность шва; разработку системы обозначений сварных швов на чертежах; разработку методов расчета сварочных деформаций и напряжений; введение важнейших объективных показателей видов сварки плавлением – «коэффициента наплавки» и «коэффициента расплавления».В 1929 г. исследования сварных соединений и конструкций были развернуты под руководством Г.А. Николаева в Москве и Е.О. Патона в Киеве. Этот год можно считать знаменательным в становлении сварочной науки в нашей стране. В Москве организуется автогенно-сварочный техникум, который вскоре был преобразован в учебный комбинат, положивший начало сварочным кафедрам в МВТУ им. Н.Э. Баумана. В Киеве при Академии наук создается электросварочная лаборатория. Ее организатором и руководите-лем был крупный инженер и ученый в области мостостроения академик Е.О. Патон. В 1934 г. электросварочная лаборатория была преобразо-вана в первый в мире научно-исследовательский институт, который занимался только вопросами сварки – Институт электросварки АН УССР. В 1929 г. Е.О.Патон начинает заниматься вопросами электросварки. Всю оставшуюся жизнь он посвятил разработке научных основ сварки, внедрению ее в промышленность.
Первые исследовательские работы касались вопросов прочности сварных соединений и конструкций. Е.О. Патону и его сотрудникам удалось установить условия применения электросварки при изготовлении конструкций, испытывающих не только статические, но и динамические нагрузки. Значительный интерес представляли исследования статической и вибрационной прочности сварных конструкций.
Одними из первых ученые института изучили процессы плавления основного и электродного металлов, тепловой баланс при сварке открытой дугой, а также основные вопросы металлургии сварки и свариваемости низколегированных сталей. В начале тридцатых годов были опубликованы работы Г.А. Николаева о влиянии сварочных напряжений и деформаций на работоспособность ответственных сварных конструкций. Георгий Александрович Николаев родился в 1903 г. В 1925 г. он окончил Московский институт инженеров транспорта, а в 1928 г. – механико-математический факультет Московского государственного университета.
Начало его научной и педагогической деятельности совпало с новым историческим периодом в развитии СССР – индустриализацией и внедрением сварки в промышленное производство. Уже применялись в небольших объемах некоторые способы дуговой, контактной, газовой и термитной сварки, однако проблема создания надежных сварных изделий как конечной цели сварочного производства еще не была успешно решена. Именно Г.А. Николаев является одним из основателей науки о прочности сварных конструкций.
Его глубокие исследования собственных напряжений и деформаций сварных конструкций явились основой для ряда новых направлений в науке о сварке и послужили теоретической и практической базой для широкого внедрения сварки в различные отрасли хозяйства. При его участии были созданы первые сварные железнодорожные мосты. В период Великой Отечественной войны Г.А. Николаев внес большой вклад в применение сварки при производстве вооружения. С именем Г.А. Николаева связан ряд успешных работ по сварке в вакууме, ультразвуковой сварке и резке неметаллических материалов. Г.А. Николаев является выдающимся ученым, обогатившим науку фундаментальными теоретическими и экспериментальными исследованиями.
В эти же годы начала формироваться уральская школа сварщиков, у истоков создания которой стоял Г.П. Михайлов. Григорий Петрович Михайлов родился 1 января 1899 г. в г. Елабуге. Первоначальное образование он получил в реальном училище, а в 1924 г. окончил Московский институт инженеров путей сообщения. В 1927-28 гг. Г.П. Михайлов руководит строительством нового мартеновского цеха Пермского пушечного завода, применяя сварку при изготовлении металлоконструкций. В их изготовлении электродуговая сварка тогда почти не применялась. Не было методов расчета на прочность, технологий изготовления.
В середине 1928 г. он был переведен на строительство Уралмашзавода, где возглавил отдел по проектированию, производству металлических конструкций и возведению металлических сооружений. Опыт, полученный им на заводе, где Н.Г. Славянов создавал электродуговую сварку, пригодился и здесь. В 1930 г. были спроектированы и изготовлены первые сварные межэтажные перекрытия. Они представляли собой смесь элементов, которые в настоящее время считаются традиционными для подобного типа конструкций (пояса, раскосы, косынки и т.д.), и большого числа дополнительных крепежных элементов.
По мере изготовления и эксплуатации ферм число дополнительного крепежа уменьшалось, что оптимизировало и внешний вид, и технологию изготовления. Вскоре для строящегося завода были изготовлены мачты для прожекторов высотой 24 м, дымовые трубы высотой до 40 м, подкрановые балки для кранов грузоподъемностью 50 т длиной пролета 10 м, смонтирован сварной газопровод протяженностью 3 км. Исследования, выполненные В.П. Вологдиным, Е.О. Патоном, Г.А. Нико-лаевым и другими специалистами по применению сварки при изготовлении металлических конструкций, дали положительные результаты.
Внедрение электросварки в производство металлических конструкций происходило на основе разработанных рекомендаций по итогам исследований. Впервые веское слово сказала сварочная наука. В дальнейшем будут изучены свойства сварочного дугового разряда, его электроэнергетические особенности и процессы превращения электрической энергии в тепловую. Получат объяснение процессы распространения теплоты в металле от концентрированного дугового источника, возникновения напряжений и деформаций в сварных конструкциях. Станут понятными закономерности при плавлении, взаимодействии и затвердевании фаз при сварке.
Появится специальный раздел металловедения, изучающий структурные превращения металла шва и околошовной зоны.
Все это станет не только фундаментом разработки приемов улучшения качества сварных соединений, полученных ручной дуговой сваркой, но и предпосылками создания новых способов.
Одним из первых, в результате систематических работ в Институте электросварки по изучению металлургических и электрических процессов дуговой сварки, был разработан способ сварки под флюсом.
Источник: М.П. Шалимов, В.И. Панов "Сварка Вчера, Сегодня, Завтра". Екатеринбург, 2006