ЧастьI.

Сварка в технике:

история,

состояние,

проблемы,

и перспективы

Глава 1

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, СУЩНОСТЬ И КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ

1.1. Основные вехи развития сварочной техники и науки о сварке

Сварка металлов, как процесс получения неразъемных соединений отдельных частей, открыта человеком еще в период первоначального освоения металла, обнаруженного им в виде самородков. Способность металла коваться, особенно при небольшом нагреве, натолкнула людей энеолита на возможность изготовления различных изделий путем сварки, получившей впоследствии название кузнечной. Согласно греческой мифологии, кузнечным ремеслом занимался один из олимпийских богов – Гефест. Именно в его честь назовет свой способ сварки Н.Н. Бенардос.

Изучение и специальные исследования многих изделий трипольских племен, живших на территории Юго-Западной Украины и Бессарабии в IV-III тыс. до н.э. позволили достоверно установить, что еще до того как была освоена техника расплавления и литья металла применялась кузнечная сварка меди [1]. Этим способом изготавливались шилья, долота, амулеты и нашивные бляшки. вполне естественно, что качество соединений было не очень высоким из-за появления трещин, пор и шлаковых включений.

Позднее, в течение III-II тыс. до н.э. были освоены новые технологические приемы изготовления изделий из металлов: литье, фальцовка, паяние и клепка.

Более высокого уровня развития и разнообразия техника получения неразъемных соединений металлов достигает в железном веке. Железо позволило человеку не только значительно расширить область применения металлов для своих нужд, но и оказало огромное влияние на последующую деятельность человека в различных сферах.

При изготовлении кричного железа, а затем и при изготовлении и ремонте различных изделий из него, совершенствовалась кузнечная сварка. Сварку применяли для увеличения размеров заготовки (рис.1.1,а) придания изделиям сложной формы, соединения разнородных металлов с целью улучшения качества лезвий режущих и рубящих орудий.

В скифскую эпоху (VII-III вв. до н.э.) наряду с простыми изделиями из железа, которые использовались племенами Восточной Европы, широко применяли различные технологические приемы кузнечной сварки. Реже встречалась в скифское время сварка для получения биметаллических изделий (рис.1.1,б).

При изготовлении ювелирных изделий из золота, серебра, бронзы в раннем железном веке широко использовали пайку. В странах Древнего Востока, в том числе и Египте, применялась пайка золота золотым припоем, меди серебром или сплавом меди с серебром. В курганах Скифии обнаружены многие ювелирные изделия, изготовленные с помощью пайки. Особенно поражают тонкостью искусства микропайки золота найденные серьги из кургана у Феодосии, на которых изображена миниатюрная четверка мчащихся лошадей с крылатой богиней Никой в колеснице. Больших успехов металлургия и металлообработка достигли в Древней Руси (Х-ХIII вв.). Кузнечная сварка была основным, хорошо разработанным и освоенным методом технологии при изготовлении всевозможных железных и стальных изделий. Интересно отметить, что в этот период была освоена сварка железа с высокоуглеродистой сталью (с содержанием углерода до 0,9 %), позволившая получить соединения из очень тонких полосок железа и стали (толщиной от 0,8 до 2 мм), которые использовались для изготовления замочных пружин, кольчуг, высококачественных режущих или рубящих частей орудий и оружия (рис. 1.1, в).

С развитием техники сварки связаны первые опыты в изготовлении огнестрельного оружия. Впервые упоминание об использовании русскими войсками артиллерии дается при описании обороны Москвы от орд хана Тохтамыша в летописи 1382 г. Это были орудия типа пушек, стрелявших каменными ядрами. Артиллерийские орудия и пищали выковывали из железа, что

Рис. 1.1. Сварные изделия ранних эпох [1]:

а – схема сварки лезвия меча из Субботовского городища (VIII – VIIвв до н.э.); б – технологическая схема изготовления меча со сварным лезвием в скифскую эпоху: 1 – железо; 2 – сталь; 3 – готовое изделие; в – технологические схемы изготовления древнерусских сварных изделий: 1 – серп (Новгород); 2 – топор (Рязань); 3 – токарный резец (Рязань): А – сталь; Б – железо; г – схема сварки ствола пищали. По Г.А.Максименкову.

