Зварка, технологічний процес з'єднання твердих матеріалів в результаті дії міжатомних сил, яка відбувається при місцевому сплаві або спільній пластичній деформації зварюваних частин. С. отримують вироби з металу і неметалічних матеріалів (скла, кераміки, пластмас і ін.). Змінюючи режими С., можна наплавляти шари металу різної товщини і різного складу. На спеціальному устаткуванні в певних умовах можна здійснювати процеси, протилежні по своїй суті процесу з'єднання, наприклад вогневу, або термічну, різання металів.
Історична довідка. Прості прийоми С. були відомі в 8—7-м-коді тис. до н.е.(наша ера) В основному зварювалися вироби з міді, які заздалегідь підігрівалися, а потім здавлювалися. При виготовленні виробів з міді, бронзи, свинцю, благородних металів застосовувалася т.з. ливарня С. Соєдіняємиє деталі заформовивалі, підігрівали і місце з'єднання заливали заздалегідь приготованим розплавленим металом. Вироби із заліза і його сплавів отримували їх нагрівом до «зварювального жару» в ковальських горнах з подальшим проковуванням. Цей спосіб відомий під назвою горнова, або ковальська, С. Только ці два способи С. були поширені аж до кінця 19 ст Поштовхом до появи принципово нових способів з'єднання металів з'явилося відкриття в 1802 дугового розряду Ст Ст Петровим . В 1882 Н. Н. Бенардос і в 1890 Н. Р. Славянов запропонували перші практично придатні способи С. з використанням електричної дуги. На початку 20 ст дугова електрозварювання поступово стало провідним промисловим способом з'єднання металів. До початку 20 ст відносяться і перші спроби вживання для С. і різання горючих газів в суміші з киснем. Перший ацетилено-кисневий зварювальний пальник сконструював французький інженер Е. Фуше, який отримав на неї патент в Германії в 1903. У Росії цей спосіб став відомий імовірно до 1905, отримав поширення до 1911. Процес дуговий С. удосконалювався, з'явилися її різновиди: під флюсом, в середовищі захисних газів і ін. У 2-ій половині 20 ст для С. стали використовувати ін. види енергії: плазму, електронний, фотонний і лазерний промені, вибух, ультразвук і ін.
Класифікація. Сучасні способи С. металів можна розділити на дві великі групи: С. плавленням, або С. в рідкій фазі, і С. тиском, або С. в твердій фазі. При С. плавленням розплавлений метал частин, що сполучаються, мимоволі, без додатка зовнішніх сил з'єднується в одне ціле в результаті розплавлення і змочування в зоні С. і взаємного розчинення матеріалу. При С. тиском для з'єднання частин без розплавлення необхідний значний тиск. Кордон між цими групами не завжди досить чітка, наприклад можлива С. з частковим оплавленням деталей і подальшим здавленням їх (контактна електрозварювання). У пропонованій класифікації до кожної групи входить декілька способів. До С. плавленням відносяться: дугова, плазмова, електрошлакова, газова, променева і др.; до С. тиском — горнова, холодна, ультразвукова, тертям, вибухом і ін. У основу класифікації може бути покладений і який-небудь ін. ознака. Наприклад, по роду енергії можуть бути виділені наступні види С.: електрична (дугова, контактна, електрошлакова, плазмова, індукційна і т. д.) механічна (тертям, холодна, ультразвукова і т. п.), хімічна (газова, термітна), променева (фотонна, електронна, лазерна).
Зварка плавленням . Простий спосіб С. — ручна дугова С. — заснований на використанні електричної дуги. До одного полюса джерела струму гнучким дротом приєднується тримач, до іншого — зварюваний виріб. У тримач вставляється вугільний або металевий електрод (див. в ст. Зварювальні матеріали ) . При короткому дотику електроду до виробу запалюється дуга, яка плавить основний метал і стрижень електроду (при металевому електроді), утворюючи зварювальну ванну, що дає при твердінні зварний шов. Температура зварювальної дуги 6000—10000 °С (при сталевому електроді). Для живлення дуги використовують струм силоміць 100—350 а, напругою 25—40 в від спеціальних джерел (див. Зварювальне устаткування ) .
