Зварювання

Визначення і загальна характеристика

ЗВА́РЮВАННЯ — створе­н­ня монолітного нерозʼємного зʼ­єд­на­н­ня твердих матеріалів шляхом місцевого сплавле­н­ня, стисне­н­ня або спільного сплавле­н­ня та стисне­н­ня, що су­проводжується утворе­н­ням міцних атомних або молекулярних звʼязків. Сучасне З. є роз­виненою системою технологій зʼ­єд­нува­н­ня різноманітних матеріалів і виготовле­н­ня зварних кон­струкцій за допомогою від­повід­ного зварювального устаткува­н­ня та зварювальних матеріалів. Серед промислових технологій одержа­н­ня нерозʼємних зʼ­єд­нань за обсягом виробництва та номенклатурою виробів З. посідає 1-е місце. З. зʼ­єд­нують 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 зʼ­єд­нувані кромки роз­плавляють, створюючи між ними спільну масу рідкого матеріалу, яка в процесі затверді­н­ня утворює суцільний зварний шов. При З. тиском зʼ­єд­нувані частини виробів під­дають пластичному деформуван­ню (стискають). Для полегше­н­ня процесу зʼ­єд­на­н­ня 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 зʼ­єд­нан­ню 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 зʼ­єд­на­н­ня, 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 зʼ­єд­нань; 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 зʼ­єд­нань досягли майстри скіфських, аланських та інших племен, що мешкали на території сучасної України, пізніше — племена словʼян. У подальшому основним процесом нерозʼємного зʼ­єд­на­н­ня 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 роз­вʼяза­н­ня 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 зʼ­єд­на­н­ня 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 зʼ­єд­на­н­ня 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 компʼютерних 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 зʼ­єд­на­н­ня, 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