Сварка: введение в специальность

 ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ серия основана в 1 996 г.



                      Уральский федеральный университет

                                               имени первого Президента России Б. Н. Ельцина



2 са ш

. ШАЛИМОВ
. ПАНОВ
. ВОТИНОВА


СВАРКА


ВВЕДЕНИЕ
В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ




УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ



                            Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов направлений 15.03.01 «Машиностроение», 12.03.05 «Лазерная техника и лазерные технологии» и специальности 15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов»

хпагпит.сот

Москва
ИНФРА-М

2023

УДК 621.791(075.8)
ББК 30.61я73
     Ш18




        Рецензенты:
        Шумяков В.И. — кандидат технических наук, доцент, заместитель директора ООО «Уральский институт сварки»;
        Мазуровский В.Л. — кандидат технических наук, главный специалист по сварке ОАО «Уралэнергоремонт»




      Шалимов М.П.
Ш18 Сварка: введение в специальность : учебное пособие / М.П. Шалимов, В.И. Панов, Е.Б. Вотинова. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 309 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — ^ОI 10.12737/1021002.

         I8В^ 978-5-16-015258-5 (рг1п1)
         I8В^ 978-5-16-107737-5 (оЫте)

         В учебном пособии приведены сведения о зарождении и об основных этапах развития одного из первых, а сегодня одного из самых распространенных технологических процессов — сварки материалов. Рассмотрены краткие сведения об основных видах сварки, источниках энергии, применяемых для получения неразъемных соединений, о физической сущности сварочных процессов. Приведены примеры оборудования, необходимого для осуществления различных технологических операций. Рассмотрены современные проблемы сварочной науки и техники.
         Предназначено для студентов направлений 15.03.01 «Машиностроение», 12.03.05 «Лазерная техника и лазерные технологии» и специальности 15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов», может быть полезно учащимся лицеев, колледжей, профессионально-технических училищ и техникумов, а также широкому кругу читателей для знакомства с основами сварочных технологий.

УДК 621.791(075.8)
ББК 30.61я73






                                          Данная книга доступна в цветном исполнении в электронно-библиотечной системе 2папшт




I8В^ 978-5-16-015258-5 (рг1п!)
I8В^ 978-5-16-107737-5 (оЫте)

                                          © Шалимов М.П., Панов В.И., Вотинова Е.Б., 2020
                                          © Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2015, 2020

            Оглавление



ПРЕДИСЛОВИЕ..................................................6

1. ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ СВАРКИ................................8
  1.1. С древнейших времен до XIX века.......................8
  1.2. Возникновение пайки...................................21
  1.3. Мифология кузнечно-сварочного производства............22
  1.4. Сварка в XIX веке.....................................25
    1.4.1. Создание электродуговой сварки....................25
    1.4.2. Разработка методов контактной сварки..............47
    1.4.3. Сварочные процессы, использующие тепло химических реакций..................................................50
  1.5. Сварка в XX веке......................................56
    1.5.1. Дуговые виды сварки металлов......................56
    1.5.2. Электрошлаковая сварка............................86
    1.5.3. Электронно-лучевые технологии.....................90
    1.5.4. Светолучевая и лазерная сварка и резка............93
    1.5.5. Модернизация термитной сварки.....................96
    1.5.6. Развитие контактной сварки........................98
    1.5.7. Высокочастотная сварка............................102
    1.5.8. Газопламенная обработка...........................104
    1.5.9. Виды сварки давлением.............................106
    1.5.10. Сварка в экстремальных условиях окружающей среды.131

2. КЛАССИФИКАЦИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ СХЕМЫ РЕАЛИЗАЦИИ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ..........................................146
  2.1. Признаки классификации процессов сварки...............146
  2.2. Физические основы сварки металлов.....................151


