Изобретатели железного шитья

Электросварка возникла в России. Одним из ее создателей был Николай Николаевич Бенардос. Он родился в 1842 году в семье, где наследственной профессией было военное дело. Однако Николай изменил семейным традициям. В 1862 году он поступает на медицинский факультет Киевского университета. Но не медицине, а беспокойной судьбе изобретателя была отдана его жизнь.

Он изобретает бесконечно много. Более ста изобретений было сделано им за сорок лет, начиная с 1865 года. Не многим удается прибавить столько к сокровищнице человеческого знания, опыта и умения. Однако самым крупным его изобретением был «электрогефест» – электродуговая сварка металлов.

Современником и продолжателем дела Бенардоса был Николай Гаврилович Славянов.

Главным в изобретениях Славянова было применение электрода из того металла, из которого состоят свариваемые предметы. Он назвал свое изобретение «способом электрической отливки металлов», и сварку он представлял как процесс заполнения подготовленных ванночек расплавляемым металлом электрода. Он ввел подогрев деталей для улучшения качества шва. Он широко ввел в сварку шлак.

В 1927 году инженер Д. А. Дульгевский предложил сварку под слоем порошкообразных материалов. Это было продолжением мыслей Славянова.

Волшебная это вещь – электросварка! Сварщик держит в руках металлический стержень. В нем как будто ничего особенного. Но вот стержень приблизился к кромке свариваемого металла, и электрическое солнце запылало под руками мастера. Чтобы не ослепить себя блеском этого солнца, чтобы не обжечь им лицо, сварщик надевает темные очки, заслоняется черным щитом. Но всего удивительнее результат: два куска металла сшивает ровная металлическая строчка, как игла умелой швеи соединяет два куска ткани.

Где только не увидишь сегодня этих металлических швов! И вагоны метро, и мосты, и подъемные краны, и металлические каркасы высотных зданий сшиты умелыми руками электросварщиков.

В электрической дуге, вспыхивающей на конце электрода, температура достигает 2400–2600 градусов. В ее пламени плавится металл стержня и изделия.

Расплавленный металл заполняет сварочную ванну – углубление, в котором и идет в соответствующий момент сварка. По мере перемещения дуги металл застывает, образуя шов. О том, как быстро идет расплавление металла, может дать представление такая цифра: нормальный электрод длиной в 450 мм расплавляется за 2 минуты. Шов высотой в 6 мм за минуту вытягивается на 12 см.

Ученые подсчитали, что для заклепочного соединения площадью в 56 кв. см, воспринимающего усилие в 62 тонны, надо поставить 11 заклепок. Для этого надо затратить 1,72 человеко‑часа. А сварной шов той же площади, воспринимающий то же усилие, «стоит» всего 0,71 человеко‑часа. Значит, даже простая ручная электросварка более чем в два раза повышает производительность труда, облегчает его, обеспечивает экономию металла.

Но электросварка не только заменяет клепку, она позволяет осуществить такие работы, какие клепкой сделать невозможно.

Да, этой палочки не было и у самого искусного из волшебников.

Как прикрепить, например, к одному листу в стык другой стальной лист, не применяя накладок? Это можно сделать только сваркой. А можно ли клепкой поставить заплату на пробоину в корпусе затонувшего судна? Нет, это может только сварка.

Да, целительная электрическая дуга пылает и под водой, создавая вокруг себя газо‑паровой пузырь, постоянно срывающийся, взлетающий вверх зыбким хороводом мелких пузырьков, но устойчиво защищающий пламя и сварочную ванну.

Разработал методику подводной сварки советский ученый К. К. Хренов.

Очень высокое умение, поистине искусство требуется от сварщика. Чуть отдалил электрод – погасла электрическая дуга, прекратилось плавление металла. Приблизил – и снова погасает дуга, а приварившийся к металлу электрод стоит скорбным памятником неумению и неловкости. И никакой силой уже не оторвешь этой «свечки», разве только отломить можно или отрезать другим электродом, направляемым более уверенной рукой. Не каждому и не сразу удается наложить ровный, как серебряная струя, шов. И кажется, никакой механизм не сможет заменить в этом деле искусную руку человека.

Их много, самых разнообразных видов сварного шва.

Но есть автоматы, заменяющие ручную сварку. Мало того, они работают лучше, производительнее, точнее самых умелых сварщиков. Рождены эти автоматы в Институте электросварки имени Е. О. Патона под руководством ученого, именем которого назван институт.

Автоматы обычно ведут сварку под слоем флюса. Рабочий устанавливает соответствующий режим, и вот автомат уже двинулся по горизонтальному или даже вертикальному шву. Он посыпает его слоем шлака, и под ним, плавящимся, спекающимся и прочно защищающим металл от атмосферного воздуха, а значит, от окисления, возникает уже металлическая строчка шва. И возникает она в 10–15 раз быстрее, чем при ручной сварке.

