Рассказываем о различных видах сварочных технологий, от кузнечной до современной лазерной и электронно-лучевой сварки

Фото: пресс-служба Госкорпорации Ростех

В последнюю пятницу мая, а в этом году она выпадает на 30 число, в России отмечается День сварщика. Праздник этот хотя и не является официальным, тем не менее отдает дань уважения одной из самых востребованных профессий в промышленности.

Сварщик сегодня — это человек, обладающий профессиональными знаниями и навыками, эксплуатирующий самую современную и сложную специальную технику и оборудование. А сама сварка, включающая разнообразие методов и технологий, — это сложнейший процесс соединения различных по своим свойствам и качествам материалов. Разрабатываются, испытываются и внедряются новые технологии сварки. Без сварочных операций в наше время не обходится ни одно машиностроительное производство, а предприятия Госкорпорации Ростех находятся в авангарде применения новых методов сварки.

Сварить на века

Если говорить упрощенно, то сварка — это процесс неразъемного соединения путем местного нагрева и межатомного сцепления. Самым первым видом такого соединения, который освоило человечество, явилась кузнечная сварка, которую еще называют сваркой ковкой. Ее появление уходит в глубь тысячелетий, а одним из известных сооружений, созданных с применением этого вида сварки, стала сохранившаяся до наших дней семиметровая железная колонна V века н.э. в индийском Дели.

Появлением технологии электрической сварки человечество обязано русскому электротехнику, инженеру-самоучке, учителю математики Василию Петрову, который открыл в 1802 году явление электрической дуги. Сущность электрической сварочной дуги заключается в возникновении электрического разряда между электродом и металлом в результате ионизации газа под воздействием высокого напряжения. При подаче электрического напряжения на электрод и соприкосновении этого электрода с металлом образуется кратковременный электрический разряд. При этом электроны, в соответствии с законами электротехники, начинают движение от анода к катоду, сильно ионизируя воздух, который становится проводником электричества. Если в процессе сварочный электрод отвести на небольшое расстояние, возникает сварочная дуга, представляющая собой устойчивый электрический столб плазмы. Температура в такой зоне резко возрастает, что приводит к быстрому плавлению металла. Расплавленный таким образом металл, остывая, создает устойчивое и надежное сварное соединение.

Интересный факт: при электросварке температура столба сварочной дуги достигает гигантских значений порядка 7000-8000 °C. Такой сильный нагрев нужен для размягчения и приведения в расплавленное состояние тугоплавких сплавов. Это делается затем, чтобы заведомо превзойти границы плавления всех известных металлов и их сплавов. В процессе сварки температура плазменной дуги поднимается до 30 000 °C, что в 5-6 раз превышает температуру поверхности Солнца!

Существует и низкотемпературный метод соединения материалов, его называют холодной сваркой. Этот способ сварки основывается на следующем физическом явлении. В безвоздушном вакуумном пространстве металлы и их сплавы не окисляются кислородом, оксидная пленка на их поверхности отсутствует, а это приводит к тому, что они просто как бы прилипают или склеиваются друг с другом. А если в вакууме два металлических элемента с идеально гладкой поверхностью срезов сильно прижать друг к другу и при этом слегка нагреть, но не до температуры плавления, то получится вполне крепкое и устойчивое соединение. Такой процесс и есть, по сути, холодная сварка.

Еще одним распространенным методом является газовая сварка. При этом способе расплавление металла происходит за счет высокотемпературного горения двух газов — ацетилена и кислорода. Температура горения такой ацетилено-кислородной смеси при этом достигает 3150-3500 °C. Это намного меньше, чем при дуговой сварке, но для некоторых легкоплавких металлов и сплавов на их основе такой температуры вполне достаточно.

«Профессор» сварки

Подлинную революцию в сварочном деле произвел русский и советский ученый с мировым именем — академик Академии наук Украинской ССР, Герой Социалистического Труда, Евгений Оскарович Патон. Являясь крупным инженером-мостостроителем, он в 1929 году начал разработку новых методов и видов сварки металлов. Одной из главных причин, побудивших его заняться проблемами сварки, послужила стремительная индустриализация Советского государства, сразу выявившая недостатки соединения металлов клепкой, которая массово применялась в то время в народном хозяйстве. Сварка имела неоспоримые преимущества перед клепкой, но в молодой республике, истерзанной разрухой, гражданской войной и интервенцией, ее проблемами никто не занимался. Страна отставала в технологии сварки и сварочном производстве от ведущих промышленных стран на несколько десятилетий.

