3 (О сварке)

2. ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ СВАРКИ

Каждому интересно узнать о будущем своей профессии. Но чтобы лучше его понять, надо хорошо знать не только дела наших дней. Историки говорят: лучший ключ к тайнам будущего - в знании прошлого. Поэтому представления о перспективах сварки должны опираться на её историю.

2.1. СВАРКА В ДРЕВНОСТИ

Из недр каменного века берут начало многие достижения человечества, в том числе и в области сварочной технологии.

Еще в глубокой древности при помощи каменного орудия из самородков золота, серебра, меди можно было отковывать пластинки, острые лезвия, скребки и т. п., которые для увеличения их размеров соединяли между собой. Нанося удары по сложенным вместе кускам металла, удавалось добиться их соединения. А это был уже один из видов сварки - сварка в холодном состоянии путём приложения деформирующих усилий. Способ холодной сварки совершенствуется до сих пор и находит эффективное применение в наше время,

За несколько тысячелетий до нашей эры некоторые племена научились добывать из руды медь. Но техникой литья они ещё не овладели и чтобы изготовить крупное изделие из меди, им приходилось прибегать к сварке отдельных подогретых кусков металла. Подогрев металла до пластического состояния облегчал «схватывание», а процесс соединения напоминал ковку. Поэтому он и называется кузнечной сваркой.

Появление нового материала - бронзы заставило древних умельцев приняться за разработку новых методов сварки. Дело в том, что бронза имеет более высокие прочность, твёрдость, сопротивление истиранию по сравнению с медью. Однако её пластичность значительно ниже пластичности меди. Поэтому сварка бронзы методом пластической деформации, даже с подогревом, не обеспечивала образования соединения. Вероятно, древние мастера не раз наблюдали, как перегретые капельки расплавленной бронзы, попадая на бронзовые пластины, иногда прочно «схватывались» с ними. Вот этим свойством - схватываться, привариваться и воспользовался безвестный изобретатель литейной сварки, сущность которой заключалась в том, что зазор между соединяемыми заготовками заполнялся расплавленным металлом, и деформирование сварного соединения происходило в твердожидком состоянии. Этим способом, вероятно, были изготовлены в Древней Греции бронзовые сосуды высотой 310 мм со стенками толщиной всего 0,5-0,7 мм.

В 1-2 тысячелетиях до н. э. в различных районах земного шара начали получать железо. При этом в некоторых случаях масса изделий намного превышала то количество металла, которое можно было получить за одну плавку по существовавшей тогда технологии. Наиболее ярким примером является знаменитый памятник в Индии - колонна, выполненная из весьма чистого железа (99,97 % Fе).

Колонна массой около 6,5 т, имеет высоту 7,3 м при диаметрах у основания 416 мм, а у верха - 295 мм, и относится к 415 г. н. э. А ведь вплоть до начала XIX в. не было известно способов получения температур, достаточных для расплавления железа и литья изделий из него. Горение обыкновенной древесины создаёт температуру 1000-1100 °С, достаточную для плавления меди и её сплавов. Но чтобы выплавить чистое железо, нужна температура порядка 1550 °С. Нет печей и неизвестны методы создания такой температуры, причём понадобятся тысячелетия, прежде чем появятся технические возможности достижения её.

Одна из гипотез, объясняющая создание этой колонны, — это применение кричного метода получения железа с последующей ковкой заготовок (кузнечной сваркой криц) в нагретом состоянии, Сначала в горнах при температурах порядка 1000 °С восстановлением железной руды древесным углем получали крицу, имеющую вид губчатой массы и состоящую из зёрен чистого железа и из шлака. А затем крицу неоднократно проковывали в нагретом состоянии. При этом отдельные частицы железа соединялись - сваривались, образуя плотный металл. Такое железо называли сварочным. Для увеличения массы металла отдельные заготовки разогревали до белого каления, складывали вместе и проковывали. Без кузнечной сварки железный век начаться бы не мог.

Высокого мастерства достигли кузнецы-сварщики в изготовлении орудий труда и оружия. Множество железных мечей хранится в раз-личных музеях мира. Удивительны по своей конструкции мечи 1-2 вв., найденные на местах бывших римских крепостей, поднятые с затонувших кораблей. Клинки мечей неодинаковой толщины и представляют собой чередующиеся в определённой последовательности слои твёрдой стали и мягкого железа. Такие мечи обладают высокой прочностью и к тому же самозатачивающиеся.

Современными методами металлографии установлено, что один из клинков имел одиннадцать слоёв. Для такой работы требовались овладение всеми премудростями кузнечной сварки, а также огромный опыт и интуиция (о науке говорить было ещё рано). Многослойные тонкие клинки с дифференцированными свойствами можно считать вершиной кузнечной сварки.