При дуговій зварці кисень і азот атмосферного повітря активно взаємодіють з розплавленим металом, утворюють оксиди і нітрид, знижуючу міцність і пластичність зварного з'єднання . Існують внутрішні і зовнішні способи захисту місця С.: введення різних речовин в матеріал електроду і електродного покриття (внутрішній захист), введення в зону С. інертних газів і окислу вуглецю, покриття місця С. зварювальними флюсами (зовнішній захист). За відсутності зовнішніх засобів захисту зварювальна дуга називається відкритою, за наявності їх — захищеною або зануреною. Найбільше практичне значення має електрозварювання відкритої дугою покритим плавким електродом. Висока якість зварного з'єднання дозволяє використовувати цей спосіб при виготовленні відповідальних виробів. Однією з найважливіших проблем зварювальної техніки є механізація і автоматизація дуговий С. (див. Автоматична зварка ) . При виготовленні виробів складної форми часто раціональнішою виявляється напівавтоматична дугова С., при якій механізована подача електродного дроту в тримач зварювального напівавтомата. Захист дуги здійснюють також зварювальним флюсом (див. в ст. Зварювальні матеріали ) . Ідея цього способу, що отримав назву С. під флюсом, належить Н. Г. Славянову (кінець 19 ст), що застосував як флюс роздроблене скло. Промисловий спосіб розроблений і упроваджений у виробництво під керівництвом академіка Е. О. Патона (40-і рр. 20 ст). С. під флюсом отримала значне промислове вживання, т. до. позволяет автоматизувати процес, є досить продуктивною, придатна для здійснення різного роду зварних з'єднань, забезпечує хорошу якість шва. У процесі С. дуга знаходиться під шаром флюсу, який захищає очі тих, що працюють від випромінювань, але утрудняє спостереження за формуванням шва.
При механізованих способах С. застосовують газовий захист — С. в захисних газах, або газоелектричну С. Ідея цього способу належить Н. Н. Бенардосу (кінець 19 ст). С. здійснюється зварювальним пальником або в камерах, заповнених газом. Гази безперервно подаються в дугу і забезпечують високу якість з'єднання. Використовують інертні і активні гази (див. в ст. Зварювальні матеріали ) . Найкращі результати дає вживання гелію і аргону. Гелій із-за високої вартості його здобуття використовують лише при виконанні спеціальних відповідальних робіт. Ширше поширена автоматична і напівавтоматична С. в аргоні або в суміші його з іншими газами неплавким вольфрамовим і плавким сталевим електродами. Цей спосіб застосовний для з'єднання деталей зазвичай невеликої товщини з алюмінію, магнію і їх сплавів, всіляких сталей, жароміцних сплавів, титану і його сплавів, нікелевих і мідних сплавів, ніобію, цирконію, танталу і ін. Найдешевший спосіб, що забезпечує високу якість, — С. у вуглекислому газі, промислове вживання якої розроблене в 50-і рр. 20 ст в Центральному науково-дослідному інституті технології і машинобудування (ЦНІЇТМАШ) під керівництвом До. Ст Любавського. Для С. у вуглекислому газі використовують електродний дріт. Спосіб придатний для з'єднання виробів із сталі товщиною 1—30 мм.
До електричних способів С. плавленням відноситься електрошлакова С., при якій процес починається, як при дуговій С. плавким електродом — запаленням дуги, а продовжується без дугового розряду. При цьому значна кількість шлаку закриває зварювальну ванну. Джерелом нагріву металу служить тепло, що виділяється при проходженні електричного струму через шлак. Спосіб розроблений в інституті електрозварювання ним. Е. О. Патона і отримав промислове вживання (в кінці 50-х рр.). Можлива електрошлакова С. металів завтовшки до 200 мм (одним електродом), до 2000 мм (одночасно працюючими декількома електродами). Вона доцільна і економічно вигідна при товщині основного металу більше 30 мм. Електрошлаковим способом можна виконувати ремонтні роботи виробляти наплавлення, коли потрібна значна товщина шару, що наплавляється. Спосіб знайшов вживання у виробництві парових казанів, станин пресів, прокатних станів, будівельних металоконструкцій і т. п.
