История развития сварки в авиастроении

В 1939 г. И. И. Сикорский (фирма «Юнайтед эйкрафт энд транспорт», США) создал экспериментальный вертолет. Так спустя почти три десятилетия была продолжена работа выдающегося украинского авиаконструктора, поднявшего еще в 1910 г. в Киеве свой первый винтокрылый аппарат. В 1941 г. по заказу армии США И. И. Сикорский спроектировал двухместный вертолет связи и наблюдения, который был первым в мире вертолетом, запущенным в крупносерийное производство, и единственным вертолетом стран антигитлеровской коалиции. Все основные несущие элементы конструкции были сварными.

Ручную дуговую сварку электродами с качественным покрытием применяли для соединения стальных деталей и узлов вертолетов и самолетов. Так, фюзеляж истребителя «Вэлиент», выпускавшегося фирмой «Валти эйркрафт», собирали из 410 частей: 110 отрезков хромомолибденовых трубок, 295 угольников, кронштейнов и фитингов из хромомолибденовых листов и т. д. Для того чтобы ускорить процесс изготовления самолета, в 1941 г. было предложено увеличить диаметр применяемых электродов; была создана поточная линия с кантователями, упрощена конструкция фюзеляжа. Эти мероприятия позволили сократить затраты на сварку в 1942 г. (но сравнению с 1940 г.) с 58 до 23 чел.-ч. Еще до вступления США в войну здесь начался интенсивный поиск рациональной технологии сварки сплавов, применяющихся и намечаемых к использованию в авиации.

Особое внимание уделяли сварке алюминиевых сплавов. В 1939 г. была отработана и внедрена на ряде авиастроительных заводов точечная контактная сварка, основанная на способе конденсаторной сварки, разработанном фирмой «Сиаки бразерс» в 1933 г.

В период развития военного авиастроения был создан новый способ дуговой сварки в защитных газах. В 1940 г. Р. Мередит из фирмы «Норрон эйркрафт» занимался разработкой технологии сварки узлов самолетов, изготовленных из магниевых сплавов. Ему помогали специалисты из фирмы «Доу кемикл». Были испытаны способы газоэлектрической сварки: атомно-водородной (И. Ленгмюра), в аммиачной среде (П. Александера), «гелиарк» Ф. К. Дьсрса и Г. Хобарта. Однако достигнуть удовлетворительного качества при сварке плавящимся электродом не удавалось — дуга горела неустойчиво, часто случались прожоги. Вполне удовлетворительные результаты были получены Р. Мередитом при использовании не плавящегося толстого вольфрамового электрода. Дуга при обратной полярности в среде гелия и аргона горела стабильно. В процессе сварки применяли присадку в виде магниевой проволоки. Впервые способ дуговой сварки вольфрамовым электродом в инертных газах был применен для изготовления сидений из легких сплавов для военных самолетов. Вскоре процесс был переведен на питание переменным током, а диаметр электрода уменьшен. Совершенствовалась конструкция горелки, увеличилась допустимая сила тока (от 75 до 500 А).

Контактную сварку начали применять в авиастроении еще до Первой мировой войны, в частности, для изготовления самолетных двигателей (фирма «Фиат», Италия и др.). В 1928 г. фирма «Стаут метл эйрплэйн» (отделение фирмы «Форд Мотор») использовала контактную сварку на линиях изготовления конструкций из дюралюминия. В начале 1930-х гг. фирма «Алюминиум корпорейшн оф Америка», объединившись с «Арми зйр корпс» и Бюро по аэронавтике, провела серию статических и усталостных испытаний на образцах, а затем и на натурных моделях с целью определения возможности применения контактной сварки конструкций из легких сплавов. Специалистами ряда организаций (Института Баттели, Колумбус; фирмы «Нертрои» и др.) были разработаны технология и оборудование, которые использовали в производстве фирмы «Дуглас», «Боинг» и «Сикорски». В1935 г. в США был изготовлен цельносварной монолитный балочный фюзеляж.

