Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Их добыча и обработка возникли очень давно. Сначала человек использовал самородные металлы – золото, серебро, медь. Затем он научился сплавлять их друг с другом. Получение бронзы – прочного и твердого сплава меди с оловом, а позднее и с некоторыми другими элементами – открыло новую эпоху в развитии материальной культуры, называемую бронзовым веком. Позже была освоена выплавка железа, и наступил железный век.
Но если обработка металлов резанием была известна еще в глубокой древности, то обратный процесс сложнее давался человечеству. Только кузнецы высокой квалификации умели соединять два куска железа в единое целое, и лишь у считаных мастеров это получалось качественно.
Одним из революционных прорывов в технологии работы с металлом стало изобретение в XX веке электросварки. Впрочем, о возможности использования «электрических искр» для плавления металлов еще в 1753 г. говорил академик Российской академии наук Г. В. Рихман, занимавшийся исследованием атмосферного электричества. В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской военно-хирургической академии В. В. Петров открыл явление электрической дуги и продемонстрировал возможность ее практического применения. Однако ученым и инженерам потребовались многие годы совместных усилий, направленных на создание источников энергии, необходимых для реализации процесса электрической сварки металлов. Важную роль в этих разработках сыграли открытия и изобретения в области магнетизма и электричества.
В 1882 г. российский инженер Н. Н. Бенардос, работая над созданием аккумуляторных батарей, открыл способ электродуговой сварки металлов неплавящимся угольным электродом. Им был разработан способ дуговой сварки в защитном газе и дуговая резка металлов.
В 1888 г. российский инженер Н. Г. Славянов предложил проводить сварку плавящимся металлическим электродом. С его именем связано развитие металлургических основ электрической дуговой сварки, разработка флюсов, предназначенных для воздействия на состав металла шва, создание первого электрического генератора. Затем, в 1907 г., шведский инженер О. Кьельберг разработал электроды из металлического стержня с нанесенным на него специальным покрытием, обеспечившие значительное повышение качества сварных соединений.
Газовая сварка возникла после разработки в 1893–1895 гг. промышленного способа производства карбида кальция. Из последнего легко получается горючий газ – ацетилен, который имеет преимущественное применение при газовой сварке. Первые газовые горелки для сварки появились в 1900–1902 гг., а промышленное применение ацетиленокислородная сварка получила в 1906 г., когда появились достаточно надежные конструкции ацетиленовых генераторов и инжекторные сварочные горелки.
С первых лет ХХ века сварка начала победное шествие по заводам и мастерским всего мира. Новые технологии сделали волшебство сварного металла всеобщим достоянием. А нынче даже начинающий домашний мастер в состоянии создавать из металла сложные конструкции.
Многие люди знакомы со сваркой лишь заочно, большинство из них видели, как сваривают металлы, но сами ни разу не пробовали. Некоторые варили один-два раза и давно об этом забыли, а кое-кто зарабатывает сваркой на жизнь. Однако время от времени у каждого возникает необходимость использовать сварку в бытовых целях. Да и тем, кто недавно перестал пугаться расплавленного металла, хочется усовершенствовать свои навыки. Этим вопросам и посвящена данная книга.
Основы теории сварочных процессов
Согласно ГОСТ 2601–84, сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. Для получения сварных, т. е. полученных с помощью сварки, соединений не требуется применения каких-либо специальных соединительных элементов (заклепок, накладок и т. п.). Сварные соединения применяют для соединения деталей из разных материалов, в том числе неметаллов – пластмасс, керамики, стекла или их сочетаний. Но чаще всего с помощью сварки соединяют металлические детали. Образование неразъемного соединения в них обеспечивается за счет проявления действия внутренних сил системы. Для сварных соединений характерно возникновение металлической связи, обусловленной взаимодействием ионов и обобществленных электронов.
Для соединения двух металлов в единое целое недостаточно простого соприкосновения поверхностей соединяемых деталей. Необходимо настолько сократить расстояние между их атомами, чтобы преодолеть существующий между ними энергетический барьер и чтобы силы взаимного притяжения начали активизироваться. Для этого соединяемые атомы должны получить энергию извне. Благодаря ей атомы получат соответствующее смещение, позволяющее им занять в общей атомной решетке устойчивое положение, т. е. достигнуть равновесия между силами притяжения и отталкивания. Энергию извне называют энергией активации. Ее при сварке вводят путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация). Соприкосновение свариваемых частей и применение энергии активации являются необходимыми условиями для образования неразъемных сварных соединений.
При классификации процессов сварки выделяют три основных физических признака: форму вводимой энергии, наличие давления и вид инструмента – носителя энергии. Остальные признаки условно отнесены к техническим и технологическим. Такая классификация использована в ГОСТ 19521–74. По виду вводимой в изделие энергии все основные сварочные процессы, включая сварку, пайку и резку, разделены на термические (Т), термомеханические, или термопрессовые (ТМ), и механические (М). Т-процессы осуществляются без давления (сварка плавлением), остальные – обычно только с давлением (сварка давлением). Форма энергии, применяемой в источнике энергии для сварки (электрическая, химическая и др.), как классификационный признак в стандарте не использована, так как она характеризует главным образом не процесс, а оборудование для сварки.
Все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются за счет введения только двух видов энергии – термической и механической или при их сочетании. Соответственно различают два вида сварки: сварку плавлением и сварку давлением.
