статья Физика в твоей профессии. Профессия сварщика.
статья

Сапогова Евгения Дмитриевна

преподаватель физики

ГБПОУ МО «Раменский колледж»

Московская область

г.Раменское

Физика в твоей профессии.

                                              Профессия сварщика.

Твоя будущая профессия – сварщик. Как сварщик, ты должен будешь уметь подготавливать металл, собирать изделие, владеть приёмами и выбирать технологию сварки, а также эксплуатировать сварочное оборудование. Сегодня выясним, насколько важно знать законы физики при выполнении сварочных работ.

Для начала определим, что такое сварка. Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами и молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Разумеется, каждый квалифицированный рабочий должен понимать, что в основе данного процесса лежит теория строения вещества. В частности- теория строения металлов.  Известно, что кристаллические решетки металлического типа содержат в узлах положительно заряженные ионы и нейтральные атомы; между ними передвигаются относительно свободные электроны.

Особым строением кристаллической решетки объясняются общие физические свойства металлов, а именно:

• Пластичность – это способность изменять форму при ударе, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы.
• Блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Это связано с взаимодействием свободных электронов с падающими на металл квантами света.
• Электропроводность. Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. Также необходимо учитывать, что при нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение "электронного газа".
• Теплопроводность. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность у висмута и ртути.
• Твердость. Самый твердый металл – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.
• Плотность.
• Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть, самый тугоплавкий металл – вольфрам.

Примечательным является тот факт, что сварка как явление была открыта в самом начале 19 века русским академиком – Петровым Василием Владимировичем. Именно он открыл такой эффект, что, при пропускании через два угольных стержня электричества, между ними возникает электрическая дуга высокой температуры.

Именно с этого периода стали применять сварочный электрод – изделие из электропроводного материала, предназначенного для подвода тока к сварочной дуге.

При этом принцип работы сварочного трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции, что позволяет преобразовать переменное напряжение сети в переменное напряжение для сварки. Напомню, что электромагнитная индукция – это явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Именно в результате этого порождается индукционный ток во вторичной обмотке трансформатора.

Таким образом, знание физических законов, умение применить их на практике дает возможность детально вникнуть в технологию сварочного производства и стать профессионалом в своем деле, востребованным на рынке труда.  

 Мерилом мастерства древних зодчих считалось умение построить здание без единого гвоздя. Тогда в ходу были дерево и топор, а как поступают современные умельцы в наш "железный" век? Без болта и заклепки они возводят небоскребы, мосты, плотины, туннели и трубопроводы. Одним из самых надежных и долговечных способов крепления является электросварка. Быстрота, экономичность и прочность - вот главные преимущества, которые позволили ему получить широкое распространение не только в промышленности, но и в быту. Электросварка - это ведущий вид сварки в нашей промышленности. Сваркой называется неразъемное соединение двух или более деталей, с помощью электрического тока присадочного материала (электрод). На протяжении многих десятилетий сварку улучшали и совершенствовали, пока, наконец, она прочно не вошла в нашу промышленность.

             С применением сварки создаются серийные и уникальные машины. Сварка внесла коренные изменения в конструкцию и технологию производства многих изделий. При изготовлении металлоконструкций, прокладке трубопроводов, установке технологического оборудования, на сварку приходится четвертая часть всех строительно-монтажных работ. Основным видом сварки является дуговая сварка.

  Основоположниками сварки являются русские ученые и инженеры – В.В. Петров, Н.Н. Бенардос и Н.Г.Славянов.

Явление дугового разряда было открыто в 1802 крупнейшим русским физиком В. В. Петровым, который наблюдал дуговой разряд от построенного им мощного «вольтового столба». Этот столб или батарея был самым мощным источником электрического тока того времени. Опубликованная им в 1803 г. книга содержит не только описание самого явления, но также прямые указания на возможность расплавления металлов электрической дугой. Честь и заслуга изобретения и разработки способов дуговой электросварки принадлежит русским инженерам - Н. Н. Бенардосу и Н. Г. Славянову.

Бенардос в 1882 г. изобрёл «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока». Этот способ, названный им «электрогефест», в 1885—86 был запатентован в России, Франции, Бельгии, Великобритании, Германии, Италии, США и в других странах. Сварка металлов осуществлялась Бенардосом электрической дугой, образованной между концом угольного электрода, укреплённого в электродержателе, и свариваемым изделием; источником тока служили мощные аккумуляторные батареи.

 При необходимости вводился присадочный металл-пруток. Бенардосу принадлежат также идеи сварки металлическим электродом, сварка на переменном токе и многие другие. Он изобрёл способ   сварки  «косвенно   действующей дугой, горящей между двумя или несколькими электродами» 1 (рис. 1),— электромагнит 2 здесь служит для выдувания дуги в острый факел; сварку в струе защитного газа; несколько систем автоматов для дуговой электросварки; дуговую резку под водой.

Другой русский изобретатель - Славянов, разработал способ дуговой сварки металлическим электродом с защитой сварочной зоны слоем порошкообразного вещества, то есть флюса, и первый в мире механизм для полуавтоматической подачи электронного прутка в зону сварки.   Способ сварки плавящимся металлическим электродом получил название «дуговая сварка по способу Славянова».  Изобретения Бенардоса и Славянова нашли заметное применение по тем временам, и в первую очередь на железных дорогах, а затем на нескольких крупных машиностроительных и металлургических заводах России.