В 1944 г. фирма «Локхид эйкрафт» освоила производство истребителя - бомбардировщика - 38, развивавшего скорость 400 миль/ч. При его изготовлении в большом объеме применяли точечную и шовную сварку (рис. 116, 117). Во время войны в США делались попытки усовершенствовать грузовые транспортные самолеты. Фирмой «Билд мэньюфэкчуринг» (Филадельфия) был сварен самолет из нержавеющей стали, призванный показать, что качество подобного изделия лучше, чем клепаных алюминиевых конструкций, а трудоемкость изготовления — ниже.

Подобные конструкции появились и в Европе, например, полностью металлический самолет «G18—Fiat» (Италия) (рис. 118).

В 1940 г. на самолете «Эйркобра» фирмы «Белл эйркрафт» можно было насчитать 13,5 тыс. сварных точек. Необходимость ускорить производство военной техники вынудила применять сварку еще шире. Так, в 1943 г. на истребителях «Мустанг» и «Вайлдкэт» (фирм «Норт Америкэн» и «Де Грумманн») насчитывалось уже соответственно 30 и 50 тыс. сварных точек. Аналогичные технологии начали применять в авиастроении и другие страны. Было подсчитано, что при переходе на сварку в самолете массой 4 т. где обычно требовалось поставить до 100 000 заклепок по 112,5 мг каждая, достигается экономия по массе примерно 10%. При этом улучшаются аэродинамика, герметичность и коррозионная стойкость, а длительность изготовления всей конструкции сокращается на 60%.

Сварка сыграла большую роль в производстве и другой военной техники, а также боеприпасов. В частности, с помощью электрозаклепок, выполняемых дуговой автоматической сваркой голой проволокой под флюсом, было ускорено изготовление орудийных щитков, а следовательно, и производство зенитных и противотанковых пушек.

В конце Второй мировой войны человечество узнало об абсолютно новом оружии — атомном. Конечно, в изготовлении атомных бомб тоже не обошлось без сварки. Научная статья, опубликованная спустя полгода после трагедий Хиросимы и Нагасаки, напоминала рекламу: «Изготовление атомной бомбы было ускорено с помощью сварки». Корпуса атомных бомб представляли собой сварную обечайку — цилиндр, к которому приварено днище. Внутри располагались четыре контейнера. Корпус изготавливали из стальных листов толщиной 6 и 8 мм. Стыковые соединения собирали с зазором на остающейся стальной подкладке толщиной 12 мм. Продольные и кольцевые швы выполняли автоматической сваркой под флюсом за два прохода электродной проволокой диаметром 4 мм. Скорость сварки составляла 1 м/мин, сварочный ток — 650 А, напряжение дуги 31 В. Оборудование и технология были разработаны фирмой «Линкольн электрик» (Кливленд, Огайо). Основные требования, предъявлявшиеся к сварным соединениям, — полная герметичность и минимальные деформации. Применение автоматической сварки под флюсом сократило срок изготовления корпусов бомб на 30 дней по сравнению с теми сроками, которые планировали при других технологиях.

Через шесть дней после высадки десанта союзников в Нормандии, 12 июня 1944 г., Германия начала бомбардировки Лондона и других городов Великобритании самолетами-снарядами «Фау-1». Это секретное оружие нацистов представляло собой цельносварной цельнометаллический моноплан (длина фюзеляжа 7,6 м, длина крыла 5,3 м), способный нести от 600 до 750 кг взрывчатки на расстояние до 255 км со скоростью до 540 км/ч. В течение следующих трех месяцев было запущено около 8000 таких «летающих бомб», и 2300 из них упали на Лондон, причинив серьезные разрушения зданий и вызвав многочисленные жертвы среди мирного населения.

