Зварювання

ЗВА́РЮВАННЯ  — створення монолітного нероз’ємного з’єднання твердих матеріалів шляхом місцевого сплавлення, стиснення або спільного сплавлення та стиснення, що супроводжується утворенням міцних атомних або молекулярних зв’язків. Сучасне З. є розвиненою системою технологій з’єднування різноманітних матеріалів і виготовлення зварних конструкцій за допомогою відповідного зварювального устаткування та зварювальних матеріалів. Серед промислових технологій одержання нероз’ємних з’єднань за обсягом виробництва та номенклатурою виробів З. посідає 1-е місце. З. з’єднують майже всі метали та сплави, скло, пластмаси тощо. Розрізняють зварювання плавленням (газове зварювання, дугове зварювання, електрошлакове зварювання, електронно-променеве зварювання, лазерне зварювання) і зварювання тиском (контактне зварювання, дифузійне зварювання, холодне зварювання, зварювання тертям, зварювання вибухом, ультразвукове зварювання). Див. також автоматичне зварювання, аргоно-дугове зварювання, зварювання в захисних газах, зварювання в космосі, зварювання в медицині, зварювання під водою, зварювання пластмас, плазмове зварювання, променеве зварювання, термітне зварювання. Під час З. плавленням з’єднувані кромки розплавляють, створюючи між ними спільну масу рідкого матеріалу, яка в процесі затвердіння утворює суцільний зварний шов. При З. тиском з’єднувані частини виробів піддають пластичному деформуванню (стискають). Для полегшення процесу з’єднання при деяких способах кромки нагрівають до пластичного стану або оплавлення. 

За видом використовуваної енергії розрізняють З. хімічне (газове, термітне), дугове (аргоно-дугове, під флюсом), електрошлакове, механічне (наприклад, тертям), променеве (електронно-променеве, лазерне, геліозварювання), гібридне (наприклад, при одночасній дії дугового і лазерного або газового і дугового нагрівання); за видом використовуваного технологічного зварювального устаткування — ручне, механізоване, автоматичне та роботизоване; за способом захисту розплавленого металу й зварного шва від шкідливого впливу довкілля — із застосуванням флюсів, газів, вакууму, паст, твердих покриттів. До зварювального виробництва належать також суміжні процеси: наплавлення, паяння, напилення, склеювання тощо. Серед протилежних з’єднанню процесів, які базуються на застосуванні подібних до зварювальних джерел енергії, — термічне (газове, плазмово-дугове, електронно-променеве, лазерне), вибухове та інше різання. Допоміжні процеси зварювального виробництва: оцінювання якості зварного з’єднання, його розмірів, наявності внутрішніх дефектів за допомогою акустичних, радіаційних, магнітних та інших полів; заготівельні процеси; виправлення дефектів. Напрями дослідження проблем З. та споріднених технологій: фізичні особливості джерел енергії; зварюваність матеріалів; технології З. металів і неметалів; зварні конструкції; зварювальне устаткування; зварювальні матеріали; технології та матеріали для паяння, наплавлення та нанесення покриттів; експлуатаційний ресурс конструкцій, неруйнівний контроль якості з’єднань; санітарія; екологія; економіка зварювального виробництва.

Найпростіші види З. виникли кілька тисяч років тому з початком виробництва та оброблення металів. Ковальське, або горнове, та ливарне З., а також паяння використовували для виготовлення зброї, реманенту та прикрас із міді, бронзи, свинцю, дорогоцінних металів. Від 2-го тис. до н. е. за допомогою ковальського З. виготовляли залізо. Високої якості з’єднань досягли майстри скіфських, аланських та інших племен, що мешкали на території сучасної України, пізніше — племена слов’ян. У подальшому основним процесом нероз’ємного з’єднання деталей металевих конструкцій майже до кінця 19 ст. було клепання.

Принципи дугового З. закладено 1881 вітчизняним винахідником М. Бенардосом. Перший спосіб контактного З. винайдено 1867 американським вченим Е. Томсоном. Зусиллями винахідників низки країн уже наприкінці 19 ст. розпочато їх удосконалення, здійснено перші способи газового З. і різання, термітного З. В Україні на початку 20 ст. З. запровадили у залізничних депо, трамвайних парках, на суднобудівних, машинобудівних і металоконструкційних заводах. З. використано під час будівництва 1927–32 Дніпрогесу в Запоріжжі. 1925 у Дніпропетровському гірничому інституті розпочато науково-дослідні роботи зі З. і підготовку інженерів-зварників. 1929 у Києві при Кафедрі інженерних споруд ВУАН Є. Патон створив електрозварювальну лабораторію, на базі якої та Електрозварювального комітету ВУАН (засновано 1930) у 1934 виник Інститут електрозварювання ВУАН. Є. Патон визначив основні наукові напрями З., які й донині не втратили своєї актуальності. Головне значення досліджень 1930-х рр. полягає у ствердженні принципової можливості створення високоякісних зварних конструкцій, які за міцністю не поступаються клепаним, а за багатьма показниками навіть перевершують їх. Щодо економії металу, трудомісткості виготовлення, експлуатаційних та інших показників у цей період на конкретних прикладах доведено фахівцями низки країн ефективність застосування саме зварних конструкцій. Українськими вченими у довоєнний період створено раціональні зварні конструкції залізничних вагонів, котлів, суден, елементів зварних мостів тощо. 1937–41 сформовано уявлення про дугове З. як металургійний процес, знайдено окремі підходи до розв’язання проблем боротьби з тріщинами та порами у наплавленому металі. 