Евгений Патон начал работу с небольшой сварочной лаборатории, на базе которой уже в 1934 году был создан Институт электросварки Академии наук Украинской ССР в Киеве. Институт являлся мощнейшей научно-исследовательской школой, имевшей прямую связь с производством. Патон занимался различными научными и технологическими исследованиями, связанными со сварными соединениями, их прочностью, надежностью и устойчивостью. Также им были проведены исследования в области реакции сварных швов на различные внешние нагрузки, изучены свойства сварочной дуги, проведена огромная работа по автоматизации и механизации сварочного дела. Так, в 1932 году под руководством Патона была разработана автоматическая сварочная головка, предназначенная для сварки открытой дугой.

Автоматическая сварка бортов корпуса на заводе №183. 1942 г. Фотография из фондов Российского государственного архива экономики

Неоценимая заслуга Евгения Оскаровича состоит в создании поточного метода сварочных работ, а также в разработке поточных сварочных линий для различных промышленных производств. Кроме этого, им были разработаны технологии сварочных производств особой сложности в специальных условиях. В годы Великой Отечественной войны Евгений Патон с Институтом сварки продолжал работу в эвакуации в Нижнем Тагиле, в заводских помещениях легендарного «Танкограда».

Евгений Оскарович разработал технологию поточной автоматизированной сварки броневых танковых корпусов. Данный метод был успешно внедрен на танковом заводе, что позволило существенно сократить сроки изготовления бронетехники и увеличить количество выпускаемых танков и самоходок. Причем прочность сварочных швов Патона в разы превышала прочность швов любого другого танка иностранного производства, как у противника, так и у союзников. Опыт боевых действий показал, что при попадании снарядов в наши танки могла быть повреждена или пробита броня, но сварочные швы практически всегда оставались целыми даже в сантиметре от сквозных пробоин.

В годы Великой Отечественной Институтом сварки Патона были разработаны, испытаны и поставлены на производство более 60 автоматических сварочных установок для производства танковых корпусов и авиационных бомб. Применение автоматической сварки под флюсом для производства танковых бронекорпусов сразу же продемонстрировало свою эффективность и полное преимущество — производительность труда на участке сварки повысилась сразу более чем в пять раз!

Благодаря труду Евгения Патона производство авиационных бомб всех калибров стало полностью поточным уже с середины войны. Отметим, что в США аналогичная технология сварки под флюсом была освоена только в конце войны, а в гитлеровской Германии так и не смогли создать ничего подобного. 1 марта 1943 года за выдающийся вклад в дело Великой Победы советскому «профессору сварки», как уважительно называли Евгения Оскаровича Патона, было присвоено звание Героя Социалистического Труда.

После войны Евгений Патон работал над совершенствованием автоматической сварки и созданием автоматизированных сварочных систем. По проектам выдающегося ученого в нашей стране было создано более сотни различных сварных мостов, большинство из которых продолжают безаварийно служить и по сей день. Евгений Оскарович ушел из жизни в 1953 году, его дело в области сварочных работ продолжил сын — Борис Евгеньевич Патон. А легендарный нижнетагильский «Танкоград» сегодня является не менее знаменитым Уралвагонзаводом в составе Ростеха, ведущим отечественным предприятием по выпуску бронетанковой техники.

Под землей, под водой и в космосе!

В настоящее время сварочные работы могут проводиться не только на суше, но и под водой, причем подводная сварка вовсе не является какой-то уникальной операцией. Для таких работ применяются электроды со специальным покрытием, или, как говорят сами сварщики, с обмазкой. При проведении подводной сварки от распада продуктов плавления и испарения образуется заполненный газом пузырь, внутри которого и производится сваривание. Изобрел эту сварку, называемую гипербарической, в 1932 году советский металлург Константин Хренов.

Одной из самых сложных считается сварка расположенных глубоко под землей газопроводов большого диаметра. Для решения столь сложной задачи отечественные специалисты разработали и внедрили в серийное производство полуавтоматическую сварку порошковой проволокой в защитных газах ниточными швами. Это инновационная технология, при которой сварка производится при помощи автоматизированного комплекса. Сварка ведется одновременно двумя горелками: первая при движении автомата ведет сварку по левой кромке разделки, а вторая — по правой. Такая установка способна соединить два участка трубы диаметром около полутора метров за три часа, тогда как в ручном режиме такие работы занимают почти 12 часов. Оператор-сварщик управляет машиной дистанционно. Эту технологию применяли при строительстве двух уникальных трубопроводов высокого давления, причем работы велись на глубине 10 метров, чтобы не повредить идущие сверху газопровода коммуникации.

