Сварка настолько важна в обществе, что было бы практически невозможно прожить свой день без использования чего-либо, полученного с помощью сварки. Автомобиль, на котором вы ездите, здания, в которых вы работаете и делаете покупки, и даже электронные устройства содержат сварные детали. Давайте посмотрим, как развивалась эта технология на протяжении всей истории.
С самого зарождения цивилизации человек стремился соединять металлы для изготовления инструментов, конструкций, оборудования и оружия. От простых методов кузнечной сварки, использовавшихся ранними кузнецами, до современных достижений в области лазерной сварки и робототехники, история сварки является свидетельством изобретательности человечества. Изучая стремление человечества формировать материю в соответствии со своим существованием, мы можем оценить влияние, которое это ремесло оказало на формирование мира вокруг нас.
Ранняя история сварки
ДОИСТОРИЧЕСКИЕ И ДРЕВНИЕ ВРЕМЕНА
Самыми ранними известными примерами сварки являются небольшие золотые коробочки, изготовленные с помощью сварки внахлестку и относящиеся к бронзовому веку. Археологи также нашли украшения, столовую утварь и оружие бронзового века, возрастом более 2000 лет.
Железные инструменты и оружие появились примерно в 1000 году до нашей эры. Египтяне и жители Восточного Средиземноморья нагревали железную руду, выдавливали дефекты, а затем ковали железо для придания желаемой формы. Примерно в этот период этот специализированный мастер стал широко известен как кузнец. Однако точный год или эпоху, когда появился термин «кузнец», трудно точно определить, поскольку он, вероятно, развивался постепенно с течением времени. Этот термин оставался широко используемым во многих обществах до конца 19 века.
СРЕДНЕВЕКОВЬЕ И СВАРКА
В Средние века кузнецы начали совершенствовать искусство использования древесного угля в печи для нагрева железа, устранения дефектов, соединения деталей внахлестку и сколачивания деталей до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое соединение.
Вскоре кузнецы стали незаменимы в деревнях и городах, производя такие предметы повседневного использования, как гвозди, дверные петли и замки, подковы и другие полезные инструменты. Одним из крупнейших сварных швов, созданных в раннем средневековье, был Железный столб Дели в Индии, построенный в 310 году нашей эры. Его высота составляет около 25 футов, а диаметр основания — 16 дюймов. Дополнительные столбы были установлены в других местах Индии. Несколько крупных сварных изделий, изготовленных римлянами, также были найдены по всей Европе.
Железный столб Дели, показанный на фотографии ниже, является непреходящим памятником ранней технологии сварки.
ЭПОХА РЕНЕССАНСА И РАЗВИТИЯ СВАРКИ
Эпоха Возрождения была известна своим быстрым прогрессом во многих областях жизни, включая искусство, литературу, науку, математику и сварку. В 1540 году Ванноччо Бирингуччо опубликовал книгу под названием « De la Pirotechnia », которая считается одной из первых когда-либо опубликованных книг по металлургии. До этого большая часть знаний о металлообработке передавалась в устной традиции. С публикацией «De la Pirotechnia» и второй книги « De re Metallica », написанной на латыни Георгиусом Агриколой и опубликованной в 1556 году, искусство и наука металлургии и обработки металлов стали в большей степени формальной наукой и серьезной дисциплиной.
Сварка в эпоху промышленной революции, 1760–1840 гг.
СОЗДАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНИКИ СВАРКИ
Кузнечная сварка была основной технологией сварки вплоть до XIX века. Промышленная революция привела к открытию электрических дуг и электродов, навсегда изменив сварочное дело. В 1801 году сэр Хамфри Дэви обнаружил, что дугу можно создать в электрической цепи высокого напряжения, если поднести две клеммы близко друг к другу. Дэви обнаружил, что эта дуга производит яркий свет, вызывающий сильный нагрев, который можно инициировать, поддерживать и контролировать в зависимости от напряжения и типа используемых клемм.
Открытие электрической дуги практически не принесло практической пользы лишь много лет спустя. В начале 1860-х годов Генри Уайльд использовал электрическую дугу для плавления небольших кусков железа. В 1865 году Уайльд получил на свой процесс патент — первый патент, связанный с электродуговой сваркой .
ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПРОИЗВОДСТВЕННУЮ И СТРОИТЕЛЬНУЮ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Промышленная революция привела к прорывам в сварке, которые облегчили строительство железных дорог, мостов, кораблей и зданий. Возможность безопасного и надежного соединения металлов позволила быстро расширить транспортные сети и стальные конструкции, что привело к развитию городов и экономическому росту, которые характеризовали промышленную революцию.
