Современное сварочное производство.
Сварка - технологический процесс изготовления изделий посредством сборки и соединения отдельных заготовок и деталей. При этом соединение осуществляется не механическими средствами в форме болтов, заклепок, стяжек и других видов, а за счет сил межатомного взаимодействия соединяемых деталей.
С помощью сварки соединяют различные металлы и их сплавы в изделиях и конструкциях, а также и некоторые другие материалы (стекло, керамику, пластмассы).
Размеры сварных изделий могут быть от долей миллиметра (приборы электроники) до многих сотен метров (пролетные конструкции железнодорожных и шоссейных мостов, корпуса океанских лайнеров, магистральные и технологические трубопроводы).
Поскольку разнообразны применение и характер изготовляемых изделий, освоение сварки требует знаний по металлургии и металловедению, машиностроению, электротехнике, физике, химии, прочности материалов и их свойств при различных температурах, прочности сварных конструкций, автоматизации производственных процессов, начиная с простейших автоматов и полуавтоматов и заканчивая роботами, имитирующими рабочие приемы человека.
Всевозможные машины - важнейший фактор существования современного человека, а машиностроение - важнейшая отрасль современного производства. Машиностроение является материальной основой технического перевооружения всего народного хозяйства. От уровня развития машиностроения в решающей степени зависят производительность труда, технический прогресс, материальное благосостояние народа, обороноспособность страны.
Главная задача машиностроения - обеспечить все отрасли народного хозяйства высокоэффективными машинами и оборудованием. Машиностроение включает такие крупные подотрасли, как энергетическое, электротехническое машиностроение, станкостроительная и инструментальная промышленность, приборостроение, автомобилестроение, тракторное и сельскохозяйственное машиностроение и др.
Для машиностроения характерен непрерывный процесс производства. Большая номенклатура машин и оборудования, их сложность и возможность расчленения на отдельные узлы и детали обусловливают широкую специализацию производства продукции.
Основной материал, из которого изготавливаются машины- металлы, в первую очередь стали различных марок. Наиболее рациональным способом соединения деталей машин во многих случаях является сварка.
Сварка широко применяется в строительстве. Сварными делают стальные пролетные конструкции мостов, корпуса судов, строительные металлоконструкции, каркасы высотных зданий, трубопроводы и резервуары для нефти и природного газа и др.
Основные инженерные конструкции в различных отраслях хозяйственной деятельности были и остаются сварными. В то же время на смену широко применяемым маркам сталей и сплавов приходят новые, более экономичные и прочные материалы. В связи с этим изменяются технологические процессы сварки, сварочные материалы и оборудование.
Развитие современного промышленного производства ведет к разработке и внедрению новых сварных конструкций. Так, на объектах промышленного и гражданского строительства появились грузоподъемные машины, изготавливаемые из высокопрочных сталей, которые сваривают механизированным способом с использованием рутиловой порошковой проволоки, что позволяет повысить производительность процесса, упростить технику сварки и формировать сварные швы в любом пространственном положении без кантования крупногабаритных узлов.
Для повышения устойчивости многоэтажных зданий при воздействии вибрационных и динамических нагрузок их каркасы изготавливают из высокопрочных сталей. В этом случае необходимы высокопроизводительные технологические процессы и сварочные материалы, обеспечивающие значительную вязкость металла сварных швов и их высокое качество при выполнении в вертикальном положении. К таким материалам относится порошковая самозащитная проволока.
При сооружении магистральных трубопроводов начинают использовать высокохромистые стали, обладающие повышенной прочностью. При механизированной сварке трубопроводов из этих сталей применяют щелевую разделку кромок и сплошную марганцовистую проволоку или порошковую проволоку, содержащую никель.
В химическом машиностроении изменяются конструкции резервуаров для хранения нефтепродуктов и газов. Более широкое применение находят изотермические резервуары большой вместимости для хранения сжиженных газов. Эти резервуары имеют двойную стенку, которая изнутри выполнена из легированной стали, а снаружи - из углеродистой. Между крышей резервуара, изготавливаемой из углеродистой стали, и сжиженным газом расположено подвесное перекрытие из алюминия. Такая конструкция резервуаров позволяет поддерживать постоянную температуру сжиженного газа.