Однако, несмотря на первоначальные успехи русских изобретателей в деле разработки и внедрения дуговой сварки, к началу XX века страны Европы опередили Россию.

Только после революции 1917г. сварка получила интенсивное развитие.  В нашей стране  тогда впервые в мире были разработаны новые высокопроизводительные виды сварки: это электрошлаковая, в углекислом газе, диффузная и другие. Фундаментальные исследования по разработке новых процессов и технологии сварки проводятся в ряде научно-исследовательских организаций, на крупных предприятиях.

 На современном этапе развития сварочного производства в связи с развитием научно-технической революции резко возрос диапазон толщин свариваемых материалов. В настоящее время сваривают материалы толщиной от несколько микрон (в микроэлектронике) до нескольких метров (в тяжелом машиностроении).

Сварка применяется практически во всех отраслях - в промышленности, строительстве, на транспорте. О современных масштабах ее использования свидетельствует тот факт, что более половины валового национального продукта страны получают с привлечением сварочных и родственных им технологий. Всего разработано более 100 видов сварки. С ее помощью удается соединять любые металлы и сплавы, пластмассы, керамику, стекло; создаются серийные и уникальные машины. Сварка внесла коренные изменения

В конструкцию и технологию производства многих изделий. При изготовлении металлоконструкций, прокладке трубопроводов, установке технологического оборудования, на сварку приходится четвертая часть всех строительно-монтажных работ. В нашей стране используются очень много видов сварки: автоматическая сварка под флюсом, электрошлаковая сварка, газовая, световая, термитная, контактная, диффузионная, газопрессовая сварка и многие другие виды. В зависимости от характера и интенсивности сварочных работ и размеров свариваемых деталей выпускают большой ассортимент оборудования с различными техническими характеристиками, однако две из них обязательны для аппаратов бытового потребления. Первая - это максимальный сварочный ток, вторая - время, на протяжении которого в 10-минутном рабочем цикле этот ток вырабатывается. Например, аппарат, рассчитанный на 120-амперный ток при   60 %-ном рабочем цикле, должен обеспечивать 120 А в течение не более 6 минут из каждых 10 минут эксплуатации. Остальные 4 минуты отведены на режим холостого тока, при котором аппарат отдыхает.

Сваркой взрывом можно соединить между собой практически все металлы или сплавы, используемые в промышленности, с высокой прочностью соединения слоев. Сваркой взрывом соединяют между собой плоские или цилиндрические заготовки. Основные размеры заготовок зависят от свойств металлов или сплавов, из которых они изготовлены.

Разработан новый вид сварки взрывом для получения тонколистовых заготовок биметаллов или многослойных металлических материалов, позволяющий получать прочное соединение между металлами или сплавами на площади до сотен квадратных метров. При этом заготовка представляет собой биметалл, свернутый в многовитковой рулон высотой 0,5-1,5 метра и длиной от одного до нескольких десятков метров в зависимости от толщины свариваемых металлов или сплавов. Толщины соединяемых металлов от 0,1 мм до 2 мм. Было замечено, что при взрывах разлетающиеся куски металла, ударяясь об окружающие металлоконструкции, иногда прочно привариваются к ним. Проведенные исследования позволили создать промышленно пригодный способ сварки взрывом. Сущность его состоит в том, что привариваемая или ударяющая деталь с большой скоростью бросается к ударяемой детали. Скорость движения ударяющей детали должна к моменту соударения достигать нескольких сотен метров в секунду, приближаясь к скорости снаряда огнестрельного оружия. В зоне соударения металл соединяемых деталей течет подобно жидкости и сливается в одно целое, образуя монолитное соединение.
 Ударяемая неподвижная деталь может иметь любую массу; при недостаточности массы детали ее укладывают на массивное основание, - увеличение массы ударяемой детали улучшает использование энергии взрыва. Одни из наиболее известных применений сварки взрывом - изготовление биметаллических заготовок.         Применение сварки взрывом, конечно, требует строгого соблюдения правил техники безопасности и хранения взрывчатки. Сварка взрывом достаточно удобна для изготовления отдельных изделий сравнительно простой формы; регулирование процесса сварки возможно лишь приблизительное, так как результат зависит от плотности взрывчатки, равномерности ее размещения и прочих параметров, поддающихся лишь приблизительному регулированию. Для серийного и массового производства небольших деталей иногда более удобным может оказаться способ магнитно-импульсной сварки, во многом подобной сварке взрывом.

Литература:

1. Письмо Департамента государственной политики в сфере подготовки рабочих кадров и ДПО Минобрнауки России от 17.03.2015 № 06-259 «Рекомендации по организации получения среднего общего образования в пределах освоения образовательных программ среднего профессионального образования на базе основного общего образования с учетом требований федеральных государственных образовательных стандартов и получаемой профессии или специальности среднего профессионального образования».
2. Федеральный закон от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» (в ред.от 25.06.2012, с изм. от 05.03.2013) // СЗ РФ. — 2002. — № 2. — Ст. 133.
3. Дмитриева В. Ф., Васильев Л. И. Физика для профессий и специальностей технического профиля: методические рекомендации: метод.пособие. — М., 2010.