Фізичні основи зварювання

Фізичні процеси зварювання основане на такому явищі, як плавлення металу за рахунок тепла, яке виділяється при проходженні електричного струму між зварювальними конструкціями (позитивний електрод) і власне електродом (негативний електрод). Цей процес супроводжується інтенсивним випроміню­ванням у видимому та ультрафіолетовому спектрах. Тому для захисту очей і поверхні шкіри людині необ­хідно застосовувати спеціальний одяг, окуляри та інше.

Якість зварювального шва в багатьох випадках залежить від кількості окислів, утворених при з'єднанні розплавленого металу з киснем, що роблять його крихким.

Для захисту шва від з'єднання з киснем викорис­товують спеціальні добавки (флюси, або інертні гази).

Розвиток зварювальних технологій і критерії конкуренто­спроможності

До супутніх зварюванню процесів належить, наприклад, процес напилювання, заснований на принципі нанесення іонів однієї речовини на іншу за рахунок інжекції з поверхні.

Сьогодні розроблено і застосовується понад 100 методів зварювання. Найчастіше використовуються:

Зварювання під тиском

• газопресове зварювання;

• контактне стикове зварювання;

• індукційне пресове зварювання;

• пічне зварювання;

• зварювання тертям;

• ультразвукове зварювання;

• дифузійне Зварювання;

• холодне зварювання;

• зварювання вибухом.

Зварювання плавленням

• дугове зварювання;

• електрошлакове зварювання;

• фотонно-променеве зварювання;

• газове зварювання;

• термітне зварювання;

• пайка.

Зварювання плавленням і тиском

• контактне точкове і шовне зварювання;

• стико-дугове зварювання;

• термітно-пресове зварювання.

Метод і техніка зварювання залежить від:

• типу матеріалів, які зварюються (метали, їх сплави, напівпровідники та ін.);

• профілю поверхонь;

• товщини конструкцій;

• типу зварювання (автоматичне, напівавтоматичне, ручне);

• швидкості і точності накладання швів;

• вимог до міцності шовних з'єднань;

• навколишнього середовища (наземне, підводне, космічне);

• можливостей середовища живлення;

• вимог пожежно-, вибухо- та електробезпеки.

Критерій конкурентоспроможності зварювального обладнання і матеріалів ґрунтується на порівнянні технічних та економічних характеристик.

Технічні характеристики:

• продуктивність;

• спеціальні енергетичні та матеріальні затрати;

• коефіцієнт надбавки;

• коефіцієнт переходу;

• коефіцієнт витрат зварювальних матеріалів;

• ефективний ККД процесу нагрівання металу при зварюванні та ін.

Економічні характеристики:

• ціна обладнання;

• витрати на зварювальні матеріали;

• витрати на електроенергію;

• витрати на поточний ремонт.

Виробництво зварювального обладнання

Попит на зварювальне обладнання зумовлений в основному попитом на зварні конструкції (ЗК), які є кінцевим продуктом.

Для виробництва ЗК використовується близько 60% всього металопрокату, що виробляється в Україні.

Частка зварних конструкцій безперервно збільшу­ється, витісняючи деякі нераціональні види відливок, поковок і штамповок.

За час з 1975 по 1989 року зварювальне виробниц­тво України розвивалось досить високими темпами:

виробництво ЗК збільшилось на 13,4% і досягло 15,2 млн. т.

З урахуванням підприємств, не охоплених статистичною звітністю, ЗК в 1989 році виготовлено близько 18,2 млн. т. Зростання виробництва ЗК значно випереджає збільшення випуску готового прокату (в 1989 р. на 5,8% у порівнянні з 1975 р.).

Загальний спад в економіці України, який розпо­чався в 1990 році і продовжується до цього часу, зачепив і зварювальне виробництво, що глибоко інтег­рувало в усі провідні галузі народного господарства нашої країни (табл.1.1).

