Сварка, сварочное оборудование, электроды, сварочный аппарат, инвертор

Сварочные процессы, использующие тепло химических реакций

В конце XIX в. широкому распространению способов сварки, имеющих в качестве источника нагрева электрическую энергию, препятствовали объективные причины. Электрическая энергия была дефицитной и достаточно дорогой. Известные способы сварки не были универсальными, а оборудование было достаточно громоздким и недостаточно мобильным. Удовлетворительное качество металла обеспечивалось ценой высокой трудоемкости и необходимостью привлечения кадров высокой квалификации. Но без сварки уже нельзя было представить промышленное производство большинства стран. Поэтому не случайным является разработка в конце XIX в. способов соединения и разъединения металлов, основанных на использовании теплоты химических реакций.

Газопламенные процессы

В 1840 г. немецкий химик Д. Рихман разработал аппарат для получения водорода, выделяющегося при взаимодействии азотной кислоты с цинком. Водородно-воздушным пламенем из специальной горелки удавалось паять легкоплавкие металлы. В лабораторных условиях многие использовали кислородно-водородное пламя, которое имело температуру 2600 0С и могло расплавить платину, золото и серебро. Примерно в 1880 г. кислород и водород стали получать путем электролиза воды.
Еще более дешевый способ получения кислорода разработал немецкий физик и инженер К. Линде. В 1895 г. он сконструировал и построил первую в мире промышленную установку для получения жидкого воздуха, а в 1902 г. создал ректификационный аппарат для разделения воздуха на компоненты. Это открыло дорогу широкому применению кислорода в технике. В конце XIX в. немецкий инженер Э. Висс изобрел водородную горелку, кроме того, появились промышленные способы сжатия газов. Все это создавало условия для разработки новых способов обработки металлов.
Этому же способствовало изучение свойств другого газа – ацетилена, теплота сгорания которого более чем в 5 раз выше теплоты сгорания водорода, а температура пламени в смеси с кислородом достигает 3200 0С. Впервые свойства ацетилена описал в 1836 г. английский химик Э. Деви, назвавший его бикарбонатом водорода, а в 1860 г. французский ученый П.Э.М. Бертло дал точную формулу и современное название этому газу. Он же определил взрывчатые свойства ацетилена. В связи с этим для использования ацетилена необходимо было найти не только дешевый промышленный способ его получения, но и способы хранения, транспортировки и сжигания.
Одновременно с поиском газов велась работа по созданию надежной аппаратуры. В 1838 г. появились шланги для подключения горелок. Одной из первых горелок для водородно-кислородного пламени является конструкция американского изобретателя Р. Хейра. Разработанное в 1847 г. устройство имело диафрагму в водородном канале, через которую газ выдавливался в наконечник горелки и выходил наружу, что предохраняло от обратного удара (потока горящего газа внутрь системы). В 1850 г. во Франции С.К. Девиль создал горелку для водородно-кислородного пламени, в которой водород и кислород смешивались в специальной камере до выхода наружу.
Появление смесительной камеры открыло возможность регулировать состав газового пламени, изменяя соотношение горючего газа и окислителя. Нормальным считается пламя, когда подаваемое в горелку количество воздуха или кислорода обеспечивает полное сгорание горючего газа. Оно считается восстановительным, когда воздуха или кислорода подается меньше, чем требуется для полного сгорания горючего газа. Наконец, когда воздух или кислород подается в избытке по отношению к горючему газу, пламя считается окислительным, так как имеющийся при высокой температуре кислород может окислить нагреваемый металл. Такое пламя может не только соединять, но и разъединять, резать металл. В 1887 г. впервые было произведено прожигание отверстий в металле газовым пламенем.
В 1895 г. А.Ле Шателье отметил, что ацетилено-кислородное пламя имеет не только высокую температуру, но и не окисляет расплавленное железо. В целом электрические способы и газовая сварка были готовы заменить клепку в производстве машин, аппаратов, промышленных конструкций из чугуна, стали и меди. Они оказались вне конкуренции при ремонте этих изделий и устранении брака при отливке деталей и механической обработке. К началу ХХ в. в России, Германии, Англии, Швеции превалировала дуговая сварка, в США – контактная, а во Франции явное предпочтение было отдано автогенной обработке.