1939–40 Є. Патон разом із групою співробітників розробив наукові основи вітчизняного способу автоматичного З. під флюсом, створив спеціальне зварювальне устаткування для нього. Під час Великої Вітчизняної війни Інститут електрозварювання АН УРСР евакуйовано на Урал у м. Нижній Тагіл, де він розгорнув роботу безпосередньо в цехах «Уралвагонзаводу». Туди вивезено й устаткування танкового заводу з Харкова. У воєнні роки під керівництвом Є. Патона вперше у світі розроблено та освоєно автоматичне З. броньових сталей, що значно прискорило виробництво танків та іншої військової техніки; вивчено процеси, що відбуваються в потужній зварювальній дузі; створено перші напівавтомати для З. під флюсом. У перші повоєнні роки розгорнуто широке впровадження автоматичного і механізованого З. у судно-, резервуаро-, котло-, мостобудуванні; технологію дугового наплавлення металів у захисних газах і під флюсом — для ремонту й виготовлення нових деталей. Значне місце посідали дослідження, спрямовані на створення технології З. легованих сталей, алюмінію, титану та їх сплавів; розроблення нових зварювальних матеріалів і устаткування, джерел живлення й систем автоматичного керування. 

У 1950-х рр. в Україні вперше в світі створено метод з’єднання металу великої товщини за один прохід — електрошлакове З.; розроблено контактне З. неповоротних стиків труб великого діаметра та залізничних рейок; із застосуванням автоматичного З. під флюсом технології виготовлення резервуарів, які транспортують у згорнутому вигляді, а розгортають безпосередньо на місці експлуатації. Прикладом успішного застосування З. під флюсом у промислових масштабах стало спорудження 1953 суцільнозварного моста ім. Є. Патона через Дніпро у Києві. З метою створення високоякісного з’єднання матеріалів у деяких закладах України виконано фундаментальні дослідження фізико-хімічних процесів і техніки дугового З. Загальне визнання у світі отримали нові технології З. та матеріалів для атомної енергетики, хімічної промисловості, кріогенної техніки. 

Серед численних досліджень українських вчених значне місце відведено вивченню металургійних властивостей З. плавленням надчистих і легованих сталей. У Інституті електрозварювання вперше у світі розроблено устаткування та технологію дугового автоматичного З. під флюсом вертикальних швів; спільно з працівниками Центрального НДІ важкого машинобудування (Москва), Московського технічного університету створено технологію дугового З. у вуглекислому газі; дводугове З. в одну ванну, гами спеціальних електродів і порошкових дротів для дугового З. 1960–90 вченими України отримано унікальні результати у галузі фізики дугового розряду та низькотемпературної плазми, потужних гострофокусних пучків електронів і систем їх управління, плавлення та кристалізації металів; теплофізики та фізико-хімії рафінованих електропереплавів; випаровування та конденсації матеріалів у вакуумі, а також фізики твердого тіла. Вони стали теоретичною основою для вирішення широкого кола прикладних науково-технічних проблем. Їх реалізовано при удосконаленні З. плавленням і тиском; нанесенні захисних та функціональних покриттів; при розробленні номенклатури високоякісних зварювальних і наплавлювальних матеріалів, економічних припоїв; оригінальних джерел живлення та комп’ютерних систем керування; при створенні космічних технологій плавлення та нанесення покриттів; механізованого дугового та контактного З. під водою, променевих і плазмових технологій різання та інших. Створено устаткування і технології електронно-променевого, лазерного, дифузійного, тертям, вибухом та деякі інші види З. 

Серед досягнень наступного етапу розвитку З. та родинних і суміжних технологій — розроблення методів підвищення надійності та довговічності зварних конструкцій, що працюють при високих і низьких температурах; створення парофазної електронно-променевої технології одержання матеріалів з особливими властивостями; виробництво металу електрошлаковим, плазмовим та електронно-променевим переплавленням, лиття деталей тощо. Досягнення З. сприяли бурхливому розвитку промисловості, транспорту, будівництва. Розроблення Інституту електрозварювання НАНУ, низки науково-дослідних установ, заводських лабораторій і лабораторій ВНЗів використано при створенні нових зразків авіаційної та космічної техніки, танків, військових суден, наземного швидкісного транспорту з високоміцних сплавів; виготовленні устаткування хімічної та енергетичної галузей із сплавів титану, молібдену, ніобію та інших; елементів електронної техніки; будівництві магістральних трубопроводів, морських споруд, мостів нового покоління з розрахунковим ресурсом 100 років тощо. Піонерськими також були дослідження, що довели на основі автоматичного аналізу принципову можливість оперативного одержання при обмеженій кількості інформації висновку про якість зварного з’єднання, виконаного контактним З. У напрямі оптимізації перетворення енергії при З. українські науковці виконали низку досліджень статичних і динамічних характеристик, що сприяло створенню джерел живлення нових типів. Протягом понад 60-ти років у науково-дослідних установах і ВНЗах України вивчають фізико-металургійні процеси З. кольорових металів і сплавів, розробляють но

Завантажити статтю