блог

Сварка настолько важна для общества, что практически невозможно прожить день, не используя что-то, произведенное с помощью сварки. Автомобиль, на котором вы ездите, здания, в которых вы работаете и ходите по магазинам, и даже электронные устройства содержат сварные детали. Давайте посмотрим, как развивалась эта технология на протяжении истории.

С момента зарождения цивилизации человек стремился соединять металлы для изготовления инструментов, конструкций, оборудования и оружия. История сварки - это свидетельство изобретательности человечества: от простых кузнечных технологий, использовавшихся ранними кузнецами, до современных достижений в области лазерной сварки и робототехники. Исследуя стремление человечества придать материи форму, необходимую для его существования, мы можем оценить влияние этого ремесла на формирование окружающего нас мира.

Ранняя история сварки

ДОИСТОРИЧЕСКИЕ И ДРЕВНИЕ ВРЕМЕНА

Самые ранние известные примеры сварки - небольшие золотые шкатулки, изготовленные с помощью нахлесточных соединений под давлением, которые относятся к бронзовому веку. Археологи также обнаружили ювелирные изделия, пищевую утварь и оружие бронзового века, датируемые более чем 2000 годами.

Железные инструменты и оружие появились примерно в 1000 году до н. э. Египтяне и жители Восточного Средиземноморья нагревали железную руду, выбивали из нее дефекты, а затем молотом придавали железу нужную форму. Примерно в этот период этот специализированный мастер стал известен как кузнец. Однако точный год или эпоху, когда появился термин “кузнец”, определить сложно, поскольку он, скорее всего, постепенно эволюционировал с течением времени. Этот термин оставался общеупотребительным во многих обществах вплоть до конца XIX века.

СРЕДНИЕ ВЕКА И СВАРКА

В Средние века кузнецы начали совершенствовать искусство использования древесного угля в печи для нагрева железа, выбивали все изъяны, соединяли детали с помощью нахлеста и били по ним молотком, пока не добивались нужного соединения.

Кузнецы вскоре стали незаменимы в деревнях и городах, изготавливая такие широко используемые предметы, как гвозди, дверные петли и замки, подковы и другие полезные инструменты. Одним из самых больших сварных изделий, изготовленных в эпоху раннего средневековья, был Железный столб Дели в Индии, построенный в 310 году н. э. Его высота составляет около 25 футов, а основание - 16 дюймов в диаметре. Дополнительные столбы были возведены и в других местах Индии. Несколько больших сварных конструкций, изготовленных римлянами, были найдены и в Европе. 

Железный столб в Дели, изображенный на фото ниже, стоит как долговечный памятник ранней технологии сварки.

ЭПОХА ВОЗРОЖДЕНИЯ И ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ СВАРКИ

Эпоха Возрождения была известна своими стремительными достижениями во многих областях жизни, включая искусство, литературу, науку, математику и сварку. В 1540 году Ванноччо Бирингуччо опубликовал книгу под названием “Пиротехника,Считается, что это одна из первых книг по металлургии, когда-либо опубликованных. До этого времени большая часть знаний о металлообработке передавалась из уст в уста. После публикации ”De la Pirotechnia“ и второй книги, ”De re metallica,В 1556 году Георгий Агрикола написал на латыни книгу ”Искусство и наука металлургии и металлообработки", которая стала гораздо более официальной наукой и серьезной дисциплиной.

Сварка в промышленной революции, 1760-1840 гг.

СОЗДАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СВАРКИ

Кузнечная сварка была основной технологией сварки вплоть до XIX века. Промышленная революция привела к открытию электрической дуги и электродов, что навсегда изменило сварочное дело. В 1801 году сэр Хамфри Дэви обнаружил, что дуга может быть создана с помощью высоковольтной электрической цепи путем приближения двух клемм друг к другу. Дэви обнаружил, что эта дуга излучает яркий свет и выделяет интенсивное тепло, которое можно инициировать, поддерживать и контролировать в зависимости от напряжения и типа используемых клемм. 

Открытие электрической дуги практически не нашло практического применения до многих лет спустя. В начале 1860-х годов Генри Уайльд использовал электрическую дугу для расплавления небольших кусков железа. В 1865 году Уайлд получил патент на свой процесс - первый патент на электродуговую сварку. 

ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОБРАБАТЫВАЮЩУЮ И СТРОИТЕЛЬНУЮ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ 

Промышленная революция ознаменовалась прорывом в области сварки, который облегчил строительство железных дорог, мостов, кораблей и зданий. Возможность надежно и безопасно соединять металлы обеспечила быстрое расширение транспортных сетей и стальных конструкций, что привело к развитию городов и экономическому росту, характерному для промышленной революции. 