События XIX века
ПОЯВЛЕНИЕ ДУГОВОЙ СВАРКИ
Появление электродуговой сварки в конце 19 века стало важной вехой в сварке и металлообработке. Дуговая сварка получила официальное признание, когда Николай Бенардос использовал электрическую дугу с угольным электродом на Международной выставке электричества в Париже, Франция, в 1881 году. Бенардос запатентовал этот процесс вместе со Станиславом Ольшевским в 1887 году.
На изображении выше изображен ранний патент на процесс дуговой сварки.
Также в 1881 году французский изобретатель-электрик запатентовал метод угольно-дуговой сварки, который он использовал для сварки свинца при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов.
ОТКРЫТИЕ АЦЕТИЛЕНА
То, что мы сегодня называем обычной сваркой, можно отнести к открытию газа ацетилена Эдмундом Дэви, двоюродным братом вышеупомянутого сэра Хамфри Дэви. Сварка кислородно-топливной сваркой повысила эффективность и мобильность сварочных операций, что было невозможно при использовании методов кузнечной сварки. В 1903 году два изобретателя — Эдмон Фуше и Шарль Пикард — обнаружили, что при соединении ацетилена с кислородом выделяется достаточно тепла, чтобы сваривать металлы. Это побудило их разработать процесс газовой сварки и резки. С момента своего создания и до конца 1920-х годов кислородно-топливная сварка стала наиболее распространенным методом сварки металлов. Эти методы, называемые кислородно-ацетиленовой резкой (OAC), кислородно-ацетиленовой сваркой (OAW) и пайкой, до сих пор широко используются профессиональными сварщиками и любителями в различных металлообрабатывающих предприятиях, таких как магазины, фермы и т. д.
На изображении ниже показано выполнение кислородно-ацетиленовой сварки.
Достижения 20-го века
В 1907 году коммерческая дуговая сварка пришла в Америку благодаря двум немецким сварщикам, которые работали над процессом металлической дуги в Европе. Они основали компанию Siemund-Wienzell Electric Welding Company и запатентовали метод дуговой сварки. Вскоре после этого другая немецкая компания — Enderlein Electric Welding Company — также начала сварочные работы в США. Неизбежно последовал конфликт из-за патентных споров. Выступая против соглашения о досрочном урегулировании, компания Siemund-Wienzell подала в суд, когда Эндерляйн начал использовать тот же процесс дуговой сварки.
В иске Эндерляйн предъявил копию «Справочника механика», опубликованного в Англии в 1888 году, который содержал гравюру на дереве, на которой безошибочно изображен цех, использующий процесс дуговой сварки. Его публикация предшествовала появлению каких-либо патентов и, следовательно, поставила под сомнение действительность любых существующих патентов. Это открыло путь к дуговой сварке в США. К 1917 году в США прочно утвердились четыре производителя оборудования для дуговой сварки, один из которых — Lincoln Electric Company — остается одним из крупнейших производителей сварочных инструментов и оборудования.
ПОЯВЛЕНИЕ ДУГОВОЙ СВАРКИ ЗАЩИЩЕННЫХ МЕТАЛЛОВ
На заре дуговой сварки вскоре стало очевидно, что электрод является самым большим ограничивающим фактором. Самые ранние электроды представляли собой голую проволоку шведского или норвежского происхождения и обычно давали слабые и хрупкие сварные швы. Перегрев металла и отсутствие защиты от атмосферных загрязнений приводили к получению сварных швов с множественными дефектами и плохой консистенцией.
Оскар Чельберг из Швеции стал первым, кто получил патент на создание покрытого электрода, который он производил с использованием легкого покрытия из органических или минеральных материалов. Однако первые покрытия лишь стабилизировали дугу и обеспечивали минимальную защиту расплавленной сварочной ванны. Лишь в 1912 году Артур Перси Строменгер получил патент на электрод с толстым покрытием. Однако эти первые электроды с покрытием медленно получали признание из-за высокой стоимости производства.
РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ СВАРКИ ПОД ПОДПОЛЬНОЙ ДУГОЙ
В 1932 году были предприняты первые попытки механизированной сварки с подачей проволоки. На шов перед угольным электродом наносился тяжелый гранулированный флюс. Тепло, выделяемое в процессе сварки, расплавило флюс и превратило его в шлак, который защитил расплавленный сварной шов от загрязняющего воздействия кислорода и азота из воздуха. Эта разработка оказалась настолько успешной, что водоводы TVA и водоводы Управления водоснабжения Лос-Анджелеса были сварены таким способом, который стал известен как процесс сварки под флюсом (SAW).