поставило перед кузнецами оружейниками сложные задачи по осуществлению сварки. На рис. 1.1, г показана схема сварки ствола пищали [1]. Выкованный из крицы железный лист скручивали на железной оправке в трубу и сваривали продольным швом внахлестку. Затем на эту трубу наваривали еще одну или две трубы большего диаметра, так, чтобы продольные сварные швы располагались в разных местах. Поскольку полученные при этом трубы-заготовки были короткими, то для получения длинного ствола орудий соединяли сваркой несколько таких заготовок. Для этого соответствующие концы труб выковывали в виде наружного или внутреннего конуса, соединяли и сваривали. В казенную часть ствола вваривали коническую железную заглушку. Интересно заметить, что, как показали исследования микроструктуры сварных соединений древнерусских пищалей XV в. качество сварки было очень хорошим.

На протяжении длительного периода методы соединения металлов оставались практически неизменными: совершенствовалась кузнечная сварка и пайка. В XIX веке ручной труд молотобойца при кузнечной сварке был механизирован благодаря применению механических молотов. Это позволило повысить качество сварки и расширить области ее применения.

Однако, во многих отраслях производства кузнечная сварка уже не могла удовлетворить возросшим требованиям техники. В то же время, в XIX веке были сделаны крупные открытия в области физики и, в частности, в области магнетизма и электричества, создавшие предпосылки практического осуществления соединения металлов с помощью электричества.

Уместно вспомнить, что еще в середине XVIII в. М.В.Ломоносов прозорливо предугадал значение новой зарождающейся науки об электричестве. "Электрическая сила, – считал он, - открывает великую надежду к благополучию человеческому". На основе своих знаменитых опытов с атмосферным электричеством сподвижник Ломоносова академик Г.В.Рихман пришел к мысли о возможности применения электрических искр для плавления металлов¹.

Весной 1802 г. в С.– Петербургском кабинете талантливого русского академика Василия Владимировича Петрова делается открытие, ставшее началом целой революции в науке.

Впервые в мире он наблюдал настоящее чудо – вспыхнувшее яркое пламя дугового разряда, возникшего между двумя кусочками обыкновенного древесного угля, подсоединенными к построенному им сверхмощному "вольтову столбу" (гальваническая батарея).

Необычайность этого явления поразила ученого. В.В.Петров начинает тщательное изучение этого явления. Им было установлено, что дуговой разряд одновременно с ярким излучением развивает весьма высокую температуру, расплавляет и даже испаряет металлы, которые вводились им в виде тонких полосок и проволочек в пламя дугового разряда.

17 мая 1802 г. В.В.Петров «…в присутствии медицинской коллегии и многих знаменитых особ» публично демонстрирует явление электрической дуги.

В своей книге² он описал результаты наблюдения по плавлению и испарению металлов в дуговом пламени.

Таким образом, уже первооткрывателем дугового разряда академиком В.В.Петровым были намечены возможности его практического использования для освещения и плавления металлов. Однако, реальные возможности электротехники того времени, недостаточность знаний об электричестве, отсутствие различных электрических аппаратов (выключателей, регуляторов и т.п.) и самое главное, достаточно мощных и простых источников тока, делали невозможным применение дугового разряда к практическим целям, в том числе и для целей соединения металлов путем их расплавления.

Потребовались долгие годы развития электротехники и других отраслей промышленности, приведших к созданию простых, достаточно мощных и экономичных генераторов тока. Выдающийся вклад в создание таких генераторов внес английский ученый Майкл Фарадей, открывший в 1831 г. принцип электромагнитной индукции.

Бурно развивающаяся во второй половине ХIХ века техника, промышленность, железнодорожный транспорт остро нуждались в сравнительно дешевом и простом способе соединения металлов, ремонте поломанных и изношенных деталей. Известные в то время кузнечная сварка и клепка не могли удовлетворить потребности производства.

Ивот, спустя почти 80 лет после открытия В.В.Петровым явления дугового разряда, талантливый русский изобретательНиколай Николаевич Бенардос находит реальный путь применения электрической дуги для целей сварки.

Будучи сотрудником Петербургской фирмы, основанной известным изобретателем П.Н.Яблочковым (автором "электрической свечи") Н.Н.Бенардос начал соединять элементы свинцовых аккумуляторов, расплавляя кромки теплом электрической дуги. В 1861 г. он демонстрирует новый способ сварки металлов в лаборатории Кабата в Париже. Вот что сказано в известном французском электротехническом словаре Демона об этом событии [1]: "Работая в 1861 г. в лаборатории Кабата, Бенардос сделал первые попытки применения электрической энергии для сварки свинцовых пластин аккумуляторов. Так как результаты опытов оказались удовлетворительными, Бенардос применил свой способ сварки и к другим металлам и таким путем был приведен к созданию новой промышленности". Именно 1881 г. и считается годом крупнейшего изобретения XIX века - электрической дуговой сварки [1–4]. Столетие этого события широко отмечалось во всем мире в соответствии с решением ЮНЕСКО в 1981 г.