В античные времена высокого экономического и общественного развития достигла Эллада. Кузнечное ремесло было в таком почёте, что, согласно греческой мифологии, им не погнушался заниматься один из олимпийских богов - Гефест, покровитель искусств и ремёсел.

В железном веке применялась и такая технология получения не-разъёмных соединений, как пайка. Рано или поздно древние ювелиры должны были обнаружить, что для соединения металлов и сплавов методом заливки можно применять такие сплавы, которые плавятся при меньшей температуре, чем основной соединяемый металл. Так, стоило только в золото добавить медь или серебро, как образовывался сплав с меньшей, чем у исходных компонентов, температурой плавления. Спустя тысячи лет металловеды исследуют влияние составов сплавов на температур у их плавления, начертят диаграммы состояния всевозможных комбинаций металлов и, в частности, установят, что сплав 20 % золота и 80 % меди плавится при температуре 886 °С (тогда как температура плавления технически чистого золота 1064 °С, а меди 1083 °С), сплав 70 % серебра с 30 % меди плавится при 780 °С (температура плавления чистого серебра 961 °С). Это свойство сплавов и было использовано для пайки.

Еще в египетских пирамидах археологи неоднократно находили предметы из золота и серебра, спаянные оловом. А в Помпее, погибший при извержении Везувия, были обнаружены свинцовые водопроводные трубы, спаянные продольным швом.

Многие золотые украшения и предметы быта, найденные в скифских курганах, сделаны с помощью пайки.

Своей поразительной красотой шедевры древнего искусства обязаны не только таланту художников, но и мастерству умельцев, осуществлявших пайку. Так, на многих изделиях даже невозможно заметить шов.

Кузнецы аланских племён, владевшие технологией кузнечной сварки стали и железа, в У1Н-Х вв. использовали для пайки деталей из бронзы, серебра и золота легкоплавкие свинцово оловянистые припои.

Значительного успеха искусство металлообработки достигло в Киевской Руси в 1Х-ХП вв. Уровень производства и обработки был достаточно высоким, чтобы изготавливать прекрасные ювелирные украшения (рис. 2.1), вооружение и многочисленные орудия труда. Эти изделия отличались высоким качеством и чистотой сварных швов в местах соединений. Для изготовления мечей, наконечников копий

Рис. 2.1. Ювелирные украшения:

а - ожерелье; б - колты; в -браслет

применяли сталь и железо различных сортов. Часто из прочной стали делали только режущую кромку и наваривали на неё кузнечным способом сталь помягче. Кузнецы даже клеймили свои изделия, наваривая на металл буквы и знаки.

Развитие производительных сил, подъём экономики на Руси, освободительная борьба русского народа против монголо-татарского ига подняли на новую ступень кузнечно-сварочное дело. В 1382 г. против орды хана Тохтамыша применяли ковано-сварные пушки, при изготовлении которых железную крицу расковывали в лист, а затем его скручивали на железной оправке в трубу. Взаимно перекрывавшиеся кромки листа сваривали внахлёстку продольным швом. Затем на эту трубу наворачивали ещё один или два листа, следя за тем, чтобы сварные швы не совпадали. Получалась часть ствола. Несколько таких многослойных частей заготовок соединяли между собой. При этом сопрягаемые концы заготовок предварительно отковывали в виде внутреннего или наружного конуса, что позволяло их затем соединить внахлёстку кузнечной сваркой (рис. 2.2).

В романе «Пётр Первый» выдающимся писателем и знатоком русской истории А. Н. Толстым достаточно точно и ярко описан процесс приварки лапы к шестисоткилограммовому якорю.

Для того, чтобы изготовить крупное изделие (вал, длинную поло-су), требовалась крупная заготовка. Такие заготовки получали из пакета мелких листов. Пакет, скреплённый оболочкой, нагревали в печи и проковывали - сваривали, придавая ему форму бруса. При необходимости несколько таких брусков сваривали. В XIX в. в России расширялось применение электрического привода на промышленных предприятиях, наблюдался подъём транспортного строительства, промышленность владела передовой технологией производства паровозов, вагонов, пароходов, резко увеличился выпуск паровых котлов и паровых машин. В этот период кузнечная сварка достигла своей вершины. Кувалде молотобойца приходит на смену молот. Крупные детали обжимают гидравлическими прессами. Улучшились конструкции печей для нагрева свариваемых заготовок.