Машины за время эксплуатации изнашиваются, поэтому периодически подвергаются ремонту, особенно те, которые работают в тяжелых условиях в сельском хозяйстве, на транспорте, в строительстве, горной промышленности, энергетике. В ремонте ведущее место занимает сварка как наиболее эффективный технологический процесс для многих ремонтных работ. Сварка часто выполняется в полевых условиях при любой погоде, при низких температурах. Нередко общая стоимость ремонтов за время службы машины превышает стоимость новой машины.
Современное механизированное и автоматизированное производство требует новых методов обработки материалов. Например, применяются различные способы обработки воздействием электрической дуги, электронного, светового и лазерного лучей. Поскольку ускорилась работа машин, возникла необходимость автоматического управления процессом обработки, так как физиологические особенности человека не позволяют ему достаточно быстро реагировать на ход процесса.
Основой техники и научно-технического прогресса служит наука. Внедрение результатов научных исследований, новых идей и новых знаний ускоряют прогресс техники, которая, в свою очередь, на основе достижений науки создает материальные блага, увеличивает силы человека.
Для производства необходима взаимозаменяемость деталей, которые должны легко становиться на место без всякой пригонки. Все детали должны изготавливаться с высокой точностью, и их размеры не должны выходить за пределы установленных допусков.
Особенно важна стандартизация. Она сокращает большое количество типов и размеров одноименных деталей, материалов, изделий к ограниченному их числу, включенному в стандарт, точно определяющий их размеры, качество, состав.
В сварочном производстве разработаны десятки стандартов на способы сварки, сварочные материалы и оборудование, методы контроля и др. Унифицирована сварочная терминология, что обеспечивает использование всеми специалистами одинаковых терминов и их толкование (см. гл. 5).
Стандарты должны обязательно строго соблюдаться всеми предприятиями, выпускающими любую продукцию.
Краткая история развития сварки.
Возникновение сварки относится к началу периода освоения человеком металлов и создания первых способов изготовления изделий из них. Известно очень мало о древних способах сварки, но можно предполагать, что одной из первых сварочных работ было соединение мелких кусочков самородных металлов, меди, золота в более крупные заготовки, необходимые для изготовления изделий. Соединение могло проводиться, например, проковкой на холоде или с небольшим подогревом.
Возраст древнейших сварных образцов 6-7 тысяч лет. Нам более известный способ, который сохранился с тех времен и находится не в одном экземпляре в музеях мира, - способ сварки литьем (литейная сварка), разработанная в эпоху бронзы, когда уже хорошо было освоено литье изделий из металла. Подлежащие сварке детали заформовывались огнеупорной глиной, в отдельном тигле плавился присадочный металл и им заливалось место сварки. Таким способом изготовлены скифские бронзовые котлы, которые были найдены на территории Украины.
Первоначально заливка велась металлом одного состава. Позднее стали применять более легкоплавкий присадочный металл (олово и разные сплавы). Это привело к созданию особого технологического процесса - пайки, при котором температура плавления присадочного металла ниже, чем основного. Используя пайку, изготавливали различные изделия, а также украшения. Например, сережки египетской царицы Нефертити были изготовлены с помощью пяти тысяч паяных соединений.
Железо при обычной температуре находится в модификации a-Fe, мало пригодной для сварки давлением. Его необходимо нагревать до перехода в модификацию y-Fe. Превращение происходит при температуре свыше 910 °С для чистого железа, нагрев железа под сварку давлением производится до температуры 1100-1200 °С. Осадка нагретого железа производится прессом или проковкой молотом - кузнечная сварка.
Этот способ сварки, существующий около трех тысяч лет, сохраняется и в настоящее время с различными техническими усовершенствованиями - ручной молот заменен механическими молотами и мощными прессами.
