книги из ГПНТБ / Муслин Е.С. Металл меняет форму

Нас же интересуют сейчас вещи несколько более про­ заические, а именно: что нового принесут лазеры в тех­ нологию металлообработки.

Мысль о том, что промежуток времени между момен­ тами научного открытия и его широким применением на практике все сокращается и сокращается, становится тривиальной. Тем не менее разве не поразительно, что лазеры, сама принципиальная возможность которых только-только обоснована теоретиками, уже нашли до­ рогу в цехи машиностроительных заводов? Разве не по­ разительна быстрота, с которой «геперболоид инженера Гарина» из мира фантастики переносится в мир реаль­ ного? — заявил недавно директор Института электро­ сварки АН УССР академик Б. Патон. Ибо лазеры уже заняли прочную позицию в сварочном деле. Сварка све­ том выходит из стадии лабораторных экспериментов. Специалисты считают, что серийный выпуск промыш­ ленного оборудования для обработки металлов световым лучом не за горами.

Писатель В. Кожевников сравнивал мастерство свар­ щика с искусством восточного художника-каллиграфа. Вот каллиграф встает на рассвете и долго сидит с за­ крытыми глазами, чтобы дать им отдых. Он надевает легкую одежду, моет руки и трет их пемзой, чтобы лучше осязать тростинку кисти. И только после этого берется за кисть и «со снайперской точностью неуловимым движе­ нием кладет на бумагу изображение иероглифа — изящ­ ное и прихотливое, почти живое, как цветок океанской во­ доросли».

А сварщик? От него требуется не меньшее мастерство, но работать ему приходится в брезентовой куртке и бре­ зентовых рукавицах, в руках у него электрододержатель, весящий почти полкилограмма, а малейший брак может уничтожить работу многих людей.

300

Поэтому, изыскивая все более точные методы сварки, специалисты дошли до электронного луча, этой тончай­ шей кисточки, потока мельчайших частиц, рисующих изо­ бражения на кинескопах телевизоров. Но даже электрон­ ный луч иногда оказывается слишком грубым. Световой луч еще нежнее, гибче, виртуознее, ибо что может быть быстрее, легче безынерционнее потока полностью лишен­ ных массы покоя фотонов, этой энергии в ее чистом виде, всегда летящей вперед с предельно возможной в природе скоростью?

Сквозь отверстие в посеребренном торце кристалла впущен луч света. Меньше чем через тысячную долю се­ кунды из другого торца вырывается испепеляющее свето­ вое копье. Обыкновенные оптические линзы легко фокуси­ руют его в малюсенькое пятнышко диаметром не больше микрона. Такое пятнышко за десятитысячную долю секун­ ды прожигает отверстие в самом твердом алмазе, не го­ воря уже о нержавеющей стали и титане. Концентрация энергии в луче лазера достигает 100 тысяч киловатт на квадратный сантиметр.

Сварные соединения, полученные с помощью лазера, гораздо качественнее соединений электронной сварки. Прежде всего у них больше отношение h к d — глубины шва к ширине сварочной зоны. Настоящий «кинжальный» шов, столь ценимый специалистами. Химикам тоже больже нравится лазерный шов: он гораздо чище. Электрон­ ную сварку нельзя вести, например, в струе защитного газа, газ будет задерживать электроны. Для света же любая прозрачная среда не помеха. В случае необходи­ мости детали можно варить прямо на воздухе, не забо­ тясь о создании вакуума, когда же требуется особая точ­ ность и чистота, детали запаивают сначала в герметич­ ные стеклянные капсулы, а потом уже ведут сварку снаружи, размещая лазер — горелку вне сварочной ка-

меры. Используя зеркала или призмы, можно направить световой луч туда, куда никаким другим способом не доберешься. Кстати, так же можно поступить, когда нужно варить в помещении с высокой радиоактивно­ стью, исключающей присутствие человека.

