Методическая разработка внеурочного мероприятия по теме Сварка: покорение супер-стали

Методическая разработка внеурочного мероприятия в рамках проведения декады сварщиков

«Сварка: покорение суперстали»

(исследование проблем сварки при решении народно-хозяйственных задач)

Л.П. Гинц, преподаватель

Набережночелнинского

Политехнического колледжа

г. Набережные Челны РТ

Введение

Сваркой называют технологический процесс получения механически неразъемных соединений, обладающих свойствами свариваемых материалов. Это технологический процесс, с помощью которого изготавливаются железнодорожные мосты, вагоны, корабли, строительные металлоконструкции, крупные узлы машиностроения, автомобили и другие изделия. Многообразие свариваемых конструкций и свойств материалов, используемых для их изготовления, заставляют применять различные способы сварки, разнообразные источники теплоты.

Разнообразие способов сварки, отраслей промышленности, в которых ее используют, свариваемых материалов, видов конструкций и огромные объемы применения позволяют характеризовать сварку, как один из важнейших технологических способов в металлообработке.

Актуальность темы

Живой интерес вызывают исторические сведения об этапах развития сварочной технологии, о ее значении при решении народно-хозяйственных задач, о вкладе ученых - сварщиков, металлургов, металловедов в укрепление позиций нашей страны на мировом рынке.

В преддверие 70-летия Великой Победы в Отечественной войне 1941-1945 годов особую гордость испытываешь, когда знакомишься с неоценимым вкладом ученых-сварщиков в общую Победу над фашизмом.

Цель работы

• Познакомить слушателей (читателей) с новыми публикациями о научных открытиях в области использования сварки при решении народно-хозяйственных задач.

Задачи:

• Выбор и анализ научных статей по теме;

• Создание научно-популярного труда, готового к использованию при получении сварочных профессий и специальностей;

• Повышение интереса к выбранной профессии/специальности;

• Распространение знаний, способствующих развитию гордости за профессию, россиян и Россию.

Практическая значимость

Данная работа является готовым сценарием и может быть полезна педагогам и студентам СПО при изучении специальных дисциплин в группах сварщиков и техников сварочного производства, при проведении тематических классных часов, профессиональных декад, а также при проведении профориентационных встреч со школьниками города.

Основная часть.

Секрет булатной стали.

Дамасская сталь, булатный клинок - с этими названиями ассоциируется холодное оружие с удивительными свойствами: высокой прочностью, упругостью, гибкостью. В летописях рассказывается о непревзойденной остроте дамасских клинков и их необычайной гибкости, такой, что ими можно было опоясаться, согнув клинок в кольцо. Восхвалялся также необыкновенный цвет и узор клинка, от симметричных полос и уголков до растительных орнаментов и цветов.

Вот как описывается соревнование между английским королем Ричардом Львиное сердце и султаном Салах-ад-дином Юсуфом, которое произошло при вторжении крестоносцев на земли Халифата: «Король одним ударом меча разрубил железный брус, и на лезвии меча не осталось никакой зазубрины. Саладин же, подбросивши покрывало из тончайшего шелка, рассек его пополам». И сколько не старался Ричард сделать то же самое, ему это не удавалось, поскольку не было у него клинка из настоящей булатной стали. Соревнование было проиграно.

Как же получалась такая сталь? Почему воспроизвести булат до сих пор не удалось?

Булатная сталь дошла до нас из того времени, когда железо получалось простым, если не сказать примитивным способом: куски железной руды нагревали вместе с древесным углем, расплавляя и получалась крица - комки спеченного железа со шлаком, остатками руды и угля. Потом крицу прокатывали в горячем состоянии. При этом включения выдавливались, а частицы железа соединялись между собой, т.е. сваривались, образуя относительно плотный металл. Такое железо получило название «сварочного». Нагрев и ковку повторяли неоднократно, благодаря чему сварочное железо становилось чище и плотнее. Измельчение зерна придавало металлу дополнительную прочность.

Во многих музеях мира хранятся железные изделия, относящиеся к VIII-му веку до н.э. Среди них длинные лезвия мечей, сваренные из нескольких частей, клинки с наваренными накладными деталями рукояток, топоры, у которых обух сварен с рукояткой.