Для изготовления стальных труб небольших диаметров (10-50 мм) нагретая стальная полоса протаскивается через оправку со свертыванием в трубку и одновременной заваркой продольного шва давлением.
В современном промышленном производстве за счет применения точных измерительных приборов и автоматических устройств на трубопрокатных заводах достигнута производительность 70 км готовой трубы за 1 ч работы. Этот пример показывает, как много можно извлечь даже из старых способов при глубоком изучении процесса, автоматизации основных операций и использовании современных контролирующих устройств управления производством.
Создание современных способов сварки.
Трудно по-настоящему постигнуть и оценить сегодняшние достижения науки и техники, не зная того, что было сделано нашими предшественниками.
Впервые мысль о возможности практического применения электрических искр для плавления металлов высказал в 1753 г. академик Российской академии наук Г.В. Рихман, выполнивший ряд исследований атмосферного электричества.
В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской военно-хирургической академии В.В. Петров открыл явление электрической дуги, первым в мировой литературе описал электрическую дугу и ее свойства, в частности плавление металла, а также указал возможные области практического применения. Результаты своих исследований Петров опубликовал в 1803 г. и они стали известны научному миру Европы начала XIX в.
Дуга Петрова дала старт грандиозной эстафете поисков, изобретений и открытий. Электрическая дуга послужила основой создания мощных источников тока, прожекторной техники, развития электросварки, электрометаллургии и электроэнергетики.
Электрический разряд назвал «дугой» английский ученый- химик Г. Дэви, независимо от В.В. Петрова открывший ее спустя 10 лет. В 1812 г. в Лондоне вышла его книга «Элементы философии, химии», в которой он описал свои опыты с дугой. Во время экспериментов, проводимых Г. Дэви, электроды были расположены параллельно земле, ее магнитное поле притягивало электрический разряд и он принимал форму огненного мостика-дуги.
В 1849 г. американец К. Стэт получил патент на соединение металлов с помощью электричества. Однако этот патент не реализовался на практике.
Дугу успешно применили лишь через 80 лет после открытия. Дуговая сварка как промышленный способ соединения металлов была изобретена в России.
В 1882 г. Н.Н. Бенардос предложил способ прочного соединения и разъединения металлов с помощью электрического тока. Он практически осуществил способы сварки и резки металлов электрической дугой угольным электродом.
Н.Н. Бернардосу также принадлежит много других важных изобретений в области сварки (способ контактной и шовной сварки, спиралешовные трубы, порошковая проволока и др.). 6 июля 1885 г. Бенардос подал заявку в Департамент торговли и мануфактур на выдачу ему привилегии на его изобретение «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока», названное им «Электро- гефест». Кроме того, им были разработаны основные виды сварных соединений (стыковые, нахлесточные, угловые и тавровые, с разделкой кромок и без них), которые применяются в настоящее время. Ученый получил патенты на изобретения в других странах (России, Франции, Англии, Германии, США, Швеции и др.).
В Петербурге было организовано Общество «Электрогефест» по эксплуатации и внедрению изобретения Бенардоса и открыты показательная мастерская и небольшой завод для выполнения сварочных работ по способу Бенардоса.
Электрическая сварка получила дальнейшее развитие в работах Н.Г. Славянова. 17 марта 1888 г. он подал заявку на получение привилегии на изобретение «Электрическая отливка металлов». Способ Славянова отличался от способа Н.Н. Бенардоса тем, что металлический стержень являлся одновременно и электродом, и присадочным металлом. Это позволило разработать устройства для механизированной подачи электрода в дугу и тем самым механизировать процесс сварки.
С именем Славянова связаны развитие металлургических основ дуговой сварки, создание метода горячей сварки металлическим электродом. Ему также принадлежит заслуга создания автоматического регулятора длины и первого сварочного генератора. Славянов организовал специальный сварочный цех на подчиненном ему пушечном заводе в Перми, создал работающий сварочный автомат.
Н.Г. Славянов разработал технологические и металлургические основы дуговой сварки. Он применил флюс для защиты металла сварочной ванны от воздуха, предложил способы наплавки, горячей сварки чугуна, организовал электросварочный цех. Славянов получил патенты на свои изобретения во многих странах.