Однако во многих отраслях такая сварка сдерживала производство. Она была трудоёмка, малопроизводительна, требовала создания громоздких печей и молотов, но главное- качество сварных швов было нестабильным и не удовлетворяло требованиям развивающейся техники: при большом числе свариваемых заготовок имели место дефекты - непровары, приводившие к расслоению металла и разрушению нагруженных деталей во время работы. Это обусловлено тем, что основными технологическими параметрами процесса сварки являлись температура свариваемого металла и величина его деформации в зоне сварки (от ударов молота), которые трудно было выдерживать в требуемом достаточно узком диапазоне.

Для широко применяемой в настоящее время сварки плавлением, когда происходит локальное расплавление свариваемых поверхностей и образование общей сварочной ванны с последующей кристаллизацией, требуется мощный источник теплоты, способный локально расплавить металл. А такого источника в то время не существовало.

2.2. ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ

С электрическими явлениями в природе человек познакомился очень давно. Например, это были: гроза, способность янтаря, натёртого шерстью, притягивать мелкие частички различных веществ; с древних времён были известны людям и некоторые свойства при-родных магнитов.

В России интерес к электричеству постоянно возрастал со времён М. В. Ломоносова. И как только стало известно о создании итальянским физиком А. Вольта нового источника, способного давать электрическую энергию в результате химических реакций, русские исследователи начали работать с электрическим током. В начале 1802 г. профессор Петербургской медико-химической академии В. В. Петров построил самый крупный для того времени источник тока - батарею из 4200 пар медных и цинковых кружков. Именно этой батарее и было суждено стать исторической: на ней впервые в мире получена электрическая дуга. Её назвали вольтовой по названию источника тока - вольтова столба.

Но современники не сумели по достоинству оценить открытие учёного. От открытия В. В. Петрова до технического применения дугового разряда с целью соединения (сварки) и разъединения (резки) металлов прошло около 80 лет. Открытие В. В. Петрова значительно опередило свой век. Надо было появиться на свет новому русскому умельцу-самородку Николаю Николаевичу Бенардосу, который на основании дуги Петрова и достижений мировой электротехники создал принципиально новый способ сварки и резки металлов - электродуговой.

Николай Николаевич Бенардос родился 26 июля (7 августа) 1842 г, через восемь лет после смерти профессора В. В. Петрова, в деревне Бенардосовка на Херсонщине (ныне село Мостовое Николаевской области). С ранних лет он проявлял интерес к различным ремёслам, особенно к технике. И хотя по настоянию отца, полковника в отставке, ему пришлось поступить на медицинский факультет Киевского университета, он там не доучился и перешёл в Московскую земледельческую и лесную академию (ныне Тимирязевская сель-скохозяйственная академия).

В 1869 г. Н. Н. Бенардос поселился в заштатном городке Лух Юрьевского уезда Костромской губернии. Он построил в имении матери механические мастерские и занялся воплощением своих изобретений, испытаниями и усовершенствованием их. Более 120 оригинальных изобретений сделал Н. Н. Бенардос; многие его идеи не потеряли своего значения и сейчас. Диапазон изобретений поразителен: железные бороны и углубители, скороварки и молотильные машины, паровые ножницы и пневматическая поливалка, пароходные колёса с поворотными лопастями и охотничьи лодки, замки и краны, турбины для гидроэлектростанций и пушка для метания канатов на терпящий бедствие пароход, летательные аппараты и станки для обработки металла и дерева, пневматические и вагонные тормоза и ветряной двигатель.

Большое количество изобретений сделал он в области электротехники. И самым важным из них, принесшим ему мировую славу, стал разработанный им в 1882 г. способ электродуговой сварки, названный электрогефестом. Металл расплавлялся дугой, горящей между угольным электродом, закреплённым в специальном держателе (рис. 2.3), и изделием, подключённым к полюсам источника тока.

При этом между генератором и дугой подключалась батарея аккумуляторов. Генератор работал непрерывно, заряжая аккумуляторы, и в момент возбуждения дуги между электродом и металлом энергия подавалась в дугу в большом количестве.

Однако такой источник питания был, конечно, далёк от совершенства. В результате напряжённого труда к лету 1885 г. Н. Н. Бенардосу удалось полностью разработать технологию сварки стали и чугуна, а также аппаратуру для сварки, успешно провести испытания. В 1885 г. 6 июля он обратился в Департамент торговли и мануфактур России с прошением о выдаче ему привилегии на «Способ прочного скрепления металлических частей и их разъединения непосредственным воздействием электрического тока». На этот процесс Н. Н. Бенардосу выдали патенты во Франции, Бельгии, Великобритании, Германии, Швеции, позже в Италии, США, Австро-Венгрии, Дании и других странах.