Таблиця 1.1 Спад зварювального виробництва

Вироблено ЗК, Усього У тому числі У промисловості

1989 15,2 11,8 3,4

1990 14,0 11,3 2,7

1991 - - -

1992 10,3 8,4 1,9

1993 9,2 7,5 1,7

1993-1989, % 60,5 63,5 50,0

Тенденція спаду обсягів виробництва ЗК узгод­жується з картиною спаду в економіці України в цілому. Так, у порівнянні з 1990 роком в 1995 році національний доход знизився на 39,4%, обсяг промислової продукції — на 24,8%.

Відбулися зміни і в структурі виробництва та споживання прокату, основного матеріалу для виробництва ЗК. За 4 роки (1989-1993) випуск готового прокату знизився на 39,8%, а його споживання — на 24,9%. Дещо менше знизилось споживання листового (22,4%) і тонколистового прокату (17,6%), що пояснюється структурними змінами у виробництві промислової продукції за рахунок збільшення випуску менш металомісткої продукції. Порівняно з 1989 роком у 1995 році дещо змінилась галузева структура виробництва ЗК. Питома вага ЗК у промисловості збільшилась з 77,6 до 81,5%, тоді як у будівництві вона знизилась з 22,4 до 18,5%. Це пояснюється тим, що зниження обсягів капітального будівництва і будівельно-монтажних робіт в 1995 р. у порівнянні з 1990 р. склало відповідно 54,4% і 48%, що значно перевищує темпи спаду обсягів національного доходу та промислової продукції.

Масштаби і широка сфера функціонування зварювального виробництва України пояснюється передусім технічними та економічними перевагами виготовлення і застосування зварних металоконструкцій:

— економією металу на 15—33% у порівнянні з кле­паними конструкціями і на ЗО—60% у порів­нянні з конструкціями, виготовленими за допомогою кування та лиття;

— економією трудовитрат (зменшенням обсягу перероблюваного металу);

— здешевленням технологічного обладнання для виробництва ЗК у порівнянні з обладнанням для виготовлення поковок, відливок і клепаних конструкцій;

— поліпшенням умов праці;

— високою щільністю, герметичністю та надійністю нероз'ємного з'єднання при зварюванні конст­рукцій.

Значна техніко-економічна ефективність зварю­вання сприяла широкому застосуванню ЗК, які експлуатуються у винятково важких умовах — при великих швидкостях, високому тиску, максимальних температурах, ударних навантаженнях, під впливом агресивних середовищ; вони застосовуються в хіміч­них апаратах високого тиску, парових котлах, космічних кораблях, мостах та інших машинах і спорудах.

Виробництво згаданих конструкцій стало можливим лише завдяки створенню в останні роки принципово нових технологічних процесів — зварювання тертям, електронно-променевого, плазмово-дугового, ультразвукового, дифузійного зварювання та ін. Сьогодні існує близько 100 способів зварювання, розроблених інститутом, які дозволяють з'єднувати практично будь-які метали і сплави різних товщин і конфігурацій, а також багато видів пластмас і композитів.

У колишньому СРСР Україна мала значну питому вагу у виробництві електрозварювального обладнання, особливо для механізованих способів зварювання (в Україні вироблялось 62%, або 25768 одиниць з 34265). Причому з багатьох позицій Україна була єдиним виробником. Забезпечення джерелами поста­чання в Україні складало 8,4% від загальносоюзних.

Тому у зв'язку з розпадом СРСР виникли певні труднощі із забезпеченням зварювального вироб­ництва обладнанням, яке не виробляється україн­ськими підприємствами, а постачалось з Росії, Узбекистану, Литви і Грузії.

За останніми даними статзвітності, парк зварювального устаткування складає 94,9 тис. Одиниць, причому найбільша питома вага припадає на устаткування для ручного зварювання, автоматич­ного та напівавтоматичного зварювання в захисних середовищах.

Процент зношеності зварювального обладнання на підприємствах України складає (по видах обла­днання):

• автомати і напівавтомати — 18,0;

• машини для контактного зварювання — 34,9;

• обладнання для спеціальних способів зварювання — 24,7;

• джерела живлення — 60,6;

• інше обладнання, якому

понад 10 років — 25,0;

понад 5 років — 56,4.

Сьогодні Україна є монополістом на території СНД по виробництву автоматів, напівавтоматів і флюсів.