В 1892 г. в Петербурге была издана его книга «Электрическая отливка металлов» - первый в мире научный труд, где впервые описывалась дуговая сварка.
Россия в XIX в., имеющая отсталую промышленность и технику и зависевшая от заграничных фирм, оказалась мало приспособленной для широкого использования великого изобретения - дуговой сварки, созданной на русской земле. Электротехнической промышленности, способной изготавливать довольно сложное технологическое оборудование для дуговой сварки, в России не было.
К началу XX в. дуговая сварка нашла применение более чем на 100 заводах разных стран, из них на 10 - в России.
Электрическая контактная сварка изобретена в США Э. Томсоном в 1877 г. Этот экологически чистый способ сварки спустя многие десятилетия нашел широкое применение при сварке тонколистового металла в автомобилестроении. В современном автомобиле количество сварных точек, выполненных контактной сваркой, достигает ста тысяч. Контактная точечная сварка легко поддается автоматизации и роботизации.
Газовую сварку изобрели во Франции в 1901 г. Э. Фуше и Ш.Э. Пикар В настоящее время газовую сварку используют в основном для ремонтных работ, а также для сварки стыков труб малого диаметра трубопроводов холодной и горячей воды.
Каждый раз, когда сварщики берут в руки пачку электродов шведской фирмы ESAB, они встречают аббревиатуру ОК. Это инициалы основателя фирмы ESAB Оскара Келберга, который в сентябре 1904 г. изобрел металлические электроды с нанесенным на их поверхность покрытием. Покрытие предохраняет металл шва от вредного воздействия воздуха (окисления и азотирования) и стабилизирует горение дуги. Применение покрытых электродов значительно повысило качество сварных соединений.
В середине 1920-х гг. интенсивные исследования процессов сварки были начаты во Владивостоке (В.П. Вологдин, Н.Н. Ры- калин), в Москве (Г.А. Николаев), Ленинграде (К.К. Окерблом). Дуговая сварка из вспомогательного процесса постепенно превращается в ряде отраслей машиностроения в ведущий технологический процесс за счет использования покрытых электродов.
В этот период усилия ученых были направлены на изучение свойств дуги как основного источника нагрева и потребителя энергии при сварке (определение характеристик дуги, условий ее устойчивого горения, формы, внешних характеристик источников питания). Выпуск специальных сварочных источников питания отечественного производства начался в 1924 г. на заводе «Электрик».
В 1929-1935 гг. развитие сварки металлов происходило одновременно с расширением ее практического применения. В вагоно- и автомобилестроении, при изготовлении кранов, железнодорожных мостов и других сооружений клепаные конструкции уступили место сварным. В связи с расширением прокатного производства начался выпуск комбинированных конструкций из проката и деталей, изготовленных литьем или штамповкой. Литые нетехнологичные детали стали заменять сварными из проката.
Особую роль в развитии и становлении сварки сыграл академик Е.О. Патон, организовавший в 1929 г. лабораторию, а затем в 1934 г. Институт электросварки (ИЭС) в Киеве.
В 1924-1935 гг. в основном применяли ручную сварку электродами с тонкими ионизирующими (меловыми) покрытиями. В эти годы под руководством академика В.П. Вологдина были изготовлены первые отечественные котлы и корпуса нескольких судов. С 1935-1939 гг. начали применять толстопокрытые электроды, в которых стержни изготавливали из легированной стали, что обеспечило широкое использование сварки в промышленности и строительстве.
Новый этап в развитии механизированной дуговой сварки начался в конце 1930-х гг., когда на основе идей, высказанных еще Н.Г. Славяновым, учеными Института электросварки АН УССР под руководством академика Е.О. Патона был разработан новый способ сварки - автоматическая сварка под флюсом.
Сварка под флюсом за счет увеличения мощности сварочной дуги и надежной изоляции плавильного пространства от окружающего воздуха позволяет резко повысить производительность процесса, обеспечить стабильность качества сварного соединения, улучшить условия труда и получить значительную экономию материалов и электроэнергии.
