Металлообработка на протяжении всей истории

24.03.2020

Металлообработка на протяжении всей истории

В то время считалось, что Храм Соломона был построен (середина X века до н.э.), в нем жил человек по имени Фубал-каин. Говорят, что он был инструктором и искусствоведом по бронзе и железу, а также по всем другим металлам. О том же времени было написано и это высказывание: "Они будут бить свои мечи в плужные лемехи". Сколько бы мне ни было лет, меня не было на тех мероприятиях, но очевидно, что Железный век не был началом металлообработки.

Где-то в средние века был построен Железный Столб в Дели. Считается, что это была самая крупная сварная конструкция, сделанная в этот период. Металлообработка методом ковки становилась обычным процессом, применяемым для всех типов металла, который можно было ковать. Этот метод применялся в кузнечном деле еще в 20 веке. 

Открытия Дэвиса
Дэвисам приписывают два важных открытия начала 1800-х годов. Эдмунд Дэви обнаружил ацетилен, а сэр Хамфри Дэви обнаружил, что две углеродные палочки, соединенные с батареей, создают электрическую дугу. В конце 1800-х - начале 1900-х годов это стало полезным процессом сварки, который до сих пор используется для сварки оцинкованного листового металла с присадочным материалом из бронзы. Дуга между двумя углеродными электродами отводит очень мало тепла в основной материал, практически не влияя на оцинкованный материал.

Газовая сварка, пайка и резка кислородом и угольным газом или водородом пришли в конце 1800-х годов. Из-за низкой температуры вспышки и расширения в любом обычном контейнере хранение ацетилена было проблемой. В свое время была предпринята попытка хранить его в стеклянной бутылке. Это оказалось катастрофой. Потом был использован стальной контейнер, и это тоже было неудачей.

Самым безопасным способом в то время было поместить газ в стальной контейнер, наполненный бетонным веществом. Газ поглощался в пористом материале и становился относительно стабильным. Позднее было установлено, что баллон, в котором содержалось гораздо более легкое вещество, похожее на акустический материал потолка, оказался столь же безопасным. Этот метод хранения используется и сегодня.

Дополнительный стабилизатор, ацетон, находится в цилиндре, который для безопасности хранится под давлением 250 фунтов на кв. дюйм (PSI). Регулятор газа, установленный на 15 PSI или меньше, также является требованием безопасности при резке или сварке.

В 1960-х годах парень из Вестона, В. Ва, разработал горелку, использующую бензин и кислород. Он считал, что она безопаснее ацетилена и гораздо дешевле. На самом деле она так и не загорелась, потому что из-за перепадов температур иногда из горелки рассеивалась жидкость, что приводило к пожарам, возникавшим в непосредственной близости от места работы.


Первая мировая война Толчок
Первая мировая война на самом деле была большим толчком к необходимости сварки. Стоимость и эффективность сварки значительно перевешивали затраты на процесс клепки. Клепка требовала удаления некоторого материала, и это была операция на двоих. Клепальщик Рози стал сварщиком Рози.

Суда строились в США и Европе с помощью дуговой сварки. Эта деятельность требовала определения и стандартизации языка и использования сварки.

В 1919 году Американское сварочное общество было образовано Комитетом по сварке военного времени. Джентльмен по имени Комфорт Эйвери Адамс руководил этой деятельностью и помогал ставить цели общества, основываясь на критериях, что оно должно быть "посвящено продвижению сварки и смежных процессов". Это заявление о миссии в целом остается неизменным и в отношении сертификата членства в обществе.

Электродные разработки
Существует много споров о том, кто разработал электрод для дуговой сварки экранированного металла (SMAW), похожий на тот, который используется сегодня. Это дело оспаривалось во многих кресельных судах специалистов по сварке, и я оставлю его в покое.

Несколько разработок в области технологии электродов произошли в 1920-х и 1930-х годах. Разработка электродов с покрытием приписывается компании A.O. Smith. Эта компания больше не занимает видное место в сварочной промышленности, но хорошо известна в производстве бытовой техники, в частности, благодаря своим резервуарам для горячей воды.