Валерий Николаевич Кубасов. Фото: Московский авиационный институт

О физической сущности процесса холодной сварки в условиях вакуума, каким является безвоздушное космическое пространство, мы уже говорили, здесь же просто добавим, что первым космическим сварщиком стал гражданин Советского Союза, летчик-космонавт Валерий Николаевич Кубасов. Именно он 16 октября 1969 года, находясь в составе экипажа пилотируемого космического корабля «Союз-6», впервые в мире провел космическую сварку в условиях вакуума, созданного на борту. Спустя пятнадцать лет, в 1984 году, также советские космонавты Владимир Джанибеков и Светлана Савицкая первыми в мире выполнили сварку за пределами корабля, то есть в открытом космосе. Выход со станции «Салют-7» длился более трех часов, в течение которых космонавты осуществили резку и сварку металлов.

Сварка сегодня и взгляд в будущее

В настоящее время диапазон методов, способов и технологий сварки необычайно широк и разнообразен. Кроме обычной ручной сварки используются полуавтоматическая и автоматическая сварка. Одними из наиболее распространенных сегодня, наиболее сложных и наукоемких видов сварочного производства, применяемых в промышленности и производстве, являются:

• сварка в защитной газовой среде, она применяется для соединения высококачественных сталей и алюминия.;

• лазерная сварка, использующая концентрированный лазерный луч для плавления металла. Она позволяет создавать тонкие и прочные соединения с минимальными термическими деформациями.

Дальнейшим развитием лазерной сварки явилась лазерно-ультразвуковая сварка, которая объединяет преимущества двух технологий: лазерного нагрева и ультразвуковых колебаний, что позволяет производить высокоточную сварку материалов с еще более минимальными деформациями.

Электронно-лучевая сварка — это технология, которая использует ускоренные электроны для создания высокотемпературного воздействия на материал. Она позволяет получать прочные соединения с минимальными деформациями и высокой точностью, активно используется в аэрокосмической, ядерной и автомобильной промышленности, где требуется высокая прочность швов.

Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

Кроме перечисленных методов и видов сварки, сегодня активно развивается такое направление, как использование технологии 3D-печати в сварке. Применение 3D-принтеров для создания сложных геометрических форм с использованием различных металлических материалов в сочетании с традиционной сваркой позволяет изготавливать детали с высокой точностью, что, в свою очередь, открывает новые горизонты для создания прототипов, имеющих сложные формы, и их дальнейшего производства.

Современные методы, способы, технологии сварки активно внедряются на производственных предприятиях Госкорпорации Ростех. Например, в прошлом году на рыбинском предприятии «ОДК-Сатурн» Объединенной двигателестроительной корпорации была введена в эксплуатацию высокотехнологичная установка для электронно-лучевой сварки крупногабаритных деталей и узлов. Созданное полностью в России оборудование (ООО НПК ТЭТА г. Томск) позволяет выполнять сварку роторных и корпусных деталей с толщиной стенки от 1,0 до 100 мм, диаметром до 3200 мм и массой до 10 тонн, а контроль всего процесса осуществляется одним сварщиком-оператором. На предприятии с помощью нового оборудования в настоящее время изготавливают детали газотурбинных двигателей большой мощности, таких как ГТД-110М.

Различное оборудование для сварки, в том числе уникальное, разрабатывает Научно-исследовательский технологический институт «Прогресс» (находится под управлением компании «РТ-Капитал» Ростеха). Например, здесь создана первая в России установка орбитальной электронно-лучевой сварки, которая применяется для соединения тугоплавких материалов в ракетостроении, а также первая в стране сварочная установка с ЧПУ для ремонта атомных реакторов.

Фото: концерн «Радиоэлектронные технологии»

Есть в структуре Ростеха и предприятие, которое производит сварочное оборудование не только для промышленного, но и для бытового применения. Сварочные инверторы «Форсаж» Государственного Рязанского приборного завода концерна «Радиоэлектронные технологии» заслуженно пользуются популярностью у пользователей уже более 25 лет.

В заключение стоит сказать, что сварка и сварочное производство обладают огромным потенциалом для дальнейшего улучшения технологий и методов. Будущее сварки — за ростом производительности, качества работы, оно связано с дальнейшим внедрением передовых технологий и методов, а также с повышением безопасности всех сварочных операций.