3

СВАРКА: ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

  2.3. Сварочные источники нагрева........................153
    2.3.1. Электрическая сварочная дуга...................154
    2.3.2. Газосварочное пламя............................157
    2.3.3. Электронный луч................................159
    2.3.4. Лазерное излучение.............................159
    2.3.5. Электрошлаковый источник нагрева...............160
    2.3.6. Нагрев при контактной сварке...................161
    2.3.7. Сравнительная оценка эффективности источников нагрева..................................................162
  2.4. Основные схемы реализации сварочных процессов.........164
    2.4.1. Электрическая дуговая сварка...................164
    2.4.2. Электрошлаковые технологии.....................181
    2.4.3. Электронно-лучевая сварка......................184
    2.4.4. Лазерная сварка................................188
    2.4.5. Гибридные способы сварки.......................191
    2.4.6. Контактная сварка..............................193
    2.4.7. Пайка..........................................199
    2.4.8. Нанесение покрытий.............................200
    2.4.9. Резка металлов и неметаллических материалов....205
  2.5. Основы производства сварных конструкций............211
    2.5.1. Проектирование сварных конструкций.............212
    2.5.2. Получение заготовок сварных конструкций и подготовка их под сварку.........................................214
    2.5.3. Сборочные работы...............................218
    2.5.4. Механическое оборудование сварочного производства.221
    2.5.5. Основное сварочное оборудование................224
    2.5.6. Послесварочная обработка конструкций...........235
  2.6. Контроль качества сварных соединений...............239
    2.6.1. Разрушающие методы контроля....................241
    2.6.2. Неразрушающие методы контроля..................243
  2.7. Применение вычислительной техники и компьютерных технологий в сварочном производстве.....................248

3. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СВАРКИ В XXI ВЕКЕ...................251
  3.1. Инновации в сварочном оборудовании.................252
  3.2. Разработка сварочных материалов....................256
  3.3. Совершенствование сварочных технологий.............257
  3.4. Направления развития исследований сварочных процессов.265

4

  3.5. Нанотехнологии и наноматериалы в сварке и родственных процессах..........................266

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................271
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...........................273

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Иллюстративный материал по теме......275

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Развитие в России сварки и методов контроля качества сварных соединений. Хронология событий....281


5

            ПРЕДИСЛОВИЕ




    Немногим более 150 лет назад сварка как технологический процесс была известна только специалистам. А сегодня вряд ли найдется человек, который не знает этого термина и не видел результатов применения этого процесса.
    Сварка... Что же скрывается за этим термином?
    Если говорить строго техническим языком, то сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.
    В промышленности, строительстве и на транспорте в широких масштабах применяются различные способы сварки и других смежных процессов: наплавки, напыления, пайки, склеивания. Современные достижения в области сварки позволяют соединять не только металлы, но и пластмассы, стекло, керамику и другие материалы. Использование соответствующих сварочного оборудования и технологических процессов помогают человеку восстанавливать зрение, устранять ряд заболеваний, выполнять операции на биологических тканях.
    Если на мгновение представить, что все сварные соединения исчезли, то человечество очутилось бы перед грудой развалин. Рухнули бы здания и сооружения, остановился бы транспорт, разрушились бы трубопроводы и прекратилась подача воды, газа, нефти. Произошла бы мировая катастрофа. Но пока ничего не грозит человеческой цивилизации. Надежно сварены изделия и сооружения, облегчающие жизнь человеку. Сварные конструкции несут свою службу при сверхвысоких и сверхнизких температурах, при больших давлениях и в условиях глубокого вакуума, в агрессивных средах. Именно поэтому в 1981 г. решением ЮНЕСКО сварка признана крупнейшим изобретением XIX века.
    Бурное развитие сварочных техники и технологий создало предпосылки для подготовки выпускников, специализирующихся в области сварки, нанесения покрытий, резки и пайки.