Еще больший интерес вызывают многослойные клинки, полученные с использованием кузнечной сварки, клинки, состоящие из чередующихся слоев мягкого железа и стали.

Удивительные узоры на полированной поверхности клинка говорят о том, что секрет булатных сталей скрывается в технологии ковки и кузнечной сварки. Очевидно, мастера получали булат многократной перековкой заготовки: сначала длинный тонкий пруток свивали в многослойную заготовку. Затем эту заготовку снова ковали и сваривали в новый брусок, повторяя эти операции по нескольку раз. Из этого же времени известен харалужный удар - мощный удар молотом с оттяжкой.

К 17-му веку ручное производство оружия сменилось мануфактурным, промышленным. Качество клинков стало заметно падать, а вскоре стало понятно, что секрет булатного клинка утерян.

Многие металлурги пытались распознать тайну булата. Из походов привозились образцы орудий. Переплавленные и вновь откованные клинки не повторяли своих свойств, значит, дело было не в составе стали. Металлографические микроскопы определили что булатная сталь содержит около 2% углерода и ни одного легирующего элемента. Такая сталь, действительно, была твердой и острой, но при этом и очень хрупкой. Как же древние получали упругость, позволяющую свернуть клинок в кольцо?

В начале 19-го века появляются паровые машины, паровозы, пароходы, строятся мосты. Их разрушения привели бы к массовым человеческим жертвам. Поэтому резко возрастает потребность в металлах с высокими механическими свойствами.

По поручению Лондонского королевского общества за исследование проблемы «булата - дамасска» взялся известный физик Майкл Фарадей. Привлекли известных ученых, использовали современные методы металлургии сплавов и способы их обработки. Но булат воспроизвести не удалось.

В России проблемой булатной стали занялся горный начальник Павел Петрович Аносов. Он впервые исследовал структуру стали через микроскоп и установил, что узоры на металле и его свойства зависят от кристаллического строения стали. По результатам своего исследования Аносов построил цикл производства высококачественной стали, разработал технологии ее выплавки и обработки и был очень близок к открытию тайны. Инженер-металлург Владимир Иванович Дятлов, ученик Аносова, рассказывает: «На установленный вертикально клинок длиной более метра бросали стальную болванку, лезвие сгибалось почти до пола, потом пружинило и отбрасывало тяжелый груз».

Закончить эту работу не довелось. Аносова переводят руководить другим промышленным комплексом - ставят главным начальником Алтайских заводов, а на его место назначают Павла Матвеевича Обухова, соратника Аносова и ставят перед ним новую задачу - получение крупных слитков для артиллерийских орудий. Нужны были мощные пушки, Россия вступила в войну с Турцией, началась крымская война.

Производство орудийных стволов отвлекли ученых от изготовления булатных клинков. Но важный вывод, что от величины зерна во многом зависят свойства металла, приблизил к решению загадки булата и решению будущих проблем сварки высокопрочных сталей.

Летописцы пишут, что Аносов свои секреты получения высококачественной стали передал лучшему ученику - Швецову, тот передал их сыну с заветом сообщить только «своим», т.е. старообрядцам, к которым принадлежали Швецовы. Сын, умерший в 1919 году, никому этого секрета не передал, что вполне объясняется историческими событиями - грянула революция.

Лишь после ВОВ, в 1948 г. при праздновании 150-летия со дня рождения Аносова было провозглашено, что тайна русского булата найдена. Однако на деле, сталь, полученная в эти годы, существенно отличалась от булата. Да и сегодня Златоустовские ножи и сабли не дотягивают до настоящего булата.

Сварка броневой стали для танков.

В 1937 г. В Бельгии через канал Альберта было сооружено несколько цельно сваренных мостов. Их широко рекламировали как перспективные образцовые сварные конструкции (в том числе и на обложке советского журнала «Автогенное дело»). А ранним зимним утром 1938 г. Пролеты мостов без нагрузки треснули и рухнули.

Через 6 лет сварка стала причиной катастроф транспортных судов США.

В это же время, созданная под руководством Е.О. Патона, автоматическая сварка броневых сталей заметно ускорила производство танков в СССР.

В начале 40-х годов на судостроительных предприятиях СССР применялась, в основном, ручная дуговая сварка. По сравнению с клепкой, которой немцы и американцы соединяли броневые плиты к обшивке сварного корпуса, это был прорыв, т.к. цикл строительства судна сократился почти в 10 раз. Но дуговая сварка, как и другие сварки плавлением, оказалась коварной технологией. Дело в том, что в швах и околошовной зоне возникали трещины.