Конечно, и ручная сварка не осталась без изменения. Появились электроды, обмазанные толстым слоем смеси разнообразнейших веществ. Одни из них в процессе сварки входят в металл шва и улучшают его качество, другие образуют корку защитного шлака. Возникла сварка в атмосфере инертных газов, обволакивающих расплавленный металл и препятствующих его окислению. Сварщики взяли в руки связки, составленные нередко даже из электродов разных металлов. И там, где швы на металле свиваются причудливым узором, где они состоят из многих отдельных участков, пока в основном применяется ручная сварка. А там, где нужны длинные прямые швы, например при изготовлении резервуаров для хранения нефтепродуктов, безраздельно господствуют автоматы.

Электрическая дуга позволяет сваривать стали, чугуны (с предварительным нагревом свариваемых деталей до температуры 550–650 градусов), медь, алюминий. Для каждого из этих металлов разработана своя четкая технология электродуговой сварки.

Электродуговая сварка – отнюдь не единственный вид сварки, осуществляемой электричеством. Не меньше в ряде случаев, чем дуговая сварка, распространена сварка контактная.

…Стальные листы поступили в какую‑то машину. По существу здесь нужен двойной ряд заклепок, который накрепко соединил бы листы. Опускается верхняя часть станка, и пятьдесят медных пальцев касаются стали. Меньше минуты длится это прикосновение, и челюсти машины разомкнулись. Рабочий вынимает листы. Их уже не разнять: в пятидесяти точках их металл соединен сваркой. Это так называемая точечная контактная сварка.

По медным пальцам – электродам был пущен ток большой силы. Места контактов стремительно нагрелись, электроды нажали на листы, и они сварились.

Видите, как высока производительность такой сварки? Свыше 10 тысяч точек в час может сварить такая машина.

Существуют машины, создающие не ряд сваренных точек, а сплошной шов. Принцип действия этих машин не отличается от машин точечной сварки, но вместо пальцев‑электродов они снабжены дисками. Между этими дисками и протягиваются свариваемые листы. Производительность таких машин очень велика – до 5–6 м шва в минуту.

Третьим видом контактной электросварки является сварка стыковая. Свариваемые детали устанавливают в специальные устройства, плотно прижимающие их друг к другу. К деталям подключают ток. Наибольшее сопротивление он встречает, само собой разумеется, в месте соприкосновения деталей. Металл разогревается, переходит в пластическое состояние, а затем сваривается.

В некоторых случаях электрическую искру заменяет пламя газа. Оно плавит и место сварки и присадочный материал.

В качестве источника газа обычно используется карбид кальция – тот же самый карбид, который рождает горючий газ ацетилен в шахтерских лампочках. Но может применяться для такой сварки и природный газ, и водород, и бензол и т. д.

Температура пламени, вырывающегося из газовой горелки, достигает 3 тысяч градусов. Одной рукой сварщик управляет горелкой, другой подает присадочный пруток. И в крохотном объемчике ванны под его руками рождается соединяющий детали стальной шов.

Одной из разновидностей такой сварки является газопрессовая. Особенно широкое применение она получила на строительстве дальних трубопроводов. При этой сварке трубы устанавливаются в стык, а это место нагревается газовым пламенем. Затем трубы прижимают друг к другу, и они свариваются.

Острым, как лезвие, пламенем газа можно не только сваривать, но и резать металл.

Совершенно особым видом сварки является сварка термитная.

…Прокладывается линия трамвая. Надо сварить рельсы в стык, чтобы не было между ними промежутков. И вот уже пришли на линию сварщики.

Нет с ними ни трансформатора для электрической сварки, ни газовых баллонов для газовой. Они надевают на соединение рельсов какой‑то странный железный ящик, обмазанный внутри огнеупорной глиной, устанавливают над ним такую же воронку. В нее всыпают порошок, зажигают короткий фитиль, и… воронка мгновенно превращается в жерло миниатюрного вулкана. В ней клокочет жаркое пламя, бурлит лава. Это длится всего несколько секунд. А через полчаса рабочие разбирают свое устройство. Рельсы сварены напрочно. Осталось снять лишний металл, пригоревшие шлаки. И все.

Порошок, который рабочие подожгли в воронке, состоял из алюминия и окиси железа. Эта смесь называется термитом. При ее горении происходит стремительное окисление алюминия и выделение чистого железа. Так как температура при этом поднимается до 3 тысяч градусов– вот он, искусственный вулкан! – то вся смесь плавится. Окись алюминия всплывает шлаком, а железо стекает вниз, в железную форму, окружающую стык рельса. Оно сваривает нижнюю часть рельса, а головку его шлак нагревает до температуры размягчения. При сжатии рельсы свариваются.

А ведь по существу каждые два куска металла, положенные друг на друга, должны свариваться. Ведь существует такое явление – диффузия, проникновение атомов одного вещества между атомами другого за счет теплового движения. В результате такого проникновения в месте стыка деталей они должны как бы сплавляться, растворяться друг в друге. Почему же этого не происходит? Вероятно, этому мешают пленки окислов, которые разъедают металлы, решили ученые. Но как же уничтожить разделяющее влияние этих окислов?