6

ПРЕДИСЛОВИЕ


    Круг проблем, охватываемых сегодня сваркой, требует обширных знаний в таких областях, как физическая химия, тепломассопередача, материаловедение, вычислительная техника и др. Поэтому студентам, которые выбрали обучение на кафедре «Технология сварочного производства», представляется редкая возможность найти точку приложения своих творческих сил по любому направлению научных интересов.
    Если имеется склонность к химии и металловедению, то можно углубить ее и применить к описанию процессов, протекающих в сварочной ванне и при кристаллизации металла.
    Студенты с математическим складом ума могут найти себя при изучении сложнейших тепловых, диффузионных и деформационных процессов, создании математических и компьютерных моделей.
    При тяге к физике имеется возможность заняться совершенствованием знаний в области неразрушающих методов контроля сварных соединений, а также установлением новых физических свойств сварочной дуги и присущих ей закономерностей.
    Кроме того, выпускник должен иметь высокий уровень профессиональной подготовки, позволяющей решать конкретные технические и технологические задачи.
    Сварка принадлежит к числу великих русских изобретений. Российские ученые и инженеры были и остаются на передовых рубежах сварочной науки и техники. Дело подрастающего поколения — сохранить и приумножить славу российских сварщиков.
    О том, что представляет собой современная сварка и какие вопросы решают инженеры-сварщики, — наш дальнейший рассказ.
    Предлагаемая книга призвана помочь будущему специалисту познакомиться с историей возникновения и развития сварки и родственных технологий, узнать начальные сведения о явлениях, которые сопровождают процесс получения неразъемного соединения, о применяемом оборудовании и материалах.
    Учебное пособие написано авторами на основании собственного опыта преподавания дисциплин «Введение в специальность» и «Введение в профиль», а также с использованием фактических материалов научных и производственных организаций, изданных в виде книг, статей в журналах, пособий и методических разработок, большая часть из которых приведена в разделе «Библиографический список».

7

            1. ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ СВАРКИ




    История техники еще не установила четких границ между периодами развития сварки. Нет точных данных и о том, когда было осуществлено первое соединение материалов при помощи сварки. Однако на основе имеющего фактического материала (рис. 1.1 и 1.2) попробуем кратко проследить историю зарождения и развития сварки.

1.1. С древнейших времен до XIX века
    История земной цивилизации полна тайн.
    5 июня 1852 г. в журнале «ЗыепИЦс Атепсап» сообщалось: «Несколько дней назад в холмистой местности... производились взрывные работы... Среди осколков, массой до нескольких тонн, был обнаружен металлический сосуд, разорванный взрывом пополам. Сложенные вместе половины составили колоколообразный сосуд 11,3 см высотой, 16,5 см в основании и 6,5 см у горла, со стенками толщиной примерно 0,3 см. Сосуд был изготовлен из металла, по цвету напоминающего цинк или некий сплав со значительной долей серебра. Стенки сосуда украшали шесть изображений цветов в виде букета, великолепно инкрустированные серебром, а его нижнюю часть опоясывала..., тоже инкрустированная столь мастерски, что предмет этот можно отнести к прекраснейшим произведениям искусства. Выброшенный сосуд... находился на глубине 4,5 м... ни о какой мистификации в этом случае не может быть и речи». Местная порода насчитывает возраст более 600 миллионов лет.
    Различные предметы, напоминающие медные кольца, крюки, гарпуны, изделия из других металлов, найденные в пластах каменного угля, имели явно техногенное происхождение. Изучение этих и других изделий свидетельствует о том, что древние индейцы умели обрабатывать металлы—плавить, ковать, резать, сваривать.
    Способность металлов свариваться открыта человеком еще в период первоначального освоения этих материалов, в каменном веке, значительно раньше, чем появилась металлургия.


8

1. ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ СВАРКИ

    Первоначально древние мастера использовали самородки таких металлов, как золото, серебро, медь, чтобы отковать из них скребки, лезвия, пластины. Естественно, что нередко размер исходной заготовки не удовлетворял мастеров. Необходимость увеличения размеров изделия привела к «открытию», видимо, первого способа сварки, поставленного на службу человека, — холодной сварки, когда пластичные металлы соединяются между собой без нагрева путем приложения деформирующих усилий. В те далекие времена этот способ особенно пригодился для работы с золотом — металлом, обладающим хорошей пластичностью и имеющим тонкую оксидную пленку.

Рис. 1.1. Хронологическое дерево «Создание основополагающих сварочных процессов и их развитие»

9

СВАРКА: ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

Рис. 1.2. Этапы создания и развития основополагающих газопламенных сварочных процессов

ю