События 19 века

ПОЯВЛЕНИЕ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Появление электродуговой сварки в конце XIX века стало важной вехой в развитии сварки и металлообработки. 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 процесс вместе со Станиславом Ольшевским в 1887 году. 

На изображении выше - ранний патент на процесс дуговой сварки.

Также в 1881 году французский изобретатель-электрик запатентовал метод сварки угольной дугой, который он использовал для сварки свинца при производстве свинцово-кислотных батарей.

ОТКРЫТИЕ АЦЕТИЛЕНА

То, что мы сегодня называем традиционной сваркой, восходит к открытию ацетиленового газа Эдмундом Дэви, двоюродным братом вышеупомянутого сэра Хамфри Дэви. Сварка на кислородном топливе добавила к сварочным операциям уровень эффективности и мобильности, который был невозможен при использовании кузнечных методов сварки. В 1903 году два изобретателя - Эдмон Фуш и Шарль Пикар - обнаружили, что при соединении ацетилена с кислородом выделяется достаточно тепла, чтобы сварить металлы. Это привело их к разработке процесса газовой сварки и резки. С момента своего появления и до конца 1920-х годов сварка кислородным топливом стала наиболее распространенным методом сваривания металлов. Называемые кислородно-ацетиленовой резкой (OAC), кислородно-ацетиленовой сваркой (OAW) и пайкой, эти методы по-прежнему широко используются профессиональными сварщиками и любителями в различных сферах металлообработки, таких как магазины, фермы и многое другое.

На изображении ниже показана кислородно-ацетиленовая сварка.

Достижения XX века

В 1907 году дуговая сварка в промышленных масштабах появилась в Америке благодаря двум немецким сварщикам, которые работали над процессом дуговой сварки в Европе. Они создали 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 возник конфликт из-за патентных споров. После того как компания Siemund-Wienzell выступила против заключения мирового соглашения, она подала в суд, когда Enderlein начала использовать тот же самый метод дуговой сварки. 

В ходе судебного разбирательства Эндерлейн предъявил копию "Справочника механика", изданного в Англии в 1888 году, в котором содержалась гравюра, безошибочно показывающая мастерскую, использующую процесс дуговой сварки металлов. Эта публикация появилась раньше всех патентов и, следовательно, ставила под сомнение действительность всех существующих патентов. Это проложило путь для дуговой сварки в Соединенных Штатах. К 1917 году в США было создано четыре производителя оборудования для дуговой сварки, один из которых - Lincoln Electric Company - остается одним из крупнейших производителей сварочных инструментов и оборудования.

ПОЯВЛЕНИЕ ДУГОВОЙ СВАРКИ В ЗАЩИТНОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ

При ранней дуговой сварке вскоре стало очевидно, что электрод является самым главным ограничивающим фактором. Самые первые электроды представляли собой голую проволоку шведского или норвежского происхождения и, как правило, давали слабые и хрупкие сварные швы. Перегрев металла и отсутствие защиты от атмосферных загрязнений приводили к получению сварных швов с многочисленными дефектами и низкой однородностью. 

Оскар Кьеллберг из Швеции первым получил патент на создание покрытого электрода, который он изготавливал с помощью легкого покрытия из органических или минеральных материалов. Первые покрытия, однако, делали не более чем стабилизацию дуги и обеспечивали минимальную защиту расплавленной сварочной ванны. Только в 1912 году Артур Перси Строменгер получил патент на электрод с тяжелым покрытием. Однако эти первые покрытые электроды медленно завоевывали признание из-за высокой стоимости производства.

РАЗВИТИЕ ДУГОВОЙ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ

В 1932 году были предприняты первые попытки механизированной сварки проволокой. Тяжелый гранулированный флюс помещался на шов перед угольным электродом. Тепло, выделяемое в процессе сварки, расплавляло флюс в шлак, который защищал расплавленный шов от загрязняющего воздействия кислорода и азота, содержащихся в воздухе. Эта разработка оказалась настолько успешной, что таким образом были сварены пенстоки для TVA и водоводы для Los Angeles Water Authority, которые стали известны как процесс дуговой сварки под флюсом (SAW).

