В «Основных направлениях развития народного хозяйства < ( О’ на 1976—1980 годы», принятых на XXV съезде КПСС, отме­чено: «Во всех отраслях машиностроения повысить эффективность in ноль юиания металла за счет применения при проектировании ницих видов машин, механизмов и оборудования прогрессивных ||<'шсп((н, более экономичных профилей проката черных металлов и других конструкционных материалов, совершенствования методов «/■работки металла»[1]. В решении этих задач важным звеном является дальнейшее усовершенствование сварочного производства.

Для понимания роли и значения сварки в развитии производи - I гльпмх сил общества важно определить ее место среди других спо­собов соединения твердых тел.

Способы соединения твердых материалов можно разделить на механические и за счет молекулярных сил сцепления. К первой ірунпе относятся соединения болтовые, заклепочные, клиновые п г. и., ко второй — соединения сваркой, пайкой, склеиванием цементами и пр. Соединения могут быть разъемными (допускаю­щими разборку без разрушения соединенных деталей) и неразъем­ными.

В настоящее время сварку широко применяют для соединения почти всех металлов и их сплавов, стекол, пластмасс и керамики. Поэтому ее можно считать важнейшим способом соединения твердых тел. В этой книге рассматривается только сварка ме­таллов.

Всякое конденсированное вещество-фсм. гл. I), твердое или жид­кое, представляет собой систему атомов и молекул, связанных меж­атомными или межмолекулярными силами сцепления. Эти силы возникают в результате взаимодействия электронных оболочек атомов. Для всех частиц тела, кроме находящихся у его поверх­ности, силы сцепления взаимно уравновешены. Атомы или моле­кулы, расположенные у поверхности тела, имеют свободные связи и в определенных условиях могут присоединять к себе другие молекулы или атомы, например адсорбировать газы либо вступать в связь с поверхностными атомами другого твердого или жидкого тела.

Таким образом, чтобы получить прочное соединение твердых тел, нужно обеспечить взаимодействие их поверхностных атомов. Для лого последние необходимо сблизить настолько, чтобы между ними могли возникнуть межатомные связи, т. е. на расстояния порядка атомных радиусов. В жидкостях такое сближение дости­гается сравнительно легко за счет подвижности частиц, но для твер­дых тел возникают значительные трудности. Их поверхности даже при самой тщательной обработке имеют неровности — выступы и впадины, размеры которых по сравнению с размерами атома ог­ромны. При наложении поверхностей двух тел фактическое сопри­косновение произойдет лишь в отдельных физических точках. Воз­можность сцепления атомов соприкасающихся поверхностей затруд­няется тем, что в обычных условиях они всегда покрыты пленками оксидов, адсорбированных газов, всевозможных загрязнений. Эти пленки как броней защищают поверхность металла от соприкосно­вения.

Рассмотрим основные способы соединения твердых материалов за счет молекулярных сил сцепления.

Сварка. Соединение может образовываться без применения промежуточного материала, отличного от соединяемого металла, или с подачей его в зону сварки. Трудности получения прочного соединения преодолеваются нагревом соединяемых частей либо механическим сдавливанием или осадкой их. Нагрев ослабляет связи между атомами, делает их более подвижными, снижает твер­дость металла и повышает его пластичность — способность к пла­стическим деформациям. Осадка создает пластические деформации, вызывает течение металла вдоль поверхности раздела и его пере­мешивание, разрушает поверхностные слои металла, выводит на поверхность внутренние, свежие — ювенильные (не бывшие в со­прикосновении с атмосферой) слои металла, сближает соединяемые поверхности и способствует соприкосновению их атомов. Нагрев и осадка при сварке взаимосвязаны: чем выше нагрев, тем меньше давление осадки и наоборот. Если нагрев в зоне сварки ведут до расплавления металла, осадка становится излишней. Обратный случай — холодная сварка. Соединение осуществляется высоким давлением осадки, металл остается все время холодным. Большин­ство способов сварки используют одновременно и нагрев и осадку.

Сварное соединение возникает в тонком слое, зона сварки носит Пленочный характер. Увеличению толщины слоя сварки и повыше­нию прочности сварного соединения могут способствовать процессы взаимного растворения, диффузии и кристаллизации металла соеди­няемых частей, протекающие более медленно.

Применяемые способы сварки (их существует более сотни) очень разнообразны. Их можно разделить на способы сварки плавлением (сварка в жидкой фазе) и сварки давлением (сварка в твердой фазе).

При сварке плавлением металл в зоне сварки расплавляется и переходит в жидкое состояние, соединение возникает за счет само­произвольного слияния и взаиморастворения металла соединяемых

частей, осадочное давление обычно не применяется. Металл свар­ного соединения по химическому составу и структуре значительно отличается от металла соединяемых частей. Свариваемый металл не требует особенно тщательной очистки: расплавляются как ме­талл, так и загрязнения его поверхности, переходящие в шлак.