Массовое производство «Фау-1» (рис. 119) стало возможным благодаря применению сварки. Обтекатель и обшивку корпуса изготавливали из алюминиевых сплавов. Контейнер для взрывчатки представлял собой усеченный конус из низкоуглеродистой стали длиной 1,2 м и диаметром 0,6 и 0,8 м. Топливные баки турбореактивного двигателя были размещены в крыльях, повторяя их форму. Ответственной сварной деталью были два шарообразных баллона для сжатого воздуха, необходимого для работы двигателя. Баллоны диаметром 50 см, как и баки для топлива, изготавливали из стали толщиной 3 мм, кольцевой шов выполняли ручной дуговой сваркой. Интересно отметить, что баллоны, плотно обмотанные в три слоя проволокой (рояльными струнами диаметром 1,5 мм), выдерживали давление до 225 атм. Конструкции фюзеляжа, крыльев, стабилизатора и др., состоявшие из каркаса и обшивки, изготавливали из низкоуглеродистой стали с помощью точечной сварки, в основном ручными клещами.

Следует отметить, что сварку применяли не только для изготовления вооружений. Так, в начале войны в США было осуществлено рекордное по протяженности и по количеству сварных соединений строительство газопровода из труб диаметром 529 мм. Кроме кольцевых швов, ручной дуговой сваркой выполняли во всех пространственных положениях швы мостовых переходов, опор, кронштейнов, мачт. На протяжении 2024 км трубопровод прошел по территории пяти штатов, пересекая 300 шоссейных и 62 железных дороги, 67 горных и 24 равнинных реки (в том числе и Миссисипи). Через семь рек трубопровод перекидывали по воздуху — клали на люльки, подвешенные к паре тросов из стальной оцинкованной проволоки. Тросы крепили на сварных опорах, установленных на берегах. Сложные операции по прокладке труб на переходах, через болота и по дну рек благодаря сварке удалось осуществить за 9 месяцев (фирмы «Питтсбург де моэн стил», «Линде эйр продакс» и др.). По трубопроводу при давлении 50 атм. транспортировалось около 5,7 млн куб. м метана в день.

 

Высокую надежность и работоспособность сварных соединений обеспечивает аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом. Много ценных сведений и рекомендаций по технике аргонодуговой сварке ранее представили Багрянский К. В., Бродский А. Я., Глизманенко Д. Л., Гуревич С. М., Клячкин Я. Л., Кузьмин Г. С., Макаров В. И., Мальстрем А. И., Медовар Б. И., Оботуров В. И., Петров Г. Л., Руссо В. Л., Скачков Ю. И., Третьяков Ф. Е., Чернаков Ф. А., Шоршоров М. Х. и др. авторы.
Аргонодуговой сваркой (АДС) называется процесс образования неразъемного соединения металлических деталей в результате их местного расплавления дугой, горящей в среде аргона с образованием обшей сварочной ванны, её последующей кристаллизацией и формированием сварного шва.

Идея дуговой сварки неплавящимся угольным электродом и газовой защиты сварочной ванны была предложена Николаем Николаевичем Бенардосом в 1882 году. В 1886 году 31 декабря он получил русский патент (привилегию) за № 11982 под наименованием «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока» или, как называл его автор, «Электрогефест».
Впервые способ электродуговой сварки был применен Н. Н. Бенардосом для соединения свинцовых пластин аккумуляторов. Совершенствуя способ дуговой сварки угольным электродом, Н. Н. Бенардос создал комбинированный электрододержатель с соплами для подачи светильного газа и кислорода. Это устройство и послужило прообразом современной горелки.

В 1920 году Г. М. Тихомиров применил в качестве защитной среды метанол CH₃OH, но способ сварки не получил распространения из-за образования газовых пор в шве.
1925 году американский ученый-физик Лэнгмюр осуществил сварку косвенной дугой с помощью вольфрамовых электродов с защитой водородом. В начале 40-х годов в США была разработана сварка вольфрамовым электродом в инертных газах. В конце 40-х годов сварка в инертном газе вольфрамовым электродом была разработана в НИАТ. Промышленное применение этого способа в нашей стране началось в 1948 году с развитием авиационной и ракетной техники для сварки алюминия и титана. Отечественная аппаратура и технология сварки были разработаны сотрудниками НИАТ - лауреатами Государственной премии 1950 года: А. Я. Бродским, В. А. Верченко, В. В. Дьяченко, О. В. Мешковой, А. В. Петровым, Ф. Е. Третьяковым.

