1 Семестр Лекция 1 — Введение. Физические основы сваривания металлов. Три стадии формирования свойств сварных соединений. Введение

Сварка является одним из ведущих технологических процессов изготовления и ремонта многообразных конструкций различных отраслей промышленности на Украине, в странах СНГ и передовых в техническом отношении капиталистических государствах.

Её широкое применение определяется возможностью создания наиболее целесообразных, эффективных в эксплуатации и одновременно технологичных, удобных в изготовлении конструкций. Сварка позволяет создавать конструкции, в которых целесообразно используются различные металлы и сплавы, в зависимости от назначения тех или иных частей конструкции, а также детали и заготовки, полученные наиболее рациональными методами их изготовления (прокат, штамповка, литьё, поковки и т.д.).

Для понимания роли и значения сварки в развитии производительных сил общества важно определить ее место среди других способов соединения твердых тел. Способы соединения твердых материалов можно разделить на механические и за счет сил молекулярного сцепления. К первой группе относятся соединения болтовые, заклепочные, клиновые и т. п.; ко второй – соединение сваркой, пайкой, склеиванием, цементами и проч. Соединения могут быть разъемными и неразъемными.

В настоящее время сварку применяют для соединения почти всех металлов и их сплавов, стекол, пластмасс и керамики. Поэтому ее можно считать важнейшим способом соединения твердых тел. Столь широкое применение сварки вызвано ее технико-экономическими преимуществами по сравнению с другими способами получения неразъемных соединений. Сварка почти полностью вытеснила клепаные соединения и является основным ведущим технологическим процессом при сооружении нефтеперерабатывающих, химических, металлургических и энергетических предприятий.

По сравнению с другими методами изготовления металлических конструкций (литых, кованных, выполненных с помощью клепки) аналогичные сварные конструкции, как правило, оказываются более легкими. Экономия в весе металла составляет при этом от 10 до 50 процентов. Целый ряд конструкций, например в энергомашиностроении, при необходимости их длительной эксплуатации при повышенных и высоких температурах, вообще невозможно создавать без применения различных сварных соединений.

Использование новых конструкционных металлов и сплавов для изготовления деталей и изделий разнообразного назначения возможно только при условии разработки методов их соединения и в частности сварки. В настоящее время сварными изготовляются изделия и конструкции не только из углеродистых, но и из различных легированных и высоколегированных сталей, никелевых и медных сплавов, легких титановых, алюминиевых и магниевых сплавов, тугоплавких металлов – ниобия, тантала, молибдена и вольфрама.Глава 1  Физические основы процессов сварки и пайки

1.2  Краткая история развития сварки

Первые способы сварки возникли у истоков цивилизации – с началом использования и обработки металлов. Известны древнейшие образцы сварки, выполненные в VIII – VII тысячелетиях до новой эры. Древнейшим источником металла были случайно находимые кусочки самородных металлов – золота, меди, метеоритного железа. Ковкой их превращали в листочки, пластинки, острия. Ковка металла с небольшим подогревом позволяла соединять мелкие его кусочки в более крупные, пригодные для изготовления простейших изделий.

Позже научились выплавлять металл из руд, плавить его и литьем изготовлять уже более крупные и часто весьма совершенные изделия из меди и бронзы.

С освоением литейного производства возникла литейная сварка по так называемому способу промежуточного литья. Соединяемые детали заформовывались, и место сварки заливалось расплавленным металлом. В дальнейшем были созданы особые легкоплавкие сплавы для заполнения соединительных швов и наряду с литейной сваркой появилась пайка, имеющая большое значение и сейчас.

Весьма важным этапом стало освоение железа около 3000 лет назад. Железные руды имелись повсеместно, и восстановление железа из них производится сравнительно легко. Но в древности плавить железо не умели и из руды получали продукт, состоявший из мельчайших частиц железа, перемешанных с частицами руды, угля и шлака. Лишь многочасовой ковкой нагретого продукта удавалось отжать неметаллические примеси и сварить частицы железа в кусок плотного металла.

