История и развитие сварочного производства
(конспект лекций)
Глава 1. Из истории сварки
Глава 2. Развитие электрической сварки
Глава 3. Основные виды современной сварки
3.1 Электрическая дуговая сварка
3.2 Электрошлаковая сварка
3.3 Контактная и прессовая сварка
3.4 Газовая сварка и резка
3.5 Лучевые виды сварки
Развитие человечества на последнем этапе (с окончанием последнего ледникового периода) насчитывает почти 12000- летнюю историю.
Если углубится в историю, то можно заметить, что с древних времен успехи человеческого общества в целом и отдельных племен и народов в отдельности в большой степени зависели от возможностей существовавших в это время технологических процессов. Важное место из множества технологий занимают способы соединения. Человек стал разумным существом (Homo sapiens) лишь тогда, когда стал создавать орудия труда и оружие.
Пользоваться палками и камнями могут и обезьяны, но догадаться привязать камень к палке может только существо, обладающее сознанием. Поэтому первым технологическим процессом была разновидность соединения – связывание.
Первобытный человек имел достаточно камней и много времени для совершенствования методов изготовления каменных орудий. Американские индейцы, например, использовали вулканическое стекло (обсидиан), которое легко раскалывается на пластины и обрабатывается. У первобытных людей камень постепенно стал уступать место меди – сначала самородной, которой в природе было не мало, а потом и выплавленной из медной руды.
По сравнению с раскалыванием, обтесыванием, шлифовкой, сверлением, привязыванием камней, литье и ковка меди оказались более сложными технологическими процессами. Возросло количество и значимость факторов или параметров процесса, которые нужно было контролировать, чтобы добиться хороших результатов при изготовлении изделий высокого качества. Одним из таких параметров было - поддержание необходимой для технологии температуры на костре.
Еще более сложным стал технологический процесс получения искусственного сплава, например, бронзы (Cu + Sn), требующий контроля количественного соотношения (1:0,83) компонентов меди и олова. Но так как она обладает высокими потребительскими свойствами по сравнению с исходными материалами, то трудности получения ее не останавливала людей. И все же, лучшими материалами для изготовления изделий были железо и его сплавы.
Все больше материалов входило в сферу жизнедеятельности населения, совершенствовалась и технология их обработки. Но историкам еще долго не удавалось установить зависимость между созданием новых технологий и изменением быта людей.
Свой вклад в изучение этих закономерностей внес в начале 19 века датский исследователь К. Томсен.
Исторические факты
В представлении античного общества наиболее прославленными достопримечательностями являются, так называемые - «Семь чудес света»:
1. Древние египетские пирамиды.
2. Храм Артемиды в Эфесе около 550 до н.э. (в греч. Мифологии дочь Зевса – богиня охоты, покровительница рожениц. Изображалась с луком и стрелами. Ей соответствовала римская Диана).
3. Мавзолей в Галикарнасе середина 4 в. до н.э. (гробница правителя Кари Мавсола в г. Галикарнасе – монументальное погребальное сооружение. Отсюда и произошло название - Мавзолей).
4. Террасные (висячие) сады Семирамиды в Вавилоне 7 в. до н.э.
5. Статуя Зевса в Олимпии 430 лет до н.э.
6. Статуя Гелиоса в Родосе 292 – 280 лет до н.э. (Колосс Родосский)
7. Александрийский маяк - 280 лет до н.э.
Как показывают археологические исследования и исторические хроники – «Колосс Родосский» был снаружи покрыт тонкими медными листами, которые были соединены между собой с использованием холодной сварки. То есть технология сварки была применена и при создании шедевров античного периода.
Латунь (от нем. Latun) – сплав меди с цинком (до 50%), часто с добавками Al, Fe, Mn, Ni, Pb и др. элементов в сумме до 10%. Хорошо обрабатывается давлением, обладает хорошей пластичностью, достаточной прочностью, коррозионностойкая.
Мельхиор (исходит от имен изобр. Француз. Майо (Maillot) и Шарье (Charier)) – сплав меди с никелем (5 - 30%) иногда с добавлением железа (до 0,8%) и марганца до 1%. Обладает хорошей коррозионностойкостью, обрабатывается в горячем и холодном состоянии.
Нейзильбер (с нем. новое серебро) – сплав меди с никелем (5 - 35%) и цинка (13 –43%)
Сварка – процесс получения неразъемного соединения посредством установления межатомных (металлических) связей между соединяемыми частями при их нагреве и расплавлении или пластическом деформировании, или того и другого вместе.
Пайка – процесс образования соединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизацией.