Ученые решили поместить свариваемые детали в вакуум – уж тут, где нет кислорода, пленка окисла расти не сможет. Для ускорения диффузии они с помощью токов индукции нагрели обе детали, причем температура нагрева была значительно ниже той, при которой идут все другие виды сварки. Через пару минут они извлекли детали. Не было ни брызг расплавленного металла, ни искр электрического пламени – ничего, что обычно сопровождает сварку. Но извлеченные детали оказались сваренными навечно. Когда посмотрели в микроскопе на шлиф спая, увидели, что металлы как бы взаимно растворились друг в друге.

Новый способ сварки нашел себе сразу же широчайшее применение. Конечно, нецелесообразно сваривать в вакуумной камере фермы моста, а вот приварить к державке резца металлокерамическую пластинку крепче, чем этим способом, – невозможно.

Диффузионная сварка в вакууме позволяет соединять сталь с нихромом, алюминий с медью, никель с железом. Причем этот вид сварки оказался одним из самых дешевых: не надо ни электродов, ни флюсов. Разработали этот метод сварки в нашей стране под руководством кандидата технических наук Н. Ф. Казакова.

В настоящее время имеется около 120 разновидностей сварки. Количество их, конечно, все растет. И, конечно, здесь невозможно рассказать обо всех. Но нельзя не упомянуть еще хотя бы о двух.

…В 1956 году молодой токарь А. И. Чудиков обтачивал стальную деталь. Шелестя, сбегала стружка, мерно рокотал мотор станка – было все, как обычно. И начинающий токарь не заметил легкого дымка пригоревшего масла, который вился над центром задней бабки станка. А когда он попытался снять обработанную деталь, это ему не удалось. Деталь приварилась к заднему центру.

А что, если попробовать этим методом сваривать детали? Очень удобно! Не надо ни электрического тока, ни баллонов с газом.

Изобретатель попробовал. Сначала у себя в мастерских, затем в лабораториях Всесоюзного института электросварочного оборудования. И в результате возник новый метод сварки.

Предположим, нам надо сварить два обрезка трубы. Вводим между ними кольцо, сдавливаем его между трубами и начинаем наше кольцо быстро вращать. От трения повышается температура стыков, металл размягчается. Теперь надо быстро остановить кольцо и усилить давление на трубы.

Вероятно, этот вид сварки найдет еще себе довольно широкое применение в условиях строительства газопроводов, на заводах железобетонных изделий. Ведь шов, получаемый при этой сварке, имеет очень высокие качества, а затраты на нее примерно в 10 раз меньше, чем при электросварке.

Другим интересным новым методом является сварка ультразвуком. Да, да, электрическую искру и пламя газа можно заменить высокочастотными звуковыми колебаниями.

Это, пожалуй, единственный способ, которым можно сварить два тонких листка алюминиевой фольги: ведь их лепестки мгновенно завянут и сгорят в электрической дуге, их испарит огненное дыхание ацетиленового пламени, а незримый луч ультразвука не сделает им никаких неприятностей.

При сварке ультразвуком листы металла помещают под стержнем, соединенным с генератором ультразвука. В зоне действия ультразвука колеблющиеся частички металла начинают диффундировать друг в друге, смешиваться. Окисные пленки при этом исчезают. Металлы, хотя их температура поднялась лишь незначительно, как бы приобретают свойства пластичности и свариваются.

Ультразвуком можно сваривать не только в отдельных точках, но и создавая сплошной шов. В настоящее время максимальная толщина пластин, которые могут быть сварены этим способом, равна 1,5 мм. Самое интересное, что не только металлы, а и многие пластмассы могут свариваться на станках ультразвуковой сварки.

Ультразвуковая сварка длится меньше секунды, лишь в отдельных случаях этот процесс тянется «целых» шесть секунд. Но и это несравненно меньше, чем любой другой вид сварки.

Есть у ультразвуковой сварки и еще одно достоинство: она не требует тщательной очистки свариваемых поверхностей.

Такова сварка сегодня. Статоры мощнейших гидротурбин и автомобили «Волга», протянувшиеся на тысячекилометровые расстояния газопроводы и мосты – разве перечислишь все случаи ее применения, разве расскажешь о всех методах сварки?

Огненный шов в бесконечном числе случаев заменил непрочную пайку, он позволил осуществить такие работы, какие вообще были невозможны до ее появления.

У колыбели электросварки мы видим трех русских ученых – Петрова, Бенардоса, Славянова, но сегодняшнее широкое распространение электросварки обязано не только им. Множество людей – и выдающихся ученых, и талантливых рационализаторов – горением своей мысли, своим трудом сделали буквально вездесущим металлическое шитье.

Ультразвук вместо искры.

Все ли свои секреты выдала сварка? Конечно, нет. Еще плохо, только в особых условиях, сваривается чугун. Крайне затруднительна сварка некоторых легированных сплавов, недостаточно производительна ручная сварка. А сколько разных загадок в этой отрасли техники, в микрометаллургии, – ибо в ванне расплавленного металла под электродом сварщика идет сложнейший металлургический процесс, – ждут решения! Ждут светлой мысли, которая найдет нехоженый путь, ведущий к высшему совершенству того или иного процесса, того или иного участка человеческого труда.