Таким образом, древний способ производства железа включал в себя процесс сварки частиц железа в более крупные заготовки.

Из полученных заготовок кузнечной сваркой изготовлялись всевозможные изделия: орудия труда, оружие и др. Многовековой опыт, интуиция, чутье позволили древним мастерам иногда получать сталь очень высокого качества (булат) и кузнечной сваркой изготовлять изделия поразительного совершенства и красоты.

Кузнечная сварка и пайка были ведущими процессами сварочной техники вплоть до конца Х1Х в., когда начался новый, современный период развития сварки. Несоизмеримо выросло производство металла и всевозможных изделий из него, и поэтому многократно возросла потребность в сварочных работах, которую не могли удовлетворить существующие способы сварки.

Особо нужно отметить открытие электрического дугового  разряда, на использовании которого основана электрическая дуговая сварка – важнейший вид сварки настоящего времени. Видная роль в создании этого способа принадлежит ученым и инженерам нашей страны.

Само явление дугового разряда открыл и исследовал в 1802 г. русский физик и электротехник, впоследствии академик В. В. Петров.

Долгое время это открытие не использовалось из-за отсутствия источников тока, дававших бы дешевую электроэнергию. Лишь 80 лет спустя талантливый русский изобретатель Н. Н. Бенардос впервые в мире применил дуговой разряд для сварки и резки металлов. Дальнейшее совершенствование дуговой сварки осуществил в 1888 г. выдающийся русский инженер Н. Г. Славянов.

Однако царская Россия не сумела реализовать возможности, открытые изобретениями Бенардоса и Славянова, и великое русское изобретение – дуговая сварка, как это случалось неоднократно, реализовано было за границей – в США, Германии, Англии.

На своей родине дуговая сварка нашла широкое применение только после Великой Октябрьской социалистической революции. Новый этап в истории сварки начинается с 1929 г., когда было принято постановление Совета и обороны о развитии сварочной техники. Для производства электросварочного оборудования был построен завод «Электрик» (1932 г.). В то время это был самый мощный в Европе завод по электросварочному оборудованию. Созданные специальные учебные заведения занялись подготовкой кадров: рабочих, техников и инженеров-сварщиков. Большое внимание было уделено научным исследованиям; появились многочисленные лаборатории и институты по проблемам сварки. Особенно велика роль Института электросварки АН УССР им. Е. О. Патона в Киеве, МВТУ им. Баумана,  ЦНИИТМАША и ряда других институтов в проведении глубоких научных исследований.

Впервые идея применения порошкообразных веществ для защиты дугового пространства при сварке была запатентована советским изобретателем Д. А. Дульчевским в 1929 г.

Это положило начало разработке механизированных способов дуговой сварки и здесь надо отметить огромный вклад ИЭС им. Патона в исследовании процесса, разработке оборудования и внедрении их в производство.

Выдающимся достижением отечественной сварочной техники явился разработанный в ИЭС им. Е.О. Патона в содружестве с заводами НКМЗ и «Красный котельщик», способ электрошлаковой сварки. В дальнейшем, развивая этот способ, был предложен способ электрошлакового переплава, позволяющий в большой металлургии выплавлять высококачественные марки сталей.

Во Франции впервые был применен способ сварки электронным  лучом. За рубежом разработан способ ультразвуковой сварки. По предложению токаря-новатора А. И. Чудикова в СССР разработан способ сварки трением. Особенно следует отметить роль советских ученых в разработке новых методов сварки. Так, в 1956 г. Н. Ф. Казаковым предложена диффузионная сварка в вакууме, в институте гидродинамики Сибирского отделения АН СССР разработана теория сварки взрывом, Прохоровым А. М. и Басовым Н. Г. разработаны теоретические основы действия оптических квантовых генераторов-лазеров.

В институте химической физики АН СССР разработана атомная сварка, в ИЭС им. Е.О. Патона – ударная сварка, в ЦНИИТМАШе – сварка в СО₂ и др.