Первые работы в области механизации и автоматизации сварки были посвящены вопросам автоматической сварки открытой дугой и разработке конструкций автоматических установок. Впервые такая установка была разработана на заводе «Электрик» в 1933 г.
Газ для защиты зоны сварки впервые использовал американский ученый А. Александер в 1928 г. В конце 1940-х гг. способ дуговой сварки в защитных газах получил промышленное применение.
В 1932 г. академиком К.К. Хреновым осуществлена сварка под водой.
Для дуговой сварки требуются в большом количестве плавящиеся стальные электроды. Производство их не очень сложно, но затруднения возникли в разработке покрытий электродов. Составы покрытий были секретом заграничных фирм, и потребовалось провести исследования по разработке составов электродных покрытий, которые обеспечивали высокое качество сварки, необходимое для ответственных сварных изделий, и изготавливались преимущественно из отечественных материалов.
В крупных промышленных центрах были созданы специальные сварочные техникумы, введены курсы сварки во многих технических вузах и, наконец, впервые в мире начали подготовку инженеров-сварщиков. Для этого разработали учебные планы и программы, организовали специальные лаборатории.
Особое внимание было обращено на выпуск научно-технической литературы по сварке, начиная от популярных книг для массового читателя до серьезных капитальных монографий и учебников для вузов, техникумов и профессионально- технических учебных заведений.
Появились и специальные журналы по сварке. С 1930 г. в Москве издается журнал «Автогенное дело», в дальнейшем он был переименован в «Сварочное производство». В Киеве издается научно-технический журнал «Автоматическая сварка». Эти журналы переиздаются на английском языке и рассылаются во все страны мира.
Специальный реферативный журнал по сварке публикует краткие аннотации по исследованиям и изобретениям в области сварки во всех странах мира.
К началу Великой Отечественной войны в 1941 г. сварка в СССР достигла значительного развития и по состоянию техники находилась на уровне передовых европейских стран, таких, как Германия и Англия.
Дуговую сварку неплавящимся (угольным) электродом в углекислом газе впервые осуществил Е.Г. Остапенко.
Затем в 1950-1952 гг. был разработан высокопроизводительный способ дуговой сварки в углекислом газе плавящимся электродом (К.В. Любавский и Н.М. Новожилов). Использование дешевых защитных газов, улучшение качества сварки и повышение производительности процесса обеспечили широкое применение этого способа главным образом при механизированной сварке различных конструкций. Механизированную сварку в защитных газах используют вместо ручной дуговой сварки покрытыми электродами и механизированной сварки под флюсом.
В Институте электросварки им. Е.О. Патона в начале 1950-х гг. был разработан способ электрошлаковой сварки для изготовления крупногабаритных деталей из литых и кованых заготовок, что снизило затраты при производстве оборудования тяжелого машиностроения.
Развитие сварочной техники неразрывно связано с изысканием новых источников теплоты для плавления металла. В 1960-е гг. были разработаны новые способы сварки: импульсно-дуговая, сварка электронным лучом, лазером (световым лучом), сжатой дугой (плазмой). В этот же период в США, Японии, Швеции начинает внедряться в производство роботизированная дуговая сварка.
Впервые в истории мировой техники в 1969 г. в России произведена сварка в космосе инженером В.Н. Кубасовым (на космическом корабле «Союз-6»).
Современные тенденции развития сварочного производства базируются на разработке новых технологий, способствующих повышению производительности процесса при высоком качестве изготовления сварных конструкций с одновременным снижением себестоимости за счет уменьшения расхода материала изделия, сварочных материалов и электроэнергии.
В последние годы расширяется использование тонких сварочных проволок сплошного сечения и порошковых, повышающих глубину проплавления металла, коэффициент расплавления электрода и обеспечивающих сварку во всех пространственных положениях без принудительного формирования шва.