Очень показательным был разлом на две части американского танкера «Schenectady» прямо в доке в янв. 1943 г. Цельносварной танкер так и не вышел в море.

Через 2 месяца при спокойном море у входа в нью-йоркский порт разломилось еще одно судно. Трещины и разломы выводили из строя корабль за кораблем. Суда тонули, не получая ни одной пробоины. Следственная комиссия не выявила каких-либо особых условий нагрузки, поэтому основной причиной сочла остаточные напряжения, неизбежные при сварке.

Причину этих катастроф разгадал Патон. Зарубежные специалисты, имевшие больший, по сравнению с нашим, «сварочный» опыт, не учли того, что при сварке протекают металлургические процессы, в шве и около швов происходят структурные изменения.

При клепке составом стали особенно не интересовались, но при сварке, не обращать внимание на это, было уже нельзя. Впервые Патон указал на эту особенность еще в 30-е годы XX в.

Шел период преддверия 2-й мировой войны. Военно-промышленные комплексы Германии, Америки, России усиливали внимание к варке брони. Необходимо было сохранить прочность металла, достигнутую в результате термообработки. Но толстые броневые плиты танков удавалось сварить только вручную.

Ускорить производство бронированных танков заставила Великая Отечественная война. НИИ под руководством Патона эвакуируют на Урал и там в октябре 41 года в цехах «Уралвагонзавода» был создан лучший танк Т-34. Однако, «узким» местом здесь оказались участки сварки бронекорпусов. Цеха были завалены броневыми плитами. Круглосуточно работали сотни квалифицированных сварщиков-ручников. Но они не справлялись с заказом фронта.

Патон направил усилия своего НИИ на поиск способа сварки под флюсом специальных, бронированных сталей. Первые проблемы появились сразу - при автосварке легированных закаленных сталей появились трещины.

Решение было найдено уже известным нам Дятловым, решение неожиданное и очень простое. Было предложено укладывать в разделку кромок низкоуглеродистую присадочную проволоку (автор. св. СССР 364057), в результате чего уменьшалось науглероживание, а значит охрупчивание, шва. Через 3 месяца был сварен первый пробный образец. Обстрел корпуса показал более высокую живучесть, чем у корпуса, сваренного вручную. Как писал Патон: «Наконец-то швы стали получаться без трещин. Мы гордимся, что советские танкостроители первыми в мире научились варить броню под флюсом. До самого конца войны у немцев не было автосварки танковой брони, а у американцев она появилась только в 1944 году».

Производительность такой сварки не шла ни в какое сравнение с прежней технологией: экономия электроэнергии - до 42%, замена одной сварочной установкой 10-14 человек. К 1944 году в стране такими установками оснастили уже 52 предприятия. В октябре 1944 года по этой технологии приступили к сварке танков с тяжелой броней, толщиной до 120 мм.

Но проблемы трещин в швах продолжали волновать Патона. Он понимал, использовать те же стали, что и для клепки, теперь нельзя. Необходимы были стали, специально изготовленные для сварных конструкций. Патон говорил о важности микролегирования, термомеханической обработки, он обнаружил вредное влияние сульфидных включений. Патон понимал, что качество сварки можно улучшить только в тесном союзе с металлургами и металловедами.

Целый ряд НИИ занялся проблемами создания хорошо сваривающихся специальных сталей для корпусных корабельных конструкций и атомных реакторов, для сварного мостостроения и судостроения. Вскоре была создана мостовая сталь М16С повышенной хладостойкости, стойкости против старения. Сварщики из команды Патона выдвинули требование - максимальное снижение в готовом прокате углерода, серы, фосфора и это требование правительство утвердило на государственном уровне (сегодня существует стандарт, согласно которому определено содержание серы и фосфора для конкретной стали).

Благодаря опыту сварки брони и появлению новых сталей в СССР была разработана специальная технология формирования цельно сваренных корпусов из секций массой до 150 т. Впервые бронеплиты приваривались и служили не только как защитные, но и как несущие конструкции.