Для сварки давлением достаточен нагрев до меньших темпера­тур, а иногда — при соответствующем увеличении осадочного дав­ления — и вовсе не требуется (холодная сварка). Сварка давлением не изменяет химического состава металла, а структуру меняет лишь незначительно. При этой сварке есть возможность приблизиться к идеальному случаю полного тождества металлов в зоне сварки и вне ее, полной неразличимости зоны сварки при металлографи­ческом исследовании. Сварка давлением требует более тщательной подготовки и зачистки соединяемых поверхностей.

Преимуществами сварки обычно являются высокая производи­тельность процесса и хорошая прочность сварных соединений. К не­достаткам сварки можно отнести довольно значительную стоимость и сложность оборудования, применение высоких температур, зна­чительную потребную мощность установок.

Пайка— процесс, родственный сварке плавлением. Шов, соединяющий детали, заполняется особым металлом — припоем, представляющим собой специальный сплав, по составу совершенно отличный от металла соединяемых деталей и более легкоплавкий. Расплавленный припой наносится на зачищенные кромки соединяе­мых частей, смачивает их и по затвердевании и кристаллизации образует соединительный шов. При этом возможны также про­цессы взаимного растворения и диффузии.

Припои весьма разнообразны но составу и назначению. Основой припоя чаще служит олово, реже — медь, серебро. Припой должен хорошо смачивать основной металл, адгезия (прилипание) припоя к основному металлу должна превышать когезию (сцепление час­тиц припоя). Паяют преимущественно металлы, хотя возможна и довольно широко применяется пайка неметаллических материалов, например керамики. Наиболее характерная особенность пайки и отли­чие ее от сварки плавлением состоят в том, что основной металл не плавится, а в твердом состоянии смачивается жидким припоем. От клейки (см. ниже) пайка отличается наличием взаимодействия припоя с основным металлом и характером затвердевания припоя: из жидкого состояния в твердое припой переходит в узком интер­вале температур. Расплавленный припой практически не оказывает сопротивления сдвигу, прочность соединения возникает лишь с за­твердеванием припоя. Для очистки поверхности металла от оксидов и различных загрязнений, для улучшения смачивания при пайке широко применяют флюсы.

Преимуществами пайки являются небольшой нагрев металла, возможность широкой механизации и автоматизации процесса. К не­достаткам можно отнести трудности пайки изделий больших раз­меров, значительную стоимость и дефицитность многих припоев.

необходимость тщательной пригонки и очистки соединяемых поверх­ностей.

Клейка (склеивание) — наиболее универсальный способ соеди­нения твердых материалов за счет сил молекулярного сцепления. Склеивать можно различные материалы: дерево, металлы, пластмас­сы, бетон, стекло, резину и т. п. С помощью клеев можно обра­зовывать разнообразные сочетания материалов, например металла с деревом, пластмассами, резиной. Наиболее известны клеи из раз­личных органических соединений. Клей вводится между соединяе­мыми частями обычно в жидком виде, реже — в форме порошка или пластинок, размягчаемых нагреванием. Введенный жидкий клей постепенно затвердевает вследствие испарения растворителя, химических реакций или полимеризации. В отличие от припоев клей с самого начала обладает некоторой, хотя и незначительной, прочностью, позволяющей удерживать детали в определенном по­ложении. По мере затвердевания прочность клея постепенно воз­растает и достигает максимума при окончательном затвердевании. Склеивание основано почти исключительно на адгезии; клей, как правило, не взаимодействует с соединяемым материалом. Проч­ность соединения может быть довольно высокой.

Преимуществами способа являются простота, небольшая стои­мость, отсутствие нагрева, высокая универсальность, позволяющая соединять большое количество материалов в разнообразных соче­таниях. Успехи в производстве полимерных материалов и синте­тических смол позволяют создавать новые, все более прочные клеи, и можно ожидать расширения применений склеивания. К недо­статкам относятся снижение прочности клееных соединений уже при небольшом нагреве, старение клеев, снижающее их прочность, чувствительность некоторых клеев к воздействию сырости.

Соединение цементами широко используется в строи­тельстве. Цементы, скрепляющие камень, бетон, кирпич, затверде­вают и дают прочное соединение за счет химических реакций, причем обычно цементы взаимодействуют с соединяемым мате­риалом.

Развитие сварки. Первые способы сварки возникли у истоков цивилизации — с началом использования и обработки металлов. Известны древнейшие образцы сварки, выполненные в VIII—VII тысячелетиях до н. э. Древнейшим источником металла были слу­чайно находимые кусочки самородных металлов— золота, меди, ме­теоритного железа. Ковкой их превращали в листочки, пластинки, острия. Ковка с небольшим подогревом позволяла соединять мел­кие кусочки в более крупные, пригодные для изготовления простей­ших изделий.

Позже научились выплавлять металл из руд, плавить его и ли­тьем изготовлять уже более крупные и часто весьма совершенные изделия из меди и бронзы.

