Сварка
Сва'рка, технологический процесс соединения твёрдых материалов в результате действия межатомных сил, которое происходит при местном сплавлении или совместном пластическом деформировании свариваемых частей. С. получают изделия из металла и неметаллических материалов (стекла, керамики, пластмасс и др.). Изменяя режимы С., можно наплавлять слои металла различной толщины и различного состава. На специальном оборудовании в определенных условиях можно осуществлять процессы, противоположные по своей сущности процессу соединения, например 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, которые 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 названием горновая, или кузнечная, С. Только эти два способа С. были распространены вплоть до конца 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 электрической дуги. В начале 20 в. дуговая электросварка постепенно стала ведущим промышленным способом соединения металлов. К началу 20 в. относятся и первые попытки применения для С. и резки горючих газов в смеси с кислородом. Первую ацетилено-кислородную сварочную горелку сконструировал французский инженер Э. Фуше, который 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 половине 20 в. для С. стали использовать др. виды энергии: плазму, электронный, фотонный и лазерный лучи, взрыв, ультразвук и др.
Классификация. Современные 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. плавлением расплавленный металл соединяемых частей самопроизвольно, без приложения внешних 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 значительное давление. Граница между этими группами не всегда достаточно чёткая, например возможна С. с частичным оплавлением деталей и последующим сдавливанием их (контактная электросварка). В предлагаемой классификации в каждую группу входит несколько 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 какой-либо др. признак. Например, по роду энергии могут быть выделены следующие виды С.: электрическая (дуговая, контактная, электрошлаковая, плазменная, индукционная и т. д.), механическая (трением, холодная, ультразвуковая и т. п.), химическая (газовая, термитная), лучевая (фотонная, электронная, лазерная).
Сварка плавлением. Простейший способ С. — ручная дуговая С. — основан на использовании электрической дуги. К одному полюсу источника тока гибким проводом присоединяется держатель, к другому — свариваемое изделие. В держатель вставляется угольный или металлический электрод (см. в ст. Сварочные материалы). При коротком прикосновении электрода к изделию зажигается дуга, которая плавит основной металл и стержень электрода (при металлическом электроде), образуя сварочную ванну, дающую при затвердевании сварной шов. Температура сварочной дуги 6000—10000 °С (при стальном электроде). Для питания дуги используют ток силой 100—350 а, напряжением 25—40 в от специальных источников (см. Сварочное оборудование).
При дуговой сварке кислород и азот атмосферного воздуха активно взаимодействуют с расплавленным металлом, образуют окислы и нитриды, снижающие прочность и пластичность сварного соединения. Существуют внутренние и внешние способы защиты места С.: введение различных веществ в материал электрода и электродного покрытия (внутренняя защита), введение в зону С. инертных газов и окиси углерода, покрытие места С. сварочными флюсами (внешняя защита). При отсутствии внешних средств защиты сварочная дуга называется открытой, при наличии их — защищенной или погруженной. Наибольшее практическое 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 полуавтоматическая дуговая С., при которой механизирована подача электродной проволоки в держатель сварочного полуавтомата. Защиту дуги осуществляют также сварочным флюсом (см. в ст. Сварочные материалы). Идея этого способа, получившего название С. под флюсом, принадлежит Н. Г. Славянову (конец 19 в.), применившему в качестве флюса дроблёное стекло. Промышленный способ разработан и внедрён в производство под руководством академика Е. О. Патона (40-е гг. 20 в.). С. под флюсом получила значительное промышленное 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, который 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 (конец 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 специальных ответственных работ. Более широко распространена автоматическая и полуавтоматическая С. в аргоне или в смеси его с другими газами неплавящимся вольфрамовым и плавящимся стальным электродами. Этот способ применим 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 которой разработано в 50-е гг. 20 в. в Центральном научно-исследовательском институте технологии и машиностроения (ЦНИИТМАШ) под руководством К. В. Любавского. Для С. в углекислом газе используют электродную проволоку. Способ пригоден для соединения изделий из стали толщиной 1—30 мм.
К электрическим способам С. плавлением относится электрошлаковая С., при которой процесс начинается, как при дуговой С. плавящимся электродом — зажиганием дуги, а продолжается без дугового разряда. При этом значительное количество шлака закрывает сварочную ванну. Источником нагрева металла служит тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через шлак. Способ разработан в институте электросварки им. Е. О. Патона и получил промышленное применение (в конце 50-х гг.). Возможна электрошлаковая С. металлов толщиной до 200 мм (одним электродом), до 2000 мм (одновременно работающими несколькими электродами). Она целесообразна и экономически выгодна при толщине основного металла более 30 мм. Электрошлаковым способом можно выполнять ремонтные работы, производить наплавку, когда требуется значительная толщина наплавляемого слоя. Способ нашёл применение в производстве паровых котлов, станин прессов, прокатных станов, строительных 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 Московском электромеханическом институте инженеров ж.-д. транспорта в 1932 под руководством К. К. Хренова. Дуга в воде горит устойчиво, охлаждающее действие воды компенсируется небольшим повышением напряжения дуги, которая 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 институте электросварки им. Е. О. Патона осуществлена С. под водой полуавтоматом, в котором 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 глубине до 100 м, получила распространение в судоремонтных и аварийно-спасательных работах.