ИЗОБРЕТЕНИЕ ГАЗОВОЙ ВОЛЬФРАМОВОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ

В ответ на потребность авиационной промышленности в сварке магния был разработан первый процесс сварки в газовой среде с использованием вольфрамового электрода и гелия в качестве защитного газа. Этот процесс стал называться процессом гелиардной сварки, и этот термин до сих пор широко, хотя и несколько ошибочно, используется. Когда было обнаружено, что аргон является полезным защитным газом, Американское сварочное общество заявило, что, поскольку гелий больше не является единственным защитным газом, термин “гелиарка” больше не является точным описанием. В результате был принят термин "газовая дуговая сварка вольфрамовым электродом" (GTAW) или "сварка вольфрамовым электродом в инертном газе" (TIG).

Первоначально вольфрамовый электрод перегревался, перенося частицы электрода в сварочную ванну, что приводило к появлению дефекта, который сегодня мы называем вольфрамовыми включениями. Затем исследователи обнаружили, что эту проблему можно решить, сделав электрод отрицательным. Это привело к созданию высокоэффективного метода сварки нержавеющей стали, но оказалось малопригодным для сварки магния и алюминия. Решением стало использование высокочастотного, высоковольтного переменного тока, накладываемого на существующий ток для стабилизации дуги. Этот метод стал основным в сварочной промышленности для сварки алюминия и магния.

На изображении выше показан ранний набросок основных принципов процесса сварки TIG или GTAW.

Нажмите здесь для получения дополнительной информации об истории и развитии сварки TIG.

РОЖДЕНИЕ ГАЗОВОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Метод сварки GTAW или TIG оказался непригодным для сварки толстых участков высокопроводящих материалов из-за склонности толстых материалов к теплоотводу. Теплоотвод возникает, когда тепло отводится от зон сварки. Для борьбы с этим эффектом расходуемый проволочный электрод был заменен на нерасходуемый вольфрамовый электрод. Этот процесс, разработанный в 1948 году, стал известен как метод сварки металлов в инертном газе (MIG) или, более официально, как процесс газовой дуговой сварки металлов (GMAW).

Сварка во время мировых войн

ПЕРВАЯ МИРОВАЯ ВОЙНА: РАСШИРЕНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ

Начало Первой мировой войны привело к значительному росту использования сварки, например, для строительства транспортных кораблей. До войны корабли строились с использованием (более медленного) процесса клепки. Спрос военного времени привел к острой необходимости в более быстром и эффективном способе производства. Комиссия, которой было поручено решить эту проблему, пришла к выводу, что для этого подойдет контактная сварка - процесс, изобретенный профессором Элиху Томсоном. Чтобы собрать информацию, комитет посетил Англию и обнаружил, что корабли строятся не с помощью контактной, а дуговой сварки. 

Из-за нехватки газа британцы прибегли к использованию дуговой сварки, применяя 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 сторонники газовой и контактной сварки начали спорить, оспаривая их позицию. В разгар жарких дискуссий о преимуществах дуговой сварки стало известно благодаря драматическому инциденту. Немецкие корабли, интернированные в нью-йоркской гавани, в начале войны были затоплены их экипажами, чтобы союзники не смогли использовать их в военных действиях. Повреждения были настолько значительными, что вскоре стало очевидно, что для немедленного возвращения кораблей в строй необходим высокоэффективный процесс ремонта. Военно-морской флот в сотрудничестве с экспертами по сварке из железнодорожной отрасли рекомендовал проводить ремонт методом дуговой сварки. Корабли быстро вернулись в строй, доказав потенциал дуговой сварки.

ВТОРАЯ МИРОВАЯ ВОЙНА: ПРОИЗВОДСТВО И ИННОВАЦИИ

Применение и развитие дуговой сварки развивалось стремительно. К началу Второй мировой войны дуговая сварка стала доминирующим процессом сварки. В течение следующих нескольких лет сварка стала играть все большую роль в судостроении.

В 1930 году в Чарльстоне, Южная Каролина, было построено первое цельносварное торговое судно. В этот период нержавеющая сталь получила широкое распространение в металлообработке, однако процесс ее сварки был сопряжен со значительными трудностями. В первую очередь это было связано с содержанием водорода в обычно используемых электродных покрытиях, что приводило к образованию пористости в сварных швах. Для решения этой проблемы были разработаны покрытия с низким содержанием водорода. Электроды с низким содержанием водорода также улучшили качество сварных соединений в броневых листах. 

Современные методы сварки

ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА

При сварке лазерным лучом (LBW) используется тепло, выделяемое при фокусировке лазерного луча на соединение. Сварка возможна как с использованием защитного газа, так и без него, а также с применением давления и без него.