К концу 1920-х годов широко применяется технология SMAW с покрытием электродов. Компания Lincoln Electric начала массовое производство электродов с покрытием, в которых для нанесения покрытия использовался экструзионный метод, а не прежний метод погружения. Покрытие не только повысило удобство использования электродов, но и защитило расплавленную лужу от воздействия кислорода/азота. Считалось, что эта атмосфера способствует хрупкости и пористости сварного шва.

Высокопоставленные электроды, такие как E7024 и E7028, были названы Хобартом ракетным стержнем, а Линкольном - реактивным стержнем. Помню, как представитель компании Lincoln поместил E7024 в держатель электродов Bernard Shortstub® на роликовом коньке; он сам по себе бегал и сгорал на стальной пластине. Он продал много электродов с этим трюком.

В первые годы наиболее известным электродов с низким содержанием водорода была Атомная дуга, изготовленная из сплавов стержней. Смысл продажи состоял в том, что Atom Arc был упакован в герметичный металлический контейнер, в который не могла попасть никакая влага (водород). В течение нескольких лет многие компании указывали Atom Arc как единственный низководородный электрод, c которфм они работали.


Развитие в области экранирования
Играя с этой теорией экранирования, Х.М. Хобарт и П.К. Дэверс пришли к идее экранировать электрод инертным газом, таким как гелий или аргон. Это было предшественником процесса газовой сварки вольфрамовой дугой (GTAW), хотя и не было запатентовано Хобартом и Деверсом, а было запатентовано Расселом Мередитом. Позже она была лицензирована компанией Linde Air Products.

В процессе сварки Хобарт использовал гелий, который, соответственно, назывался Heliarc®. В 1960-е годы, а во многих случаях и сегодня, его все еще называют Heliarc®. Этот процесс позволяет сваривать окислительно-восстановительные материалы. В настоящее время аргон используется чаще, чем гелий. Отчасти это объясняется тем, что аргон тяжелее гелия и дешевле. Гелий сейчас считается редким газом.

Резка
Где-то в 1950-х годах компания Linde Air Products Company представила на рынке малоизвестный процесс, называемый "дуговой резкой в сжатом состоянии". Это было до того, как плазменная резка стала лучшим способом разделения цветных материалов. Процесс состоял из газовой вольфрамовой дуговой горелки с клапаном, похожим на режущий клапан на оксиацетиленовой горелке, и регулятора высокого давления, размещенного на аргоновом баллоне, отделенном от аргонозащитного газового баллона. Хотите верьте, хотите нет, но это работало без загрязнения сварного шва. Тем не менее, требовалось много шлифовки, и аргон стоил дорого.

Дуговая сварка
Компания Airco (Air Reduction Company) была дедушкой процесса газовой дуговой сварки металла (GMAW), также известного как MIG. На самом деле, он был разработан в Battelle при финансовой поддержке Airco. Первоначальное использование инертных газов для сварки на углеродно-марганцевом материале считалось слишком дорогостоящим, поэтому разработчики начали искать более дешевый газ. Победителем стал обильный CO2 газ, который, хотя и не был инертным, но создал подходящий щит и обеспечил превосходное проникновение в основной материал.

Сегодня большинство цехов используют CO2 газ для дуговой сварки флюсом. Переход от инертного газа к CO2 подтолкнул Американское сварочное общество к изменению номенклатуры сленга MIG на "дуговую сварку металлическим газом". Значение "I" в номенклатуре MIG больше не является окончательным, так как CO2 - это реактивный, а не инертный газ.

Процесс GMAW фактически появился в конце 1950-х - начале 1960-х годов. Одним из его преимуществ была высокая скорость осаждения и возможность использования присадочного металла нескольких размеров и металлургических типов.

Метод нанесения короткого замыкания был введен в 1950-х годах; он позволял изготавливать сварные швы на более тонких материалах и со всех позиций.

