3 (1016817), страница 3
Текст из файла (страница 3)
2.3. РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА КОНТАКТНОЙ ЭЛЕКТРОСВАРКИ
Независимо от изобретателей на Западе Н. Н. Бенардос предложил технологию точечной контактной электросварки - второго из самых распространённых в настоящее время способов сварки металлов. Сущность этого способа заключалась в том, что к двум стальным пластинам, помещённым одна на другую, подводился ток с помощью специальных клещей (рис. 2.6), в которые были вставлены угольные электроды. Ток проходил через электроды, между которыми зажимались пластины, и выделившейся теплоты было достаточно для образования сварной точки.
Рис. 2.6. Клещи Бенардоса для контактной сварки
Слава изобретателя стыковой контактной сварки закрепилась за выдающимся
американским изобретателем Эльхью Томсоном, который в 1870 , когда ему было только 17 лет, начал преподавать химию и механику в Центральной высшей школе в Филадельфии, а через несколько лет уже читал лекции во Франклиновском институте.
Одна из проблем в конце XIX в. - соединение телеграфных проводов. Эта проблема была решена с помощью стыковой контактной сварки. К 1884 г. Э. Томсоном созданы необходимые для контактной стыковой сварки элементы оборудования: коммутирующая аппаратура, динамо-машина для генерирования переменного тока, подаваемого на трансформатор большой удельной мощности, специальные токоподводящие зажимы. В 1885 г. он отрабатывает технику сварки, доводит до безотказной работы сварочную аппаратуру и в начале 1886 г. подаёт заявку на патент, защищающий принципиально новый способ электрической сварки.
Способ Томсона описывается так: «свариваемые предметы приводятся в соприкосновение местами, которые должны быть сварены, и через них пропускается ток громадной силы - до 200000 ампер при низком напряжении — 1—2 вольт. Место соприкосновения представит току наибольшее сопротивление и потому сильно нагреется. Если в этот момент начать сжимать свариваемые части и проковывать место сварки, то после охлаждения предметы окажутся хорошо сваренными»1. Проковка была не просто данью моде, не остатком прежней технологии, а приёмом, обеспечивающим повышение качества металла шва. Поскольку кроме нагрева применялось и механическое сдавливание, первоначально способ называли «электрической ковкой» или «безогненным методом сварки».
Первое устройство, выполняющее нагрев и сжатие двух проводов, состояло из двух рычагов, на одном конце соединённых шарниром из изоляционного материала, а с другого конца связанных пружиной через изоляционные втулки (рис. 2.7).
Р
ис. 2.7. Схема первой установки для контактной сварки:
1 — шарнир; 2 - рычаги; 3 - зажим; 4 -свариваемые детали; 5 - стык; 6- стопорный винт; 7 – пружина
В этих рычагах посередине зажимались свариваемые детали — провода, стержни и т. п.В следующей установке был применен трансформатор с замкнутым контуром (рис. 2.8). На его первичную обмотку подавалось напряжение 600 В, и по ней протекал ток силой 20 А. Эта обмотка наматывалась на катушку диаметром 305 мм. Катушку охватывал и виток вторичной обмотки, концы которой подключались через зажимы к свариваемым деталям. По сварочной цепи протекал ток 12000 А при напряжении 1 В.
Э. Томсон сконструировал установку, в которой ток прерывался синхронно с прикладываемым усилием сжатия. Для развития больших усилий сжатия изобретатель разработал аппарат с гидравлической системой (следует напомнить, что механические и гидравлические системы широко применялись ещё в древних цивилизациях - китайской, вавилонской, египетской, греческой). Следующим шагом в развитии стыковой контактной сварки было применение импульсов тока и давления. По мере расширения сферы применения стыковой сварки совершенствовалась её технология и разрабатывались новые схемы нагрева. Были предложены несколько способов комбинированной (дуговой и контактной) сварки.
Ч. А. Коффин применил сварку стержней большого сечения с предварительным нагревом вибрирующей короткой дугой. Им же разработана технология сварки с промежуточной угольной пластиной — электродом, подключаемой ко вторичной обмотке и вставляемой на
2.8. Схема установки для контактной сварки, снабжённой трансформатором с замкнутым контуром: / - сердечник; 2 - первичная обмотка; 3 - виток вторичной обмотки; 4 - свариваемые детали; 5 - стык; 6 - пружина; 7 –ст. винт
время разогрева между стыкуемыми деталями. В других устройствах между свариваемыми деталями помещали металлическую пластину, а ток подводили к концам деталей через угольные контакты. Пластину выбирали из материала с большим удельным электросопротивлением, чем у свариваемого металла, благодаря чему ускорялся нагрев. Перед сжатием вставку удаляли. Коффин предложил также пропускать магнитное поле через свариваемый участок, считая, что это вызовет структурные изменения, приводящие к уменьшению проводимости свариваемого металла, а следовательно, к ускорению нагрева.