Использование лазерной сварки имеет ряд преимуществ. Например, она позволяет выполнять сварку на высоких скоростях с минимальными искажениями и относительно небольшой зоной термического воздействия. Лазерная сварка широко применяется в автомобильной промышленности, электронике и медицине благодаря возможности получения высококачественных швов с минимальными искажениями. 

СВАРКА ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

Сварка трением с перемешиванием - это процесс сварки в твердом состоянии. (Сварка в твердом состоянии - это когда соединение между металлами достигается путем приложения давления ниже температур плавления присадочного и основного металлов). Как правило, при этом происходит быстрое вращение одной детали относительно другой для выделения тепла. Достижение высокой температуры приводит к давлению, которое заставляет детали соединиться, образуя сварное соединение.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА

Электронно-лучевая сварка достигает коалесценции с помощью концентрированного пучка электронов с высокой скоростью, который затем выделяет тепло в заготовке. Выделяемого тепла достаточно для расплавления основного и присадочного металла в соединении.

Электронно-лучевая сварка похожа на сварку TIG. Она была разработана в начале 1950-х годов для решения проблемы сварки тугоплавких и химически активных материалов в атомной энергетике. Она обеспечивает высокую скорость сварки и минимальные искажения, что делает ее идеальной для высокопрочных швов, требующих высокой степени точности. Широко используется электронно-лучевая сварка в аэрокосмической, автомобильной и медицинской промышленности.

Влияние сварки на общество и промышленность

СТРОИТЕЛЬСТВО И СТРОИТЕЛЬНАЯ ИНДУСТРИЯ

Сварочная индустрия оказала огромное влияние на промышленность, позволив людям соединять металлы всевозможных конфигураций практичным, безопасным и экономичным способом. Многие из мостов, зданий и видов транспорта, которыми мы наслаждаемся сегодня, были бы невозможны без инноваций и достижений в области сварочных технологий.

Сварка - это профессия, которая В компании работает около 3 миллионов человек в энергетике, строительстве и производстве во всем мире и отвечает примерно за 2% мирового ВВП. Ожидается, что потребность в квалифицированных сварщиках будет неуклонно расти в ближайшие годы. 

АВТОМОБИЛЬНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Сварка позволила автомобильной промышленности создавать легковые и грузовые автомобили из различных материалов, делать более прочные и легкие рамы, а также повышать топливную экономичность транспортных средств. Достижения в области лазерной сварки, контактной сварки и автоматизированных роботизированных сварочных технологий обеспечивают скорость и эффективность, что приводит к созданию автомобилей, которые одновременно безопасны и доступны по цене для потребителей.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СЕКТОР

В энергетической промышленности сварка используется во многих областях - от трубопроводов и резервуаров для хранения нефти и газа до нефтеперерабатывающих заводов и других способов транспортировки нефти и газа. Достижения в области металлургии и сварки позволяют строить различные трубопроводы и сооружения, которые безопасно и эффективно транспортируют нефть и газ, доставляя жизненно важный ресурс людям по всему миру. Это, в свою очередь, позволяет людям водить машину, отапливать свои дома, готовить пищу и делать многое другое, что было бы невозможно без сварочных технологий. 

Для возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце, сварка используется при строительстве солнечных панелей, башен ветряных турбин и связанных с ними опорных конструкций.

АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Аэрокосмическая промышленность имеет уникальные потребности, в том числе в соединении 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 самолетов, поэтому сварка является важнейшим компонентом аэрокосмической и авиационной безопасности. 

Будущее сварки

Сварочная отрасль, вероятно, будет переживать больше инноваций и преобразований, вызванных развитием технологий в ответ на меняющиеся требования отрасли. 

РОБОТОТЕХНИКА И АВТОМАТИЗАЦИЯ В СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Автоматизация и робототехника все чаще внедряются в сварочную промышленность для повышения эффективности и точности производства. Робототехнические системы можно интегрировать с другими технологиями автоматизации (например, зрением и искусственным интеллектом), чтобы еще больше расширить возможности автоматизированных сварочных систем.  

СВАРКА В ЭПОХУ ИНДУСТРИИ 4.0

В последние годы виртуальная реальность используется для обучения сварщиков и повышения их квалификации. 

По мере развития сварочной отрасли, вероятно, будут происходить дальнейшие подвижки в области автоматизации, цифровизации и устойчивости, чтобы соответствовать требованиям быстро меняющегося мира. Сварщики, которые адаптируются и стремятся к освоению новых технологий, будут иметь жизненно важное значение для дальнейшего успеха сварочной отрасли.