Здійснення дугового електрозварювання можливе також у воді (прісною і морською). Перший практично придатний спосіб С. під водою був створений в СРСР в Московському електромеханічному інституті інженерів же.-д.(железнодорожний) транспорту в 1932 під керівництвом До. До. Хренова . Дуга у воді горить стійко, що охолоджує дію води компенсується невеликим підвищенням напруги дуги, яка плавить метал у воді так само легко, як і на повітрі. С. виробляється уручну штучним плавким сталевим електродом з товстим (до 30% товщини електроду) водонепроникним покриттям. Якість С. декілька нижче, ніж на повітрі, метал шва недостатньо пластичний. У 70-і рр. в СРСР в інституті електрозварювання ним. Е. О. Патона здійснена С. під водою напівавтоматом, в якому як електрод використана т.з. порошковий дріт (тонка сталева трубка, набита сумішшю порошків), що безперервно подається в дугу. Порошок є флюсом. Підводна С. ведеться на глибині до 100 м-код, набула поширення в судоремонтних і аварійно-рятівних роботах.
Одін з перспективних способів С. — плазмова С. — виробляється плазмовим пальником. Суть цього способу С. полягає в тому, що дуга горить між вольфрамовим електродом і виробом і продувається потоком газу, внаслідок чого утворюється плазма, використовувана для високотемпературного нагріву металу. Перспективний різновид плазмової С. — С. стислою дугою (гази стовпа дуги, проходячи через канал сопла пальника, що калібрується, витягуються в тонкий струмінь). При стискуванні дуги міняються її властивості: значно підвищується напруга дуги, різко зростає температура (до 20000—30000 °С). Плазмова С. отримала промислове вживання для з'єднання тугоплавких металів, причому автомати і напівавтомати для дугової С. легко можуть бути пристосовані для плазмового при відповідній заміні пальника. Плазмову С. використовують як для з'єднання металів великої товщини (багатошарова С. із захистом аргоном), так і для з'єднання пластин і дроту завтовшки від десятків мкм до 1 мм (мікрозварка, С. голчаною дугою). Плазмовим струменем можна здійснювати також ін. види плазмової обробки, у тому числі плазмове різання металів.
Газова С. відноситься до способів С. плавленням з використанням енергії газового полум'я, застосовується для з'єднання різних металів зазвичай невеликої товщини — до 10 мм. Газове полум'я з такою температурою виходить при спалюванні різних пальних в кисні (воднево-киснева, бензіно-киснева, ацетилено-киснева С. і ін.). Промислове вживання отримала ацетилено-киснева газова С. Существенноє відмінність газовою С. від дугової С. — плавніший і повільніший нагрів металу, Цю обставину визначає вживання газовою С. для з'єднання металів малої товщини, що вимагають підігрівання в процесі С. (наприклад, чавун і деякі спеціальні стали), сповільненого охолоджування (наприклад інструментальні стали) і т. д. Завдяки універсальності, порівняльній простоті і портативності устаткування газова С. доцільна при виконанні ремонтних робіт. Промислове вживання має також газопресова зварка сталевих труб і рейок, що полягає в рівномірному нагріві ацетилено-кисневим полум'ям металу в місці стику до пластичного стану і подальшому осіданні з пресуванням або проковуванням.
Перспективними є способи променевої, що з'явилися в 60-і рр., С., також здійснюваний без вживання тиск. Електроннопроменева (електронна) С. виробляється сфокусованим потоком електронів. Виріб поміщається в камеру, в якій підтримується вакуум (10 -2 —10 -4 н/м 2 ) , необхідний для вільного руху електронів і збереження концентрованого пучка електронів. Від потужного джерела електронів (електронної гармати) на виріб прямує керований електронний промінь, що фокусується магнітним і електростатичними полями. Концентрація енергії в сфокусованій плямі до 10 9 вт/см 2 . Переміщаючи промінь по лінії С., можна зварювати шви будь-якої конфігурації при високій швидкості. Вакуум сприяє меншому окисленню металу шва. Електронний промінь плавить і доводить до кипіння практично всі метали і використовується не лише для С., але і для різання, свердління отворів і т. п. Швидкість С. цим способом в 1,5—2 рази перевищує швидкість дуговою С. при аналогічних операціях. Недолік цього способу — великі витрати на створення вакууму і необхідність високої напруги для забезпечення досить потужного випромінювання. Цих недоліків позбавлений ін. спосіб променевої С. — фотонна (світлова) С. На відміну від електронного променя, світловий промінь може проходіть значні відстані в повітрі, не втрачаючи помітно енергії (тобто відпадає необхідність у вакуумі), може майже без ослабіння просвічувати прозорі матеріали (стекло, кварц і т. п.), тобто забезпечується стерильність зони С. при пропусканні світивши через прозору оболонку. Промінь фокусується дзеркалом і концентрується оптичною системою (наприклад, кварцевою лінзою). При споживаній потужності 50 квт в промені удається сконцентрувати близько 15 квт.