ИЗОБРЕТЕНИЕ ГАЗОВОЛЬФРАМОВОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ
В ответ на потребность авиационной промышленности в сварке магнием был разработан первый процесс сварки в защитном газе с использованием вольфрамового электрода и гелия в качестве защитного газа. Этот процесс стал называться процессом гелиаровой сварки — этот термин до сих пор широко, хотя и несколько ошибочно, используется. Когда было обнаружено, что аргон является полезным защитным газом, Американское общество сварщиков заявило, что, поскольку гелий больше не является единственным защитным газом, «Гелиадуга» больше не является точным описанием. В результате был принят термин «газовая вольфрамовая дуговая сварка» (GTAW) или «сварка вольфрамовым инертным газом» (TIG).
Первоначально вольфрамовый электрод перегревался, частицы электрода переносились в сварочную ванну и приводили к дефекту, который мы сегодня называем вольфрамовыми включениями. Затем исследователи обнаружили, что эту проблему можно решить, сделав электрод отрицательным. В результате появился высокоэффективный метод сварки нержавеющей стали, но он оказался плохо подходящим для сварки магния и алюминия. Решением было использование высокочастотного переменного тока высокого напряжения, наложенного на существующий ток, для стабилизации дуги. Этот метод стал основным процессом в сварочной промышленности для сварки алюминия и магния.
На изображении выше показан ранний набросок основных принципов процесса сварки TIG или GTAW.
Нажмите здесь , чтобы получить дополнительную информацию об истории и развитии сварки TIG.
РОЖДЕНИЕ ГАЗОВОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛА
Методы сварки GTAW или TIG оказались непригодными для сварки более толстых участков материалов с высокой проводимостью из-за склонности более толстых материалов действовать как теплоотводы. Отвод тепла происходит, когда тепло отводится от мест сварки. Чтобы противостоять этому эффекту, неплавящийся вольфрамовый электрод был заменен плавящимся проволочным электродом. Этот процесс, разработанный в 1948 году, стал известен как метод сварки металла в инертном газе (MIG) или, более формально, процесс газовой дуговой сварки (GMAW).
Сварка во время мировых войн
ПЕРВАЯ МИРОВАЯ ВОЙНА: РАСШИРЕНИЕ И УЛУЧШЕНИЕ
Начало Первой мировой войны привело к значительному увеличению использования сварки, например, для спроса на транспортные суда. До войны корабли строились с использованием (более медленного) процесса клепки. Спрос военного времени привел к острой необходимости в более быстром и эффективном способе производства. Комитет, которому было поручено решить проблему, пришел к выводу, что ответом была контактная сварка — процесс, изобретенный профессором Элиху Томсоном. Для сбора информации комитет посетил Англию и обнаружил, что корабли строятся не контактной, а дуговой сваркой.
Из-за нехватки газа британцы прибегли к использованию процессов дуговой сварки, используя как голые, так и покрытые металлические электроды при изготовлении бомб, мин и торпед, и даже начали строить корабль с полностью сварным корпусом.
Комитет вернулся в Америку как сторонник дуговой сварки. Однако среди сторонников газовой и контактной сварки возникла дискуссия, оспаривающая их позицию. В ходе жарких дискуссий произошел драматический инцидент, который обнародовал преимущества дуговой сварки. Немецкие корабли, интернированные в гавани Нью-Йорка, были затоплены своими экипажами в начале войны, чтобы помешать союзникам использовать их в военных действиях. Повреждения были настолько обширными, что вскоре стало очевидно, что необходим высокоэффективный процесс ремонта, чтобы немедленно вернуть корабли в строй. ВМФ совместно со специалистами-сварщиками железнодорожной отрасли рекомендовали провести ремонт методом дуговой сварки. Корабли быстро вернулись в строй, доказав потенциал дуговой сварки.
ВТОРАЯ МИРОВАЯ ВОЙНА: ПРОИЗВОДСТВО И ИННОВАЦИИ
Области применения и достижения в области дуговой сварки быстро росли. К началу Второй мировой войны дуговая сварка стала доминирующим процессом сварки. В течение следующих нескольких лет сварка стала приобретать все большее значение в судостроении.
В 1930 году в Чарльстоне, Южная Каролина, было построено первое цельносварное торговое судно. В этот период нержавеющая сталь получила распространение в металлообработке; однако процесс сварки представлял собой заметные проблемы. В первую очередь это произошло из-за содержания водорода в обычно используемых покрытиях электродов, что приводило к проблемам с пористостью сварных швов. Для решения этой проблемы были разработаны покрытия с низким содержанием водорода. Низководородные электроды также улучшили качество сварных соединений броневых листов.
Современные методы сварки
ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА
Лазерная сварка (LBW) использует тепло, выделяемое при фокусировке лазерного луча на соединении. Это возможно как с защитным газом, так и без него, с давлением или без него.