Разработаны новые составы защитных газовых смесей, изменяющих технологические свойства дуги при одновременном снижении стоимости защитной среды. Проводятся работы по созданию флюсов с высокими санитарно-гигиеническими и технологическими свойствами, при которых возрастает глубина проплавления без повышения расплавления проволоки.
Широко внедряется сварочное оборудование с микропроцессорами, позволяющими задавать режимы сварки по определенной программе в зависимости от материала, типоразмера (например, диаметра и толщины трубы) изделия и других факторов. Разработаны технологии сварки с компьютерным управлением, позволяющие задавать режимы сварки отдельно по слоям и участкам шва, а также технологии с изменением сварочного тока в зависимости от расположения капли относительно сварочной ванны (метод сварки холодной дугой).
В ближайшие годы можно ожидать дальнейших успехов в развитии и промышленном применении лучевых сварочных процессов, разработке новых сварочных материалов, создании высокоэффективных источников питания сварочной дуги, автоматизированных и роботизированных производств.
В настоящее время в сварочном производстве известно 150 способов и методов сварки, которые успешно применяются во всех отраслях народного хозяйства.
Сварка занимает достойное место в ряду других технологических процессов. Это обусловлено универсальностью, возможностью значительной экономии металла, созданием уникальных конструкций, которые при других технологических процессах изготовить невозможно.
Основные и вспомогательные технологические процессы в сварочном производстве.
Сварочное производство - это комплекс различных технологических операций по изготовлению сварной конструкции в законченном виде. Комплекс включает следующие операции:
- заготовительные (резка, рубка, гибка, правка, очистка металла);
- сборочные (сборка и прихватка деталей перед сваркой);
- сварочные (выполняются ручной дуговой, механизированной и автоматической сваркой - в зависимости от условий работы и конструктивных особенностей изделия);
- отделочные (зачистка, механическая и термическая обработка);
- вспомогательные (наладка оборудования, аппаратуры, доставка сварочных материалов, транспортно-складские работы, очистка и перемотка сварочной проволоки и др.);
- контрольные (контроль состояния аппаратуры и оборудования, входной контроль материалов, заготовок и деталей, контроль сборки под сварку и сварки, контроль готового сварного изделия).
По степени механизации сварка может быть ручной, механизированной и автоматической. Важнейшим средством повышения производительности труда, улучшения качества продукции (снижение влияния человеческого фактора) и условий труда в сварочном производстве являются механизация и автоматизация операций.
Повышение производительности и качества сварки на основных операциях достигается за счет широкого внедрения оборудования с числовым программным управлением, «интеллектуальных» источников питания сварочной дуги, сварочных автоматов, использования поточных линий при изготовлении сварных конструкций в массовом производстве.
На вспомогательные операции приходится 65-70% трудоемкости изготовления сварных конструкций.
Для повышения производительности вспомогательных операций служит парк вспомогательного оборудования: специальные сборочно-сварочные приспособления, кондукторы, манипуляторы, кантователи.
Основные направления развития технологии современного сварочного производства:
- обеспечение снижения металлоемкости, материалоемкости, энергоемкости и издержек производства сварных конструкций на стадиях проектирования, изготовления и выполнения ремонтно-восстановительных работ;
- разработка новых и усовершенствование существующих способов и технологических процессов;
- разработка новых и усовершенствование существующих методов контроля, диагностики и оценки остаточного ресурса сварных конструкций с использованием современных информационных технологий;
- проведение технического перевооружения парка сварочного оборудования;
- повышение уровня механизации, автоматизации, роботизации заготовительных сборочных и сварочных операций с учетом технической и экономической обоснованности их применения;
- сокращение импорта сварочного оборудования;
- развитие существующих и создание новых специализированных предприятий по выпуску современных выпрямителей, полуавтоматов и автоматов для сварки плавящимся и не- плавящимся электродом, машин контактной стыковой, точеной, шовной и рельефной сварки;
- организация и развитие специализированного производства новых сварочных и наплавочных материалов;
- обеспечение потребности промышленности в квалифицированных кадрах;
- организация системы подготовки и повышения квалификации кадров в соответствии требованиями международных стандартов.