Для створення світлового променя може служити не лише штучне джерело світла, але і природний — Сонце. Цей спосіб С., називається геліосваркой, застосовується в умовах значної сонячної радіації, Для С. використовується також випромінювання оптичних квантових генераторів — лазерів, Лазерна С. займає видне місце в лазерній технології .
Зварка тиском . Способи С. в твердій фазі дають зварне з'єднання, міцність якого інколи перевищує міцність основного металу. Крім того, в більшості випадків при С. тиском не відбувається значні зміни в хімічному складі металу, т. до. металл або не нагрівається, або нагрівається трохи. Це робить способи С. тиском незамінними у ряді галузей промисловості (електротехнічною, електронною, космічною і ін.).
Холодна С. виконується без вживання нагріву, одним лише додатком тиску, що створює значну пластичну деформацію (до стану текучості), яка має бути не нижче певного значення, характерного для даного металу. Перед С. потрібна ретельна обробка і очищення поверхонь, що сполучаються (здійснюється зазвичай механічним дорогою, дротяними, що наприклад обертаються щітками). Цей спосіб С. досить універсальний, придатний для з'єднання багатьох металевих виробів (дротів, стрижнів, смуг, тонкостінних труб і оболонок) і неметалічних матеріалів, що володіють достатньою пластичністю (смоли, пластмаси, стекло і т. п.). Перспективне вживання холодною С. в космосі.
Для С. можна використовувати механічну енергію тертя. С. тертям здійснюється на машині, що зовні нагадує токарний верстат Деталі затискаються в патронах і зрушуються до зіткнення торцями. Одна з деталей приводиться в обертання від електродвигуна. В результаті тертя розігріваються і оплавляються поверхневі шари на торцях, обертання припиняється і виробляється осідання деталей, С. високопродуктивна, економічна, застосовується, наприклад, для приєднання ріжучої частини металоріжучого інструменту до державки.
Ультразвукова С. заснована на використанні механічних коливань частотою 20 кгц. Коливання створюються магнітострикційним перетворювачем, що перетворює електромагнітні коливання на механічні. На сердечник, виготовлений з магнітострикційного матеріалу, намотана обмотка. При живленні обмотки струмами ВЧ(висока частота) з електричної мережі в сердечнику виникають подовжні механічні коливання. Металевий наконечник сполучений з сердечником, служить зварювальним інструментом. Якщо наконечник з деяким зусиллям притиснути до зварюваних деталей, то через декілька секунд вони виявляються звареними в місці тиску інструменту. В результаті коливань сердечника поверхні очищаються і трохи розігріваються, що сприяє утворенню міцного зварного з'єднання. Цей спосіб С. металів малої товщини (від декількох мкм до1,5 мм ) і деяких пластмас знайшов вживання в електротехнічній, електронній, радіотехнічній промисловості. На початку 70-х рр. цей вигляд С. використаний в медицині (роботи колективу співробітників Московського вищого технічного училища ним. Н. Е. Баумана під керівництвом Р. А. Миколаєва в співдружності з медиками) для з'єднання, наплавлення, різання живих тканин. При С. і наплавленню кісткових тканин, наприклад відламків гомілкових кісток, ребер і пр., конгломерат з рідкого мономера циакріна і твердих добавок (кісткової стружки і різних наповнювачів і упрочнітелей) наноситься на пошкоджене місце і ущільнюється ультразвуковим інструментом, внаслідок чого прискорюється полімеризація. Ефективне вживання ультразвукового різання в хірургії. Зварювальний інструмент ультразвукового апарату замінюється пилою, скальпелем або ножем. Значно скорочуються час операції, втрата крові і больові відчуття.
Одним із способів електричною С. є контактна С., або С. опором (в цьому випадку електричний струм пропускають через місце С., що чинить омічний опір проходженню струму). Розігріті і зазвичай оплавлені деталі здавлюються або осаджуються, т.ч. контактна С. по методу осідання відноситься до способів С. тиском (див. Контактне електрозварювання ) . Цей спосіб відрізняється високою мірою механізації і автоматизації і набуває всього більшого поширення в масовому і серійному виробництві (наприклад, з'єднання деталей автомобілів, літаків, електронної і радіотехнічної апаратури), а також застосовується для стиковки труб великих діаметрів, рейок і т. п.
