Старейший американский журнал о сварке, Welding Journal, рассказывает такую историю – в начале Второй мировой войны президент США Теодор Рузвельт направил премьер-министру Великобритании Уинстону Черчиллю письмо, в котором говорилось о новом процессе сварки, позволяющем варить в 20 раз быстрее, чем традиционным методом. «Эта технология строит стандартные торговые суда со скоростью, не имеющей аналогов в истории», – поделился господин президент. Письмо было зачитано парламентариям, а технология получила широкое распространение на территории всей коалиции и до сих пор является одной из самых продуктивных. О чём же говорил Рузвельт?

ОТ РОССИЙСКОЙ ИМПЕРИИ ДО США

Отмотаем примерно на 60 лет назад и перенесёмся в Российскую Империю. В 1888 году российский инженер-изобретатель Николай Гаврилович Славянов впервые в мире применил на практике дуговую сварку металлическим (плавящимся) электродом — до него применялись только угольные электроды. Кстати, сварка угольным электродом также была изобретена нашим соотечественником Николаем Николаевичем Бенардосом несколькими годами ранее. Для защиты расплавленного металла от атмосферы путём образования слоя шлака Славянов использовал дроблёное стекло, а саму технологию назвал не сваркой, а «электрической отливкой металлов». Способ Славянова намного опережал своё время и был по достоинству оценён только в первой четверти XX века. В 1929 г. изобретатель и герой СССР Дмитрий Антонович Дульчевский на его базе разработал и запатентовал метод дуговой сварки красной меди под слоем порошкообразных горючих. В последствии это послужило основой для появления автоматической сварки.

В конце 1930-х годов развитие этого процесса ускорилось с ростом спроса на боевые корабли и другую военную технику. Схожие патенты в разные годы получили и американские инженеры – Борис С. Робиноф, Джонс Ллойд Теодор и другие, а трубная компания National Tube Works Co. предложила технологию, которая, видимо, и поразила Рузвельта. Впоследствии, в 40-х годах этим вопросом активно занимался Институт электросварки им. Е. О. Патона, его коллектив существенно усовершенствовал и состав флюсов, и сварочные автоматы. А в Советском Союзе новый метод сварки активно применяли для постройки танков Т34.

Сегодня мы называем этот способ «дуговая сварка под флюсом» (SAW), и за более чем вековую историю он успел сильно преобразиться. Для начала разберёмся, что он из себя представляет и почему вообще, цитируя письмо, «варит в 20 раз быстрее».

ФЛЮС ВСЕМУ ГОЛОВА

Процесс формирования сварного шва протекает в газовой полости под слоем непрерывно подаваемого флюса. Механизм подачи автоматически вытягивает электродную проволоку в зону горения дуги. Сварочный ток, переменный или постоянный, прямой или обратной полярности, подводится к электродной проволоке через контактный наконечник или контактные губки, а другим контактом – к изделию. Сварочная дуга горит в газовом облаке, образованном в результате плавления и испарения металла и флюса. Метод подходит для сварки большинства видов стали – начиная с «простых» низколегированных и заканчивая высокопрочными и теплоустойчивыми. В зависимости от конфигурации оборудования процесс сварки обеспечивает производительность от обычных 8 кг/ч до 100 кг/ч наплавленного металла и может использоваться при сварке металла толщиной от 4 до 350 мм, а в некоторых случаях и больше.

Сегодня оборудование для сварки под флюсом существует в нескольких конфигурациях: с одной проволокой, с расщеплённой дугой или «твин» процессом, с «тандем» сваркой или сваркой двумя дугами (проволоками), с многодуговыми решениями, ICE™ процессом и комбинацией всего вышеперечисленного.