Типы сварных соединений приведены в ГОСТ 14771-76 «Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры» и ГОСТ 16037-80 «Соединения сварные стальных трубопроводов. Основные типы, конструктивные элементы и размеры».

Ниже показаны схема TIG-сварки, положение горелки при сварке алюминия и температурное поле дуги.

 

Начало формы

Конец формы

 

Классификация дуговой сварки
по технологическим признакам

В соответствии с ГОСТ 19521-74 "Сварка металлов. Классификация", дуговая сварка классифицируются:

• по виду электрода;
• по виду дуги;
• по характеру воздействия дуги на основной металл;
• по роду сварочного тока;
• по наличию и направлению колебаний электрода относительно оси шва;
• по полярности сварочного тока;
• по количеству дуг с раздельным питанием тока;
• по количеству электродов с общим подводом сварочного тока;
• по наличию внешнего воздействия на формирование шва.
• В настоящее время различают более 150 видов сварочных процессов. ГОСТ19521-74 устанавливает классификацию сварочных процессов по основным физическим, техническим и технологическим признакам.
• Основой физических признаков классификации является форма энергии, используемой для получения сварного соединения. По физическим признакам все виды сварки относят к одному из трех классов: термическому, термомеханическому и механическому.
• К термическому классу относят все виды сварки плавлением, осуществляемые с использованием тепловой энергии,— газовую, дуговую, электрошлаковую, электронно-лучевую, лазерную, плазменную и др.
• К термомеханическому классу относят все виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления - контактную, диффузионную, газопрессовую и дугопрессовую, кузнечную и др.
• К механическому классу относят все виды сварки давлением, осуществляемые с использованием механической энергии - холодная, трением, ультразвуковая, взрывом и др.
• К техническим признакам классификации сварочных процессов относят способы защиты металла в зоне сварки, непрерывность процесса и степень его механизации.
• Технологические признаки классификации устанавливаются для каждого вида сварки отдельно. Например, вид дуговой сварки может быть классифицирован по следующим признакам: виду электрода, характеру защиты, уровню автоматизации и т. п.

Классификация дуговой сварки

ДУГОВАЯ СВАРКА

По количеству электродов с общим подводом сварочного тока

По виду дуги

По количеству дуг с раздельным питанием тока

По полярности тока

По наличию и направлению колебаний электрода

Одноэлектродная

Свободной дугой

Однодуговая

Током прямой полярности

Без колебания электрода

Двухэлектродная

Сжатой дугой

Двухдуговая

Током обратной полярности

С поперечными колебаниями электрода

Многоэлектродная

Многодуговая

С продольными колебаниями электрода

По наличию внешнего воздействия на формирование шва

По характеру воздействия дуги на основной металл

По роду сварочного тока

С принудительным формированием шва

Со свободным формированием шва

Дугой косвенного действия

Постоянным током

Со сложными колебаниями электрода

По характеру внешнего воздействия на формирование шва

Трехфазной дугой

Пульсирующим током

По частоте тока

С односторонним принудительным формированием шва

С двусторонним принудительным формированием шва

Дугой прямого действия

Переменным током

Токами промышленной частоты

По степени погружения дуги в сварочную ванну

Нормальной дугой

По виду электрода

Погруженной дугой

Токами повышенной частоты

Плавящимся электродом

Неплавящимся электродом

По виду плавящегося электрода

По виду неплавящегося электрода

По применению присадочного металла

Штучным электродом

Ленточным электродом

Проволочным электродом

Металлическим электродом

Без присадочного металла

По виду ленточного электрода

По виду проволочного электрода

Неметаллическим электродом

С присадочным металлом

Лентой сплошного сечения

Проволокой сплошного сечения

Порошковой лентой

Порошковой проволокой

(function(w, c) { (w[c] = w[c] || []).push(function() { try { w.yaCounter494258 = new Ya.Metrika(494258); yaCounter494258.clickmap(true); yaCounter494258.trackLinks(true); } catch(e) {} }); })(window, 'yandex_metrika_callbacks');
Классификация процессов сварки металлов по виду энергоносителя
Классификация сварки металлов по техническим признакам
Классификация сварки металлов по физическим признакам

 

 

.