Наплавлення. От найбільш поширеною сполучною С. відрізняється наплавлення, вживане для нарощування на поверхню деталі шару матеріалу, декілька що збільшує масу і розміри деталі. Наплавленням можна здійснювати відновлення розмірів деталі, зменшених зносом, і облицювання поверхневого шару. Відновне наплавлення має високу економічну ефективність, т. до. таким способом відновлюють складні дорогі деталі; поширена при ремонті на транспорті, в сільському господарстві, будівництві, гірській промисловості і т. д. Облицювальна наплавлення застосовується для створення на поверхні деталі шару матеріалу з особливими властивостями — високою твердістю, зносостійкістю і т. д. не лише при ремонті, але і при виробництві нових виробів. Для цього вигляду наплавлення виготовляють наплавлювальні матеріали з особливими властивостями (наприклад, зносостійкий сплав сормайт). Наплавлювальні роботи ведуть різними способами С.: дуговою, газовою, плазмовою, електронною і т. п. Процес наплавлення може бути механізований і автоматизований. Випускаються спеціальні наплавлювальні установки з автоматизацією основних операцій.
Термічне різання. Різання технологічно відмінне від С. і протилежна до неї по сенсу, але устаткування, матеріали, прийоми виконання операцій близькі до вживаних в зварювальній техніці. Під термічною, або вогневий, різанням мають на увазі процеси, при яких метал в зоні різання нагрівається до високої температури і мимоволі витікає або віддаляється у вигляді розм'якшених шлаків і оксидів, а також може виштовхуватися механічною дією (струменем газу, електродом і т. п.). Різання виконується декількома способами. Найбільш важливий і практично поширений спосіб — кисневе різання, засноване на здатності заліза згорати в кисні, застосовується зазвичай для різання сталей товщиною від 5 до 100 мм, можливе розділення матеріалу товщиною до 2000 мм. Кисневим різанням виконують також операції, аналогічні обробці ріжучим інструментом, — стругання, обточування, зачистку і т. п. Різання деяких легованих сталей, чавуну, кольорових металів, для яких звичайний спосіб малопридатний, здійснюють способом кисневого флюсу. Киснева обробка знайшла вживання на металургійних і машинобудівних заводах, ремонтних підприємствах і т. п.
Дугове різання, що виконується як вугільним, так і металевим електродами, застосовується при монтажних і ремонтних роботах (наприклад, в суднобудуванні). Для поверхневої обробки і стругання металів використовують дугове для повітря різання, при якому метал з реза видувається струменем повітря, що дозволяє істотно поліпшити якість різання.
Різання можна виконувати високотемпературним плазмовим струменем. Для різання і пропалювання отворів перспективне вживання світлового променя, струмені фтору, лазерного випромінювання (см.Лазерна технологія ).
Подальший розвиток і вдосконалення методів зварки і різання пов'язаний з впровадженням і розширенням сфери вживання нового вигляду обробки — плазмовою, електронною, лазерною, з розробкою досконалих технологічних прийомів і поліпшенням конструкції устаткування. Можливе значне розширення використання С. і різання для підводних робіт і у космосі. Напрям прогресу в області зварювальної техніки характеризується подальшою механізацією і автоматизацією основних зварювальних робіт і всіх допоміжних робіт, передуючих С. і наступних за нею (вживання маніпуляторів, кантувальники, роботів ). Актуальною є проблема поліпшення контролю якості С., у тому числі вживання апаратів із зворотним зв'язком, здатних регулювати в автоматичному режимі роботу зварювальних автоматів. Див. також Вібраційне (вібродугова) наплавлення,Високочастотна зварка,Вибухова зварка,Дифузійна зварка,Конденсаторна зварка,Термітна зварка,Електролітична зварка,Зварка пластмас, Зварка в космосі .
Літ.: Довідник по зварці, т. 1—4, М., 1960—71; Глізманенко Д. Л., Евсєєв Р. Би., Газова зварка і різання металів, 2 видавництва, М., 1961; Технологія електричної зварки плавленням, під ред. Би. Е., Патона, М. — До., 1962; Багрянський До. Ст, Добротіна 3. А., Хренов До. До., Теорія зварювальних процесів, Хар., 1968; Хренов До. До., Зварка, різання і паяння металів, 4 видавництва, М., 1973; Словник-довідник по зварці, сост. Т. А. Кулик, До., 1974.