С освоением литейного производства возникла литейная сварка но так называемому способу промежуточного литья — соединяемые детали заформовывались, и место сварки заливалось расплав­ленным металлом. В дальнейшем были созданы особые легко­плавкие сплавы для заполнения соединительных швов и наряду с ли - іеіїной сваркой появилась пайка, имеющая большое значение и сейчас.

Весьма важным этапом стало освоение железа около 3000 лет па іад. Железные руды имеются повсеместно, и восстановление же­леза из них производится сравнительно легко. Но в древности пла­вить железо не умели и из руды получали продукт, состоявший и і мельчайших частиц железа, перемешанных с частицами руды, угля и шлака. Лишь многочасовой ковкой нагретого продукта уда­валось отжать неметаллические примеси и сварить частицы железа в кусок плотного металла. Таким образом, древний способ произ­водства железа включал в себя процесс сварки частиц железа в бо­лее крупные заготовки. Из полученных заготовок кузнечной свар­кой изготовляли всевозможные изделия: орудия труда, оружие п др. Многовековой опыт, интуиция и чутье позволяли древним мастерам иногда получать сталь очень высокого качества (булат) и кузнечной сваркой изготовлять изделия поразительного совер­шенства и красоты.

Кузнечная сварка и пайка были ведущими процессами свароч­ной техники вплоть до конца XIX в., когда начался совершенно новый, современный период развития сварки. Несоизмеримо вы­росло производство металла и всевозможных изделий из него, много­кратно — потребность в сварочных работах, которую не могли уже удовлетворить существовавшие способы сварки. Началось стреми­тельное развитие сварочной техники — за десятилетие она совер­шенствовалась больше, чем за столетие предшествующего пе­риода. Быстро развивались и новые источники нагрева, легко расплавлявшие железо: электрический ток и газокислородное пламя.

Особо нужно отметить открытие электрического дугового раз­ряда, на использовании которого основана электрическая дуговая сварка — важнейший вид сварки настоящего времени. Видная роль в создании этого способа принадлежит ученым и инженерам на­шей страны. Само явление дугового разряда открыл и исследовал в 1802 г. русский физик и электротехник, впоследствии академик В. В. Петров. Долгое время это крупнейшее открытие не использо­валось из-за отсутствия источников тока, давших бы дешевую элект­рическую энергию. Лишь 80 лет спустя, в 1882 г., талантливый русский изобретатель Н. Н. Бенардос впервые в мире применил дуговой разряд для сварки и резки металлов. Дальнейшее совер­шенствование дуговой сварки осуществил в 1888 г. выдающийся русский инженер Н. Г. Славянов. Однако царская Россия не сумела реализовать возможности, открытые изобретениями Бенардоса и Сла - вянова, и великое русское изобретение — дуговая сварка, как это случалось неоднократно, реализовано было за границей — в США, Германии и Англии.

На своей родине дуговая сварка нашла широкое применение только после Великой Октябрьской социалистической революции — в ходе восстановления хозяйства и индустриализации всей страны. На примере освоения сварочной техники ярко проявились преиму­щества планового социалистического хозяйства. Создание свароч­ной техники явилось одной из задач, которые пришлось решать мо­лодому социалистическому государству. И задача была решена бле­стяще. Для производства электросварочного оборудования в Ле­нинграде был построен завод «Электрик» (1932 г.). В то время это был самый мощный завод Европы по электросварочному оборудова­нию. Созданные специальные учебные заведения занялись подго­товкой кадров: рабочих, техников и инженеров-сварщиков. Боль­шое внимание было уделено научным исследованиям: появились многочисленные лаборатории и институты по проблемам сварки. Особенно велика роль Института электросварки АН УССР им. Е. О. Патона в Киеве, Московского высшего технического учи­лища им. Баумана и ряда других институтов в проведении глубо­ких научных исследований. Появилась богатая советская литера­тура по сварке. За короткий исторический срок Советский Союз стал общепризнанным международным авторитетом по сварке и за­нял ведущее положение в этой области. Сейчас наше производство сварочного оборудования и материалов не только удовлетворяет потребности страны, но и позволяет экспортировать это оборудо­вание и материалы. Чрезвычайно возрос международный автори­тет Советского Союза в вопросах сварки, советская сварочная тех­ника повсеместно изучается и заимствуется.

Роль сварки в народном хозяйстве нашей страны очень велика. Сварка широко применяется в промышленности, па транспорте, в сельском хозяйстве, во всех производствах, занятых обработкой металла и изготовлением всевозможных металлических изделий,— от мельчайших деталей, обрабатываемых при помощи микроскопов, до гигантских сварных конструкций, корпусов морских судов, трубопроводов протяженностью в сотни километров и т. п. Насколь­ко можно предвидеть, сварка сохранит важное промышленное значе­ние и в будущем. Применение ее непрерывно расширяется, захва­тывая новые области. Сваркой уже соединяют не только металлы, но и многие неметаллические материалы (даже кости скелета жи­вого человека при лечении переломов). Сварка найдет широкое применение в просторах космоса и в глубинах мирового океана, освоение богатств которого становится очередной задачей для насе­ления нашей планеты.