Еще одно достижение лазерной сварки по сравнению с электронной — отсутствие вредного рентгеновского облучения. Правда, яркий световой луч, попав в глаза, может вызвать слепоту, по защититься от света гораздо легче, чем от всепроникающих рентгеновских лучей.

Температура, развиваемая лазером, достаточна для расплавления самых тугоплавких материалов, а малая ширина шва и узость зоны термического влияния при лазерной сварке сводит до минимума всякое коробление и деформации. Шов можно не зачищать. Мгновенный нагрев и охлаждение почти не вызывают роста зерна, чего обычно так опасаются металловеды и прочнисты, особенно при сварке жаропрочных сплавов и сталей. Структура металла остается мелкозернистой и качест­ венной. Высокая концентрация энергии позволяет точно контролировать размеры соединения, осуществить так называемую прецизионную сварку, устраняет необходи­ мость в термической обработке для снятия внутренних напряжений.

Открывается дорога к созданию сварной конструкции будущего, которая, по словам академика Б. Патона, «представляется нам в виде совершенного, гармонично­ го сочетания металлических и неметаллических деталей законченных форм и размеров, свободных от внутренних напряжений, не нуждающихся ни в термической, ни в механической обработке».

Рубин — не единственный лазерный материал. Вместо него можно использовать фторид бария, фторид каль­ ция. Лазеры из стекла с добавкой неодима хорошо по-

302

казали себя при сварке плавлением нержавеющей стали, меди, алюминия, ниобия и молибдена.

Как правило, лазер излучает энергию прерывисто, от­ дельными импульсами. Продолжительность каждого импульса — полторы тысячных доли секунды. Чтобы увеличить производительность сварки, нужно обеспечить большую непрерывность светового луча, нужно участить импульсы. Но мощные облучающие трубки, служащие лампами «накачки», быстро перегреваются. И здесь инженеры пошли на хитрость. Они укрепили на вра­ щающемся барабане несколько попеременно вспыхи­ вающих трубок, и пулеметная очередь световых импуль­ сов участилась в несколько раз.

Импульсная мощность сегодняшнего лазера доходит до 10 тысяч киловатт, а плотность энергии до 300 мил­ лионов калорий на квадратный сантиметр. Скоро мощ­ ность достигнет сотен тысяч киловатт, а если вместо облучающих трубок использовать взрывающиеся прово­ лочки, то еще больше.

Коэффициент полезного действия лазера, составляю­ щий сейчас что-то около полупроцента, по мнению круп­ ного американского физика Чарльза Таунса, возрастет примерно в сто раз и достигнет пятидесяти процентов.

Лазер станет не только помогать сварщикам, он пре­ вратится в самый точный и быстрый металлообрабаты­ вающий инструмент. Световой луч легко сможет прожи­ гать отверстия, удалять лишний металл, как бы фрезе­ ровать, строгать и точить заготовки.

А пока наиболее перспективная область применения лазеров — сварка сверхлегких сотовых конструкций из тугоплавких материалов, прецизионная обработка ми­ кроминиатюрных деталей космической радиоэлектрони­ ки н ракетной техники. Здесь невесомый световой скаль­ пель уже сейчас вне всякой конкуренции.

Кипяток режет броню

Плазменная горелка легко справляется с чугунными трубами

Плазма — четвертое агрегатное состояние вещества, как ее часто называют, основная надежда физиков, ра­ ботающих над управляемой термоядерной реакцией. От того, удастся ли достаточно долго удержать в повинове­ нии миллионоградусный сгусток плотной плазмы, зави­ сит энергетическое будущее человечества. Поскольку ни один материал не способен выдержать подобных темпе­ ратур, для плазмы строят «магнитные бутыли», ловушки из силовых линий.