В декабре 1948 г. был готов к спуску на воду первый бронированный крейсер, но неожиданно в сварных соединениях появились трещины. Специалисты обнаружили. Что состав и технология получения стали не соответствуют требованиям. Корпус порезали, а сваренный заново больше никаких дефектов не проявил. Так, благодаря созданию новой низколегированной свариваемой стали СХЛ-4 и методу автоматической дуговой сварки, стало возможно варить броневые плиты и собирать их в секции массой до 150 т.

Дятлов, Макара, Готальский, ученые - практики из команды Патона, объяснили факторы, способствующие получению высококачественных соединений сваркой плавления. Некоторые из них могут служить ключом к разгадке изготовления булата, основанной на древнейшей сварке - кузнечной. Можно предположить, что тонкие полоски из стали и почти чистого железа, сложенные в пакет, соединяли кузнечной сваркой, причем полоски железа можно рассматривать, как присадку бронеконструкции. В результате ковки образовывается мартенсит, который, как известно, имеет самые высокие прочностные характеристики. Также мощные удары молота перемещают молекулы и атомы (позднее это явление было названо массопереносом) и упрочняют кристаллическую решетку, т.к. уплотняют ее, а значит снижают количество дефектов структуры.

Ковка когда-то предлагалась Бенардосом как дополнение к дуговой сварке с целью повышения свойств сварного шва. Во время экспериментальных опытов швы упрочняли ударами молота, взрывом и т.д. Но реального применения эти опыты не наши.

Сварка подводных лодок.

Ежегодно в мире тонут десятки судов. Причиной катастроф чаще всего является недостаточная прочность их конструкции, а поскольку сварка в судостроении является одной из ведущих и завершающих технологий, то и ответ приходится держать сварщикам. Из прежних историй мы знаем, что сварщики должны работать над проблемами вместе с металлургами и металловедами.

Особое внимание судостроители уделяли подводным лодкам, т.к. помимо других нагрузок они подвергаются всестороннему объемному сжатию, растущему при погружении на каждые 10 м на 1 атм.

К металлу для судов предъявляются самые высокие требования: коррозионная стойкость, стабильность прочностных показателей по всему объему, и т.д. Для обшивки кораблей требовался толстый лист металла, но снизить содержание серы и фосфора металлурги долго не могли. Анализируя очищающее действие шлака инженер-металлург А.С. Точинский предложил увеличить площадь контакта шлака с готовой сталью. До сих пор, при мартеновской плавке, шлак, как более легкий, плавал на поверхности стали и контактировал, а, следовательно, и очищал малую поверхность. Точинский предложил при разливе стали в ковш сливать ее вместе со шлаком по возможности с большей высоты. Из раздробленных на отдельные капельки металла и шлака в ковше образовывалась шлакометаллическая эмульсия. Поверхность контакта стали и шлака увеличилась в стони раз, очищающее действие шлака резко повысило качество стали и количество вредных примесей было доведено до требуемых сварщиками значений.

Теперь дело стало за сварщиками. Требовались высокотехнологичные способы сварки. В НИИ Патона начинают разрабатывать серийные автоматы и специальные шланговые полуавтоматы для сварки под флюсом судовых конструкций. Для многопроходной сварки корабельных сталей был создан агломерованный флюс АНК-561.

К 60-м годам проблема строительства надводного флота, можно сказать, была решена, а вот дела со строительством подводных лодок шли менее успешно.

С каждым новым поколением подлодок возрастала глубина погружения, а это означало, что с добавлением каждых 10 м давление увеличивается на 1 атм. и нагрузка на 1 м² возрастает на 10 т. Поэтому для строительства подводных лодок требуется все более толстый металл с повышенными служебными характеристиками. А еще стране необходим был такой же металл для магистральных газопроводов, атомных реакторов и тяжелого машиностроения.

И пока такой металл не был найден, военный флот продолжал терпеть катастрофы. Неудачно сваренная подлодка США «Морская лисица» была опытным образцом нового класса, отличалась особыми обтекаемыми формами и была рассчитана на погружение до 330 м. Рассчитанная на продолжительность подводного похода в 200 000 км, она могла бы, не всплывая, 5 раз обогнуть землю. В апреле 1963 года в 8.00 лодка без вооружения, имея на борту 129 человек инженеров, техников и офицеров вышла на испытания в океан. В 9.20 на сопровождающем корабле был получен мощный ультразвуковой сигнал - корпус не выдержал давления, лодка развалилась на части и затонула. Экспертная комиссия, подняв обломки лодки констатировала низкое качество сварочных работ, особенно в труднодоступных местах, применение ручной сварки и низкое качество стали.