Сын датского купца и судовладельца Кристиан Томсен (в нач. 19 века), занимаясь бухгалтерским делом, он, одновременно, начал изучение археологических сокровищ национального музея в Копенгагене, в котором хранится богатейший материал собранных со всего света различных, том числе, и уникальных находок. Он установил следующее соответствие - чем примитивнее обработка изделия, тем «старше» оно по возрасту, то есть более древнее по времени его изготовления.
Он предложил разделить историю материальной культуры на три периода:
1. каменный – энеолит до 4 век до н.э.;
2. бронзовый – 4 век до н.э. – 1 век до н.э.;
3. железный век с 1 века до н.э. до настоящего времени.
Только в 60 годах 19 века идея К. Томсена, которому к тому времени было уже за 70лет, получила международное признание. Классификация эта связана с тем, что в качестве критерия была принята технология обработки материалов.
В тоже время, если за основу принять технологию изготовления составного изделия, то по распространенным в то время способам соединения историю материальной культуры можно разделить на век связывания, век античной сварки, век клепки и современный период сварки. Однако эта классификация не совсем точна, т.к. кроме неразъемных соединений были и разъемные, такие как привязывание, а также шарнирные, клиновые, резьбовые и др. соединения.
Глава 1. Из истории сварки
Сварка возникла на первом этапе развития человеческой цивилизации. Еще в каменном веке камнем подходящей формы древний человек мог отковать изделия из самородков благородных металлов – золота, серебра, меди. Таким же технологическим приемом, когда необходимо было увеличить размеры изделия, соединяли эти пластины между собой, т.е. применяли один из видов сварки – холодную сварку,- сварка металлов в холодном состоянии путем приложения деформирующих усилий. Этот первый вышедший из древнего периода способ сварки получил развитие в настоящее время для соединения медных, алюминиевых проводов, оболочек кабелей связи, морозильных камер холодильников и т.д. В древние времена этот способ был использован при сварке благородных металлов, которые практически не окисляются. Ударяя по сложенным вместе кускам металла, удавалось добиться прочного соединения. В Дублинском Национальном музее хранится золотая коробка, изготовленная в эпоху поздней бронзы, стенки и днище ее скованы плотным швом. Как считают эксперты, изготовлена она с помощью холодной сварки.
За несколько тысячелетий до н.э. некоторые племена (например, на территории Бесарабии, Украины) добывали из руды медь, свинец. Но техникой литья они еще не овладели, поэтому они подогревали и сковывали отдельные куски, получая более крупные куски и изделия из них.
Появление бронзы – сплава меди и олова – заставило древних умельцев приняться за разработку новых методов соединения отдельных элементов вместе (сварку). Бронза обладает высокой твердостью, прочностью, сопротивлению истиранию. Однако достаточно низкая пластичность не позволяла применять кузнечную сварку для соединения отдельных заготовок. Вдобавок возросли и габариты изделия, и трудно равномерно разогреть их. В III-II тыс. лет до н.э. умельцы трипольских племен применяли скручивание, фальцовку, склепывание, паяние.
Привести пример о находках на землях бывшей Римской Империи бронзовые сосуды цилиндрической формы h=310 мм d=0,5-0,7 мм были сварены по образующей литейной сваркой!
В начале железного века начали получать кричное железо. Куски железной руды (оксиды и др. соединения железа) нагревали вместе с углем и получали комки, в которых перемешаны частицы железа, шлака и остатков угля. А затем эти комки (крицы) многократно нагревали и проковывали в горячем состоянии. Частицы шлака и угля выдавливались, а отдельные частицы железа соединялись между собой – связывались, образуя плотный металл. Многократный нагрев и ковка – сварка делали металл чище и плотнее. Для раскисления добавляли природные сланцы.
При сыродутном или кричном способе получения железа, который господствовал на протяжении тысячелетий крицы получили относительно небольших размеров и для получения изделий действительно больших размеров их (куски) необходимо было соединять между собой. Для увеличения длины изделий сварку вели внахлестку.
Клинки и мечи выковывали из нескольких полос среднеуглеродистой стали (0,3-0,4%).
Большое значение для развития техники обработки черных металлов имела сварка железа с разным содержанием углерода с целью улучшения качества лезвия режущих и рубящих орудий. Это требовало большого мастерства кузнецов, т.к. температура сварки железа с различным содержанием углерода неодинакова. При изготовлении мечей, дротиков, ножей выполняли сварку полос железа и стали с выходом последней на режущую часть лезвия. Это давало хорошее сочетание мягкого и вязкого железа или низкоуглеродистой стали с твердой, но хрупкой сталью, содержащей большое количество углерода.
Часто при изготовлении ножей, серпов, топоров кузнецы – сварщики наваривали небольшую стальную пластину на режущую часть лезвия.