Самый распространённый – сварка одной проволокой, однако, есть решения, которые позволяют одновременно использовать до шести, каждая из которых подключена к своему источнику сварочного тока. Скорость прохода в таком случае может достигать 2,5 м/мин, обеспечивая максимальную производительность до 90 кг/ч. Такая конфигурация оптимальна для сварки продольных швов труб на профильных производствах. По аналогии с многодуговыми установками, при «тандем» сварке каждая из двух проволок подключена к своему сварочному источнику и подающему механизму. Ведущая дуга обеспечивает глубокое проплавление, в то время как ведомая даёт максимальную производительность, перемешиванием металла в сварочной ванне, и формирует внешний облицовочный слой шва. «Тандем» конфигурации сварочных головок могут быть дополнены мундштуками для сварки расщепленной дугой, для достижения ещё большей производительности.

Другая ветвь развития оборудования для SAW– использование одного сварочного источника для нескольких проволок. Например, в отличие от «тандем» конфигурации, при сварке расщеплённой дугой стандартная головка для сварки под флюсом оснащается мундштуком с двумя контактными наконечниками (или специальными контактными губками) для одновременной подачи двух проволок.

Самая последняя технология – ICE™ сварка – была запатентована компанией ESAB в 2011 г. Она позволяет увеличить производительность сварки до 50% по сравнению со сваркой расщепленной дугой, и до 100% по сравнению со сваркой одной проволокой. Данный способ находит своё применение в тех отраслях промышленности, где важен низкий уровень тепловложения и высокая производительность – в производстве крупногабаритных металлоконструкций, башен ветряных энергетических установок, изготовлении корпусов судов и морских платформ, сварке крупногабаритных изделий и со- судов, работающих под давлением.

XXI век ознаменован экологичным подходом к окружающей среде, и ставит перед нами иные вызовы, нежели технологический XX. Просто увеличить скорость и качество сварки, как это было раньше, уже недостаточно. Обратимся к «ледяной технологии» от ESAB, чтобы лучше понять, в чём заключается новая концепция.

ЛЁД И ПЛАМЯ

Технология использует избыточную тепловую энергию, выделяемую во время сварки, для рас- плавления дополнительного электрода – Integrated Cold Electrode (ICE), он располагается между двумя «горячими» в одном контактном устройстве. Добавление этого «ледяного» компонента увеличивает производительность, стабилизирует дугу и позволяет легче управлять сварочной ванной, что важно для достижения максимально экономической эффективности всего процесса. А повышение стабильности ведёт к тому, что регулировка и адаптация к различным видам сварочных соединений происходит легче и быстрее – до 30 % в большинстве случаев.

Вопреки поговорке «время-деньги» высокая скорость сварки необходима не только для повышения производительности. И это основной тезис, на который опирались разработчики. Высокая производительность тут используется для снижения уровня тепловложения, который, в свою очередь, обеспечивает низкий уровень деформации – огромный плюс при сварке тонких листов металла и работе с чувствительным к теплу материалом. К тому же снижение тепловложения избавляет,во многих случаях, от необходимости ожидания не- обходимой температуры между проходами. При сварке «тандем- ICE™» по сравнению со сваркой «тандем-расщепленная дуга» расход флюса ниже примерно на 20%, в то время как уровень тепловложения остается неизменным. При сравнении этого же режима со сваркой одной проволокой, снижение расхода флюса может достигать и 45%.

Немаловажный для современности фактор – воздействие на окружающую среду. Как уже было сказано, технология холодного электрода использует избыток тепловой энергии для расплавления электрода. Это сокращает потребление энергии и снижает энергозатраты, и,если сравнить классические конфигурации оборудования для сварки под флюсом с новым процессом, то снижение потребления энергии варьируется от 35 до 50%.

ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Если бы сегодня с парламентариями делились прорывами в технологиях обработки металла, то послание могло бы звучать так: «Эта технология строит стандартные торговые суда, сосуды работающие под давлением, опоры ветряных энергетических установок и мостовые металлоконструкции с производительностью, не имеющей аналогов в истории, но она же даёт не имеющий аналогов уровень защиты окружающего его мира». И то ли ещё будет.

«СПЕЦТЕХНИКА И НЕФТЕГАЗОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ» АПРЕЛЬ – МАЙ 2021 № 03 – 04