В марте 1968 г. гибнет советская подлодка тихоокеанского флота К-129, выполнявшая задачи по скрытому патрулированию. Она вышла в море с ядерными боеголовками торпедами. Радиолокацией было установлено, что возле нее во время похода крутилась американская подлодка «Меч-рыба», которая через некоторое время вошла в японский порт для ремонта и использовала для ремонтных работ только американский персонал. Это дало предположение, что американская подлодка протаранила К-129 (это был «обычный» случай американцев), нарушив целостность корпуса, и лодка с 98 членами экипажа затонула. Точное место гибели лодки нам было не известно, зато его хорошо знали американские противники. Более 2,5 месяцев Камчатская флотилия и авиация Северного флота искали нашу подлодку, но безрезультатно. Через 5 месяцев хорошо подготовленные специалисты США с помощью специально спроектированного батискафа попытались поднять лодку К0129 с 5000 метровой глубины. Но при подъеме, казалось бы, целой лодки, она вдруг разломилась и из открывшегося отсека вывалилась ракета с боеголовкой. Испугавшись, грабители быстро ретировались. Так недостаточная прочность сварных конструкций «обеспечила» сохранение тайны приборов, шифров, конструкции ракет.

Почему же лучшие по составу, прекрасно сваривающиеся корабельные стали оказывались причиной аварий и даже катастроф подлодок? В НИИ Патона пришли к выводу - все дело в технологии полуфабрикатов - в особенностях и возможностях литья и обработки давлением (совсем как при изготовлении булата).

Дело в том, что тонколистовая сталь прокатывается из крупных слитков, которые, казалось бы, абсолютно пригодны для получения высококачественного проката, т.к. во время плавки такая сталь подвергается всевозможной обработке. Однако, особенности традиционной металлургии таковы, что чем толще прокат, тем ниже его пластичность, вязкость, сопротивление нагрузкам. Кроме того, эти свойства оказывались неодинаковыми по толщине. Согласно дендритному строению слитка химическая неоднородность и неметаллические включения располагаются вдоль удлиненных кристаллов и при прокатке образуют непрочную слоистую структуру.

Революционную идею улучшения структуры будущего слитка предположил инженер Н.Т. Гудцов - перед заливкой вводить в изложницу макрохолодильники в виде металлических стержней или полос. Этот прием лег в основу создания принципиально нового класса металлических материалов -армированных квазимонолитных металлов - АКМ. Холодные вкладыши способствовали быстрой кристаллизации и образованию однородной мелкой структуры, препятствовали развитию внутренних полостей и пустот. А при последующей прокатке лист из такого слитка очень напоминал многослойный клинок из булатной стали. Так была решена проблема подводных лодок, их надежности, живучести, запаса плавучести.

Сегодня спустя 50 лет Россия имеет подводные ракетоносцы 3-го поколения, современное торпедное вооружение, атомные подводные крейсеры и все это благодаря открытиям НИИ Патона.

Сварка паровых котлов.

История теплоэнергетики насчитывает несколько тысячелетий. С середины XVIII века энергию пара используют для работы насосов, наземного и водного транспорта, привода машин и выработки электроэнергии. Ученые-теплотехники старались увеличить параметры пара и производительность котлов. Но пока паровые котлы были малой мощности (давлением до 0,5 МПа), изготавливались они клепкой. И хотя преимущества сварки к началу XX века было уже доказано, применять новые технологии в России не спешили.

Но страна развивалась, в новой социалистической России был принят план ГОЭЛРО, стране стали нужны мощные прямоточные котлы, которые клепаных соединений не выдерживали.

Сам В.И.Ленин обратился за помощью к высококлассному специалисту - теплотехнику Л.К.Рамзину. Приняв руководство вновь созданного Теплотехнического института, Рамзин с командой создает новейшее энергетическое оборудование, проектирует тепловые станции, работает над использованием низкосортного топлива. Впервые в 1931 г. Рамзин предлагает и сварку водогрейных котлов. Ему принадлежит уникальная разработка - прямоточный паровой котел высокого давления, работающий на любом топливе, конструкция которого известна во всем мире как «система Рамзина».