Однако «холодную» плазму, нагретую до «каких-ни­ будь» 15—20 тысяч градусов, можно удержать и без мощного магнитного ноля. Достаточно тонкой струйки воды, текущей из водопровода. Плазменный шнур, сжа­ тый водяным кольцом, легко режет самую толстую бро­ ню. Что касается самой плазмы, то ее получают тоже из воды, впрыскивая струйку в зону электрической дуги.

Горелка, основанная на этом принципе, впервые сде­ лана в Советском Союзе М. Девдариани, Н. Чиковани и М. Геленидзе — тремя молодыми инженерами Тбилис­ ского филиала ВНИИ электросварочного оборудования. В отличие от автогена, плазменная горелка легко режет не только конструкционные стали, но и медь, алюминий, нержавеющую сталь. Устроена горелка довольно просто. Она состоит из корпуса, в который вставляется угольный

сначала эту клемму, чтобы она не нагревалась. Дальше водяная струя разветвляется. Часть воды многократно

304

обегает по спиральной канавке электрод, охлаждает его и, стекая по угольному стержню, идет на образование

ИГОЛЬНЫЙ

Э Л Е К Т Р О Д

МЕХАНИЗМ

ПОДАЧИ

ЭЛЕКТРОДА

( С М О Т О Р Ч И К О М )

ВОДА

ЦАНГОВАЯ

КЛЕММА

ЭЛЕКТРОДНАЯ

КАМЕРА

■СЛИВНАЯ ТРУБКА

Схема водно-плазменной горелки.

плазмы в междуговом пространстве. Другая часть по тангенциальным сверлениям впрыскивается тонкими

305

струйками в плазменную камеру, расположенную в ниж­ ней части корпуса горелки.

Прижимаемая центробежной силой к цилиндрической стенке камеры вода образует вихревое кольцо, которое охватывает пронизывающий его плазменный шнур, иду­ щий от электрода к металлической заготовке, и не дает ему расплавить камеру. Отработанная вода уходит по сливному шлангу. В полевых условиях, когда воды мало,

ееможно не выпускать, а собрать и вновь использовать

взамкнутом контуре клемма—электрод — плазменная

генератора, а к разрезанной детали — «плюс». Началь­ ное напряжение— 150 вольт.

Прежде чем вложить в горелку угольный электрод, высверливают в его торце небольшое отверстие, в кото­ рое вставляют кусок алюминиевой проволоки диамет­ ром полтора миллиметра. Это «запал».

Итак, ток подключен, вода подана, электрод на месте. Касаемся детали кончиком запала. Вспышка, хлопок — запал мгновенно сгорает, и на его месте вспыхивает стабильная, ослепительно сверкающая плазменная струя. Ее температура — без малого 20 тысяч градусов, сталь при такой температуре превращается в пар. Массивные куски нержавеющей стали легко разрезать плазменным копьем на аккуратные ломтики, словно сыр обыкновен­ ным ножом. Плазма режет чисто, без наплывов, ею можно даже обстругивать неровности на металлических деталях.

Вообще, плазменные горелки — дело не такое уж новое, ведь история плазменной резки насчитывает около десяти лет. Но в старых горелках плазма образуется из благородного газа аргона или его смеси с водородом. И хотя режут эти горелки неплохо, широкому их распро-

306

странению препятствует дороговизна и дефицитность аргона.

То ли дело почти даровая вода!

Есть у плазменно-водяной горелки тбилисских инже­ неров и другие преимущества. В аргонной горелке электродвольфрамовый, здесь — угольный, стоит копейки. Качество реза также лучше. С аргоном рез получается косой, в форме клина, с водой — прямоугольный.

Новая горелка найдет применение на тысячах заводов и строительных площадок. К тбилисцам с просьбой вы­ слать чертежи уже обратились с Челябинского метал­ лургического, Волгоградского тракторного, из Сормова и Харькова, Ленинграда и Киева. Даже всемирно изве­ стный Институт электросварки имени Патона запросил «в порядке научного содружества» сведения об интерес­ ной новинке.