Термитная сварка

Применение сварки в конце XIX в. было достаточно широким, но появилась серьезная проблема соединения элементов с большими площадями сечения: рельсы, массивные балки и т.д. Недостатки известных способов сварки оказались серьезным препятствием для решения данной задачи. Применение способа Славянова ограничивали стационарный аппарат и тяжелый генератор; более мобильными способом Бенардоса и ацетилено-кислородной сваркой за один проход можно было выполнять швы высотой до 3–5 мм, а при многослойной сварке накапливались дефекты. Контактная сварка была слабомощной.
Как это часто бывает, сложная техническая задача была решена на принципиально новой основе – с помощью алюмотермии. Процесс получения металлов и сплавов восстановлением оксидов металлов алюминием был открыт крупным российским физико-химиком Николаем Николаевичем Бекетовым еще в середине XIX в. Одним из результатов его исследований была докторская диссертация «Исследования над явлениями вытеснения одних металлов другими», где доказывалось, что шихта из смеси порошков алюминия и оксида железа, засыпанная в тигель и подожженная, горит при температуре несколько тысяч градусов и превращается в железо и шлак. Вместо алюминия можно было использовать магний, а из оксидов восстанавливать и другие металлы (хром, титан, бор). Это явление и было использовано для создания нового способа сварки, получившего название термитного.
Нагрев осуществляется энергией, которая выделяется при горении термитной смеси – смеси порошков алюминия (или магния) и оксидов металлов (главным образом железа). В создание термитной сварки внес большой вклад представитель немецкой школы химиков Г. Гольдшмидт, осуществивший в 1898 г. соединение двух железных брусков.
Он заформовал место стыка, заполнил его термитной смесью и поджег ее. Образовавшееся перегретое жидкое железо подплавило кромки брусков, а после кристаллизации превратилось в шов, соединив их. Шлак всплыл и легко отделился от места соединения. Основная трудность, которая сопровождала применение алюмотермии, была плохая управляемость процесса. Смесь могла мгновенно вспыхнуть, а иногда не загоралась вовсе. Г. Гольдшмидт преодолел эту трудность, применив для холодной шихты запал из пероксида бария.
Такие преимущества термитной сварки, как портативность оборудования и приспособлений, возможность соединять крупные заготовки на месте и использовать изделие практически сразу после сварки, были быстро оценены железнодорожниками. Этим способом сварки стали соединять рельсы, поломанные тяги, штоки и др.
Термитная сварка оказалась наиболее выгодной для соединения деталей с площадью сечения более 5 см2. На сварку стыка уходило около 10 минут. Ее начали применять в судостроении (валы, гребные винты, якоря), машиностроении (рамы, фундаменты, ступицы) и других отраслях техники. Этот вид сварки оказался настолько удачным, что в течение нескольких десятилетий оставался почти без изменений и, несмотря на определенные недостатки, удерживал за собой первоначально «захваченную» область применения.
Источник: М.П. Шалимов, В.И. Панов "Сварка Вчера, Сегодня, Завтра". Екатеринбург, 2006

• Образование межатомных связей при сварке
• Влияние легирующих элементов на структуру металла
• Кристаллизация металла в сварочной ванне
• Шлаковая ванна
• Образование соединений при контактной сварке
• Режим контактной сварки и свариваемость металлов
• Области применения контактной и других видов сварки термомеханического и механического классов
• Классификация и типы машин контактной сварки
• Классификация сварных соединений и швов
• Справочное руководство по ручной сварке стержневыми электродами
• Справочное руководство по сварке МИГ/МАГ
• Справочное руководство по сварке ВИГ
• Общие сведения об источниках питания
• Сварочные выпрямители
• Принцип действия выпрямителя с инвертором
• Общие сведения о сварочных трансформаторах
• Параллельная работа источников питания сварочной дуги
• Применение роботов в сварочной технологии
• Дополнительная обработка сваренных узлов
• Сварные соединения арматуры железобетона
• Изготовление арматурных сварных конструкций
• Сварка балок. Изготовление конструкций балочного типа
• Сварочные и сборочно-сварочные технологические приспособления
• Механическое и вспомогательное оборудование сварочных установок
• Установки для сварки и наплавки
• Системы вентиляции и пылезащита
• Назначение сварочных материалов
• Общие сведения о составе сварочных материалов и содержании водорода в металле швов
• Математическое моделирование абсорбции газов металлом в процессе сварки
• Редукторы
• Обращение с горелками
• Классификация покрытых электродов
• Характеристики электродов
• Основной металл, свариваемость, напряжения и деформации при сварке. Выбор основного металла
• Свариваемость металлов и сплавов
• Основные методы определения свариваемости
• Напряжения и деформации при сварке
• Системы управления сварочными источниками
• Физико-химические свойства горючих газов
• Защитные газы
• Технико-экономическая оценка способов тепловой резки
• Технологический процесс производства сварных конструкций
• ИСТОРИЯ СВАРКИ
• Создание электродуговой сварки
• Разработка процесса контактной электросварки
• Сварочные процессы, использующие тепло химических реакций
• Дуговая сварка покрытыми электродами
• Разработка и развитие сварки под флюсом
• Разработка процесса сварки в защитных газах
• Плазменная сварка и резка
• Электрошлаковая сварка
• Электронно-лучевые технологии
• Лазерная сварка и резка
• Высокочастотная сварка
• Ультразвуковая сварка
• Перспективы развития сварки в XXI веке
• Сварка под водой
• Сварка в космосе
• Первые сварные конструкции
• ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ СВАРКЕ
• Техника безопасности при сварке
• Основы техники безопасности при газовой сварке и резке
• Организация безопасного производства электросварочных работ
• Организация безопасного производства газосварочных (газорезательных) работ
• Средства индивидуальной защиты при производстве сварочных работ
• Меры безопасности при эксплуатации источников питания для сварки
• Сварка. Общие правила для всех видов конструкций. Металлические конструкции. СНиП III-18-75
• Техника безопасности в электродном производстве Правила электротехнической безопасности
• Правила электротехнической безопасности
• ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ
• Сварка меди и медных сплавов
• Сплавы на основе магния
• Бериллий и его сплавы
• Сварка химически активных тугоплавких металлов (циркония, ниобия, тантала, молибдена и др.)
• Сварка разнородных цветных металлов
• Сварка чугуна
• Технология сварки титана
• Сварка конструкционных низкоуглеродистых и низколегированных сталей
• Сварка аустенитных сталей
• Сварка алюминия и алюминиевых сплавов
• Сварка конструкционных средне- и высокоуглеродистых и легированных сталей
• Сварка никеля и его сплавов
• Технология сварки металлических композиционных и пористых материалов
• Ручная дуговая сварка оцинкованного металла
• Сварка при низких температурах
• Механизированная и автоматическая сварка плавящимся электродом трубопроводов
• Сварка и резка биологических тканей
• ТЕХНОЛОГИИ НАПЛАВКИ
• Наплавка
• Основные способы дуговой наплавки цветных металлов и сплавов для получения биметаллических изделий