Как и многие советские выдающиеся инженеры Рамзин не избежал ареста по доносу, был приговорен к расстрелу, который позже заменили на 10 лет тюрьмы. Именно там он создал первую в стране «шарашку», где политзаключенные, техническая интеллигенция, продолжала работать над проблемами теплоэнергетики.

Правительство поставило задачу: разработать котел с высокой паропроизводительностью, способный работать на торфе и дровах. Это было серьезное задание. В стране еще не было таких мощных котлов, да и сварка, как способ соединения массово еще не применялась. Рамзин заменил клепаные соединения сварными: ручной дуговой и контактной стыковой сваркой изготовили все основные узлы котла: радиационные витки, конвекционные и экономайзерные пакеты, секции вторичного перегревателя. В 1933 году первый промышленный образец котла производительностью 200 т/час с давлением 14 МПа прошел испытание и был рекомендован к массовому производству.

Однако и тут возникли серьезные проблемы: для массового производства таких котлов потребовались специальные стали, технологии сварки, новое сварочное оборудование и сварочные материалы.

В 30-е годы XX века десятки лабораторий работали в этом направлении, но удовлетворить требования научно-технического прогресса можно было только совместными усилиями сварщиков, металлургов и металловедов.

В 1932 г. академик Всеукраинской электросварочной лаборатории, известный мостостроитель Евгений Оскарович Патон впервые в мире разработал комплексную программу развития сварочного производства. Во времена ВОВ Патоном и его сотрудниками успешно решались задачи сварки танковой и судовой брони, был создан отечественный способ дуговой автоматической сварки под флюсом.

С окончанием войны стало понятно, что надо восстанавливать разрушенную промышленность и Патон для своего НИИ определил конкретную проблему - теплоэнергетика, в частности, котлостроение. Патон понимал, что на металл действуют различные разрушающие факторы - высокая температура, давление пара, длительность работы. Все это влияет на качество сварных швов.

В своем труде «Сварка в мире будущего» Патон пишет: «По мере прогрессы в энергетике будут возрастать требования к надежности оборудования. Значит, придется создавать специальные материалы и технологии их изготовления. Растут наукоемкие технологии, в т.ч. сварка, наплавка, напыление. И решая их надо учитывать все факторы: и способы сварки, и получение сварочных материалов, и создание рациональных сварочных конструкций. Только так мы сделаем безопасной эксплуатацию ответственных сварных изделий».

В 60-70 годы на смену конструкционным материалам с удовлетворительной свариваемостью приходят теплоустойчивые, жаростойкие, жаропрочные высоколегированные стали с пределом текучести до 950 МПа(!). Задачей сварщиков становится - обеспечить такие материалы надежными сварными соединениями.

В конце XX века появились новые сплавы для работы газотурбинных двигателей, стационарных энергетических установок, реактивных и редчайших ракетных двигателей, эффективность работы которых повышается только с ростом температуры. Металлурги и металловеды создали для таких конструкций многокомпонентные жаропрочные суперсплавы на основе интерметаллидов: никель - алюминий, титан - алюминий, нетрадиционные сплавы с рутением, ниобием. Проблемы сварки обнаруживались с появлением каждого нового вида сплава. Многие из этих проблем удалось решить, когда в НИИ им. Патона была разработана технология однопроходной электронно-лучевой сварки с предварительно облицованными кромками чистым сварочным материалом путем электро-дуговой наплавки.

Сегодня проблемой глобального масштаба является критический возраст оборудования электростанций, которые были запущены 50-60 лет назад. Половина энергоблоков изношена, сварщикам предстоит решить и эту задачу. Специалисты считают замену поврежденных узлов недостаточно эффективной и предлагают ремонтировать оборудование применяя сварочные технологии.

Список источников информации

1. «Сварщик в России» инф.-тех. журнал № 4,5,6 за 2012 г, № 1, 3 за 2013 г.

2. Бережнова Е.В. «Основы учебно-исследовательской деятельности», М, Академия, 2012 г.

3. Венецкий С.И. «Рассказы о металлах», М, Металлургия, 1975 г.

4. Вишневецкий Ю.Т. «Материаловедение», М, «Дашков и К^о», 2013 г.