Сейчас тбилисские инженеры разрабатывают усовер­ шенствованную модель. Но и та, что сделана их руками, достаточна хороша. Двадцатитысячеградусный «кипя­ ток», брызжущий из ее сопла, за час разрезает целый бронированный катер (50 метров стали толщиной в че­ тыре сантиметра).

Простота горелки, ее неприхотливость и, конечно, вы­ дающиеся способности справляться с любым материа­ лом — все это неоценимо не только на производстве, но в особенности в полевых условиях: на буровых, на строй­ ках, на кораблях и т. п., куда завозить аргон — сложная проблема.

Только на строительстве трубопроводов новая горел­ ка уже помогла сэкономить тысячи тонн металла. Дело в том, что при перевозке у чугунных труб часто отби­ ваются края, а стыковать трубы с отбитым краем невоз­ можно. Обрезать испорченный край строителям тоже было нечем: чугунную трубу не берет ни автоген, ни

307

электрическая дуга. Поэтому целые километры труб так и оставались лежать под открытым небом: чугун хрупок, бой большой, и везти многотонные трубы за сотни кило­ метров на заводы-изготовители не было смысла. Только плазменные резаки, легко справляющиеся с трубами любого диаметра, помогли строителям решить эту про­ блему.

Искра очищает рельсы

Электрический разряд удаляет загрязнения с железнодорожных путей

контакта колеса с рельсом. Стоит попасть на рельсы нич­ тожному количеству смазки, дать металлической поверх­ ности покрыться окисной пленкой или адсорбировать немного воздуха, как коэффициент трения сразу упадет в несколько раз. В результате быстро изнашиваются колеса и рельсы, а главное, снижается безопасность дви­ жения: торможение становится неэффективным. Чтобы колеса не буксовали, увеличивают вес локомотивов, но безопасность движения от этого мало зависит. Ведь в торможении участвуют все вагоны, и общая сила тормо­ жения определяется весом всего поезда, а его увеличить искусственно невозможно.

Известно много способов очистки металлических по­ верхностей от загрязнений. Их можно промывать раство­ рителями, греть до высоких температур в вакууме, облу­ чать ультразвуком, погружать в электролиты. К сожа­ лению все эти процессы имеют существенные недостатки: они или неприменимы к работающим деталям, или недо-

308

статочно универсальны — удаляют, например, органиче­ ские загрязнения, но оставляют окислы, адсорбированные газы, или, наконец, не годятся для обработки поверхно­ стей любой формы. Более радикально, конечно, удалять загрязненный слой металла, прострагивая, прошлифовывая контактные поверхности на станках или подвергая их электроэрозии. Однако подобный способ совершенно недопустим, когда поверхности приходится очищать час­ то и когда ослаблять прочность деталей не разрешается.

Именно для такого случая недавно разработан швей­ царскими изобретателями оригинальный процесс очист­

тент 344277). Искры возбуждаются микросекундными импульсами, и за этот ничтожный квант времени каж­ дая из них успевает нагреть крохотный участок поверх­ ности, раскалить его до высокой температуры. Органи­ ческие загрязнения сгорают и испаряются, адсорбиро­ ванные газы улетучиваются. Что касается окислов, то их восстанавливают, ведя процесс в раскислительной ат­ мосфере или вдувая под электрод раскислитель, напри­ мер, водород. Таким образом, очистку обуславливают тепловые, электрические и механические воздействия (нагрев, всасывание газов ионизационным каналом пос­ ле разряда).

Железнодорожные рельсы хорошо очищаются в обыч­ ном воздухе при зазоре между электродом и их поверх­ ностью от двух до восьми миллиметров, при частоте импульсов 4000 в секунду и при напряжениях 15—20 ты­ сяч вольт.

Поскольку электроды должны непрерывно переме­ щаться относительно очищаемой поверхности, изобрета­ тели смонтировали свою установку прямо на локомотив­ ной тележке. Во время движения искры время от време-

3 0 9