Своему изобретению Н.Н.Бенардос дал название "Электрогефест" в честь бога по имени Гефест - бога-кузнеца, покровителя ремесел в древнегреческой мифологии.

В привилегии (патенте), выданной Н.Н.Бенардосу департаментом торговли и мануфактур России по заявке от 6 июля 1885 г., сказано: "Предмет изобретения составляет способ соединения и разъединения металлов действием электрического тока, названный "Элоктрогефест" и основанный на непосредственном образовании вольтовой дуги между местом обработки металла, составляющим один электрод, и подводимою к этому месту рукояткою, содержащею другой электрод, соединенный с соответственным полюсом электрического тока. С помощью этого способа могут быть выполнены следующие работы: соединение частей между собой, разъединение или разрезывание металлов на части, сверление или производство отверстий и полостей и наплавление слоями".

Как видно из привилегии, Н.Н.Бенардос не ограничивал изобретенный им способ только сваркой. Им детально разработаны приемы и методы резки металла, образования отверстий, наплавки одних металлов на другие. Описание различных вариантов применения "Электрогефеста" Н.Н.Бенардос сопроводил иллюстрациями (25 рисунков), которые показывают, что он самым тщательным образом разработал технологию сварки, причем не только ручной, но и с помощью специальных устройств, явившихся прообразом современной механизированной сварки (рис.1.2).

Работая над совершенствованием способов дуговой сварки Н.Н.Бенардос создал большое количество оригинальных приспособлений и устройств, как например, - комбинированный электрододержатель (газоэлектрический "паяльник") с угольным электродом, вокруг которого концентрически располагались сопла для подачи светильного газа и кислорода, что позволило увеличить поверхность нагрева и защитить расплавленный металл от воздуха (прообраз современной дуговой сварки в защитных газах); приспособление для сварки встык вертикальных швов; клещи для контактной сварки и т.д.[1, 2].

Способ "Электрогефест" Бенардос запатентовал, кроме России, также в большинстве промышленно-развитых стран: Франции, Англии, Германии, США, Швейцарии, Швеции, Австрии и др. странах. Имя Н.Н.Бенардоса становится широко известным в научных и технических кругах за границей. На IV электрической выставке в Петербурге в 1882 г. его "Электрогефест" был отмечен высшей наградой -золотой медалью. Горячую любовь к изобретательству Бенардос пронес через всю свою жизнь. Его жизнь и деятельность были направлены на решение проблем, способствующих развитию России и укреплению ее могущества. Великий изобретатель был большим патриотом. Все свои изобретения по военному делу (способ переправы войск, электрическая пушка, автоматическое оружие и др.) Бенардос бесплатно предложил государству. Яркий творческий путь Бенардоса - это благородное и бескорыстное служение своему народу, проникнутое верой в торжество научно-технической мысли.

В 1981 г. по решению ЮНЕСКО научно-техническая общественность мира широко отметила 100-летие изобретения дуговой сварки Н.Н.Бенардосом. Центральным событием в дни празднования 100-летия дуговой сварки явилось открытие памятников и мемориальных музеев Н.Н.Бенардосу в г.Фастове, где изобретатель "Электрогефеста" работал последние годы своей жизни, и г.Лухе, где он проживал долгое время. Монумент в г.Фастове (рис.1.3) представляет собой 4-метровую фигуру автора дуговой сварки с Электрододержателем в руке на пьедестале из нержавеющей стали. Фигура, выполненная из кованой меди, и пьедестал - сварные.

Не менее интересен памятник и в г.Лухе. Устремленная вперед фигура изобретателя, за которой смонтированы металлический овал и символическая дуга из титанового сплава, надпись "Н.Н.Бенардос сделал более 200 изобретений в различных областях техники, сельского хозяйства, строительства, военного дела, быта...", выполненная электродом (рис.1.4).

Н.Н.Бенардос прославил свою родину - Россию крупным изобретением, открывшим широкую дорогу новому высокоэффективному способу соединения металлов - дуговой сварке.

История дальнейшего развития электрической дуговой сварки теснейшим образом связана с именем выдающегося русского инженера-металлурга конца XIX столетия Николая Гавриловича Славянова.