Различные доступные сегодня газы, в том числе смешанные, позволили сваривать практически все черные и цветные металлы. Добавление кислорода позволяет применять метод распыления при более высоких скоростях осаждения. Раньше кислорода не было.

FCAW
Проблемы, связанные с защитными газами, и ограничения по GMAW способствовали использованию процесса дуговой сварки флюсом (FCAW). Компания Lincoln Electric начала производство проволоки, не требующей использования защитного газа. Она называется Innershield® и может использоваться в той же атмосфере, что и SMAW.

Другая порошковая проволока, для которой требуется газовая защита, - это проволока ЭСАБ Dual Shield - проволока с высокой степенью осаждения, практически не содержащая водорода.

Для наплавки в твердом состоянии можно использовать порошковые проволоки в процессе дуговой сварки под флюсом. Это обеспечивает более высокую скорость осаждения, а также позволяет добавлять другие сплавы в флюс под флюсом. Добавки вольфрама, кобальта и бора, которые слишком твердые, чтобы положить в катушечной проволоке, могут быть смешаны для дополнительной твердости.

SAW
Процесс сварки под флюсом (SAW) фактически был разработан на трубном заводе в Пенсильвании для сварки продольных швов в трубах. (В настоящее время эти сварные швы в основном производятся методом контактной сварки), но, как и GTAW-процесс, он был лицензирован компанией Linde Air Products Company и получил название Union Melt. Этот процесс до сих пор является доминирующим для шлифовки (строительства) шахтных колес в Западной Вирджинии и других угольных странах, а также в Европе. Когда-то этот процесс был уместно назван "процессом дуговой сварки", что позволяет мне задать на экзаменах вопрос с подвохом для класса терминов и определений. Инициалы одинаковые, и на тесте с несколькими вариантами ответов я иногда получаю удовольствие от этого.

ПАВ часто используется с тандемной проволокой для выполнения паутинных сварных швов на сварных балках плиты для мостов и других "выдуманных" балок (рис. 3). Ведущая проволока помещается в корень стыка с электродом постоянного тока положительным (DCEP) для достижения проплавления корня, а промежуточный и покровный проходы выполняются с электродом постоянного тока отрицательным (DCEN) или переменного тока (AC). При этом может использоваться как постоянное напряжение, так и постоянный ток.

DCEN или переменный ток может использоваться на верхних шариках для минимизации подреза. Этот процесс производит сварку с высокой скоростью осаждения, часто от 20 до 30 дюймов в минуту и выше.

Будущее металлообработки
В будущем сварка будет продолжать радикально меняться. Полностью автоматические процессы используются в крупных производственных цехах. Разрабатываются позиционеры, которые поворачиваются практически в любой конфигурации, что позволяет выполнять Т-образные стыки, фланцы и стыковые соединения труб без снятия сварочной детали с крепления. Фиксаторы позволяют выполнять практически все сварные швы в плоском положении, что повышает скорость перемещения, скорость осаждения и качество сварного шва. Позиционирование заготовки позволяет использовать метод распыления для применения с различными сплавами.

Роботы стали более универсальными для общего производства, даже если они не используются для многократной сварки. Программное обеспечение, которое легко адаптируется практически к любому типу или форме сварного шва, позволяет быстро переключаться с одной сварочной детали на другую одним щелчком мыши.

Некоторые машины могут подвешиваться к верхней части бака для автоматического выполнения горизонтальных сварных швов. Также имеется оборудование, которое может автоматически выполнять вертикальные сварные швы вверх или вниз. В обоих случаях сварщик движется вместе с машиной. Редко такие машины нуждаются в регулировке.  Многие из них были разработаны конечными пользователями и изготовлены производителями оборудования, такими как Koike Aronson. Мы с президентом компании Kanawha Manufacturing перепроектировали машину, изображенную на рисунке; Lincoln Electric и Koike Aronson построили ее в соответствии с нашими спецификациями.

В будущем гораздо больше машин и оборудования будет спроектировано и построено для конкретного использования. Кажется, что нет конца инновациям и разработке оборудования и процедур для развития нашей сварочной промышленности.


Возврат к списку