Использование лазерной сварки имеет ряд преимуществ. Например, он позволяет пользователю сваривать на высоких скоростях с минимальной деформацией и относительно небольшой зоной термического влияния. Лазерная сварка широко распространена в автомобилестроении, электронике и медицине благодаря ее способности создавать высококачественные сварные швы с минимальными искажениями.
СВАРКА ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
Сварка трением с перемешиванием представляет собой процесс сварки в твердом состоянии. (Сварка в твердом состоянии — это когда соединение между металлами достигается путем приложения давления ниже температуры плавления присадочного и основного металлов.) Обычно она включает в себя быстрое вращение одной детали против другой для выработки тепла. Достижение высокой температуры приводит к возникновению давления, которое сжимает детали вместе, образуя сварное соединение.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА
Электронно-лучевая сварка обеспечивает слияние концентрированного пучка электронов с высокой скоростью, который затем выделяет тепло в заготовке. Выделяемого тепла достаточно, чтобы расплавить основной металл и присадочный металл в соединении.
Электронно-лучевая сварка аналогична сварке TIG. Он был разработан в начале 1950-х годов для удовлетворения потребностей атомной энергетики в сварке тугоплавких и химически активных материалов. Он обеспечивает пользователю высокую скорость сварки и минимальную деформацию, что делает его идеальным для высокопрочных сварных швов, требующих высокой степени точности. В аэрокосмической, автомобильной и медицинской промышленности широко используется электронно-лучевая сварка.
Влияние сварки на общество и промышленность
СТРОИТЕЛЬНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Сварочная промышленность оказала глубокое влияние на эту отрасль, позволив людям соединять металлы всех видов практичным, безопасным и экономичным способом. Многие из мостов, зданий и видов транспорта, которыми мы пользуемся сегодня, были бы невозможны без инноваций и достижений в области сварочных технологий.
Сварка — это профессия, в которой занято около 3 миллионов человек в энергетике, строительстве и производстве по всему миру, и на нее приходится примерно 2% мирового ВВП. Ожидается, что в ближайшие годы потребность в квалифицированных сварщиках будет неуклонно расти.
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНДУСТРИЯ
Сварка позволила автомобильной промышленности создавать легковые и грузовые автомобили из различных материалов, делать более прочные и легкие рамы, а также делать автомобили более экономичными. Достижения в области лазерной сварки, контактной сварки и автоматизированной роботизированной сварки обеспечивают скорость и эффективность, что приводит к созданию транспортных средств, которые являются одновременно безопасными и доступными для потребителей.
ЭНЕРГЕТИКА
В энергетике сварка используется во многих сферах — от магистральных трубопроводов и резервуарных хранилищ до нефтеперерабатывающих заводов и других видов транспортировки нефти и газа. Достижения в области металлургии и сварки позволяют строить различные трубопроводы и объекты, которые безопасно и эффективно транспортируют нефть и газ, доставляя жизненно важный ресурс людям во всем мире. Это, в свою очередь, позволяет людям водить машину, отапливать дома, готовить и делать множество других вещей, которые были бы невозможны без сварочных технологий.
Что касается возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, сварка используется при строительстве солнечных панелей, башен ветряных турбин и связанных с ними опорных конструкций.
АВИАЦИОННАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Аэрокосмическая промышленность имеет уникальные потребности, в том числе соединение легких материалов, способных выдерживать экстремальные условия. Такие методы, как лазерная, электронно-лучевая сварка и сварка трением с перемешиванием, соединяют такие материалы, как алюминий, титан и композиты, с огромной прочностью и точностью. Целостность сварных швов играет жизненно важную роль в конструкции самолета, а это означает, что сварка является важнейшим компонентом аэрокосмической и авиационной безопасности.
Будущее сварки
В сварочной отрасли, вероятно, произойдет больше инноваций и преобразований, обусловленных развитием технологий в ответ на меняющиеся потребности отрасли.
РОБОТИКА И АВТОМАТИЗАЦИЯ В СВАРКЕ
Автоматизация и робототехника все чаще интегрируются в сварочную отрасль для повышения эффективности и точности производства. Системы робототехники можно интегрировать с другими технологиями автоматизации (такими как зрение и искусственный интеллект) для дальнейшего расширения возможностей автоматизированных сварочных систем.
СВАРКА В ЭПОХУ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 4.0
В последние годы виртуальную реальность стали использовать для обучения сварщиков и повышения их квалификации.
Поскольку сварочная отрасль продолжает развиваться, она, вероятно, увидит дальнейшие достижения в области автоматизации, цифровизации и устойчивого развития, чтобы удовлетворить потребности быстро меняющегося мира. Сварщики, которые адаптируются и стремятся изучать новые методы, будут иметь жизненно важное значение для дальнейшего успеха сварочной отрасли.