Установки для контактной стыковой сварки часто называли «электрическими горнами». В 1892 г. Э. Райс использовал принцип контактной сварки в «кузнечном горне для ювелиров». Он предложил пластины, к которым нужно было приварить орнамент из проволоки, помещать на металлическую плиту, подводя к ней ток от вторичной обмотки сварочной машины. К началу XX в. относятся сообщения о применении фирмой «Фиат» контактной сварки для изготовления самолётных двигателей.
В 1928 г. фирма «Стаут метл эйрплэйн» (отделение фирмы «Форд мотор») использовала контактную сварку на линиях изготовления конструкций из дюрапюмина. В начале 1930-х гг. в Америке была проведена серия статических и усталостных испытаний на образцах, а затем и на натурных моделях для определения возможностей применения контактной сварки конструкций из легких сплавов. Разработаны технология и оборудование, которые приняли в производство фирмы «Дуглас», «Боинг» и «Сикорски». В 1935 г. в США изготовлен монолитный цельносварной балочный фюзеляж.
В то же время необходимо отметить, что конец XIX в. и первые десятилетия XX в. не были годами широкого распространения электротехнологии. Время торжества электросварки ещё не наступило, потому что электрическая энергия оставалась дефицитной, известные способы сварки — не достаточно универсальными и мобильными, а удовлетворительное качество переплавленного металла обеспечивалось ценой высокой трудоёмкости. Но без сварки уже нельзя было обойтись, и в начале XX в. родился ещё один способ, причём не только соединения металлов, но и быстрого эффективного их разъединения, основанный на использовании теплоты химических реакций.
2.4. РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ГАЗОВОЙ СВАРКИ
Попытки использовать горючие газы для сварки металлов плавлением (без ковки), вероятно, делались многократно. Но необходимые для этого температура пламени и концентрация теплоты достигаются только при сжигании горючих газов (или паров горючих жидкостей) в смеси с кислородом. Поэтому газовая сварка не могла найти применение раньше, чем появилась возможность получать в промышленных масштабах технически чистый кислород.
Одновременно с поиском газов работали и над созданием надёжной аппаратуры для сварки. В первую очередь необходимо было сконструировать горелку, обеспечивающую хорошее смешение горючего газа с кислородом, высокую концентрацию теплоты на выходе из
сопла и взрывобезопасность (ацетилен в 1870 г. считался хорошим взрывчатым газом, что подтвердилось несколькими катастрофическими взрывами).
Одной из первых (1847 г.) заслуживающих внимания конструкций была горелка американского изобретателя Р. Хейра для получения водородно-кислородного пламени. В 1850 г. во Франции С. К. Девиль создал горелку, в которой водород и кислород смешивались ещё до выхода наружу (подобная схема применяется и в современных сварочных горелках). Температура кислородно-водородного пламени достигала 2600 °С.
Тем временем в поле зрения техников попадает ацетилен - газ, теплота сгорания которого в несколько раз больше теплоты сгорания водорода, а температура пламени в смеси с кислородом достигает 3200 °С. Ещё в 1836 г. ацетилен получали из карбида кальция, разлагавшегося в воде. Но в то время карбид кальция—дорогое химическое соединение, получаемое в лабораторных условиях. И только в 1892 г, когда был разработан процесс электрической выплавки карбида кальция при взаимодействии негашеной извести с коксом СаО + ЗС = СаС2 + СО,
себестоимость карбида кальция снизилась в тысячу раз, что позволило начать его широкое применение для получения ацетилена.
В 1895 г. французский исследователь Анри Ле Шателье отметил, что кислородно-ацетиленовое пламя не только имеет высокую температуру, но и не окисляет расплавленного железа. Именно такое пламя было необходимо для сварки. Горелки, в которых кислород и ацетилен смешивались снаружи, по выходе из сопла, оказались не-работоспособными. При горении образовывался твёрдый плотный нагар углерода, засорявший газовый канал.
Французский инженер Ш. Пикап рискнул смешать оба газа в горелке, до выхода из мундштука, подобно тому, как это делал Девиль с кислородом и водородом. Такая конструкция требовала подачи ацетилена под давлением, и горелки работали, когда газ подавался из баллонов.
При транспортировке сжиженного ацетилена в баллонах зачастую происходили взрывы, и это тормозило внедрение газовой сварки. Последнее препятствие преодолел А. Ле Шателье, предложивший помещать раствор газа в ацетоне в пористое тело. Баллоны наполняли губкой, а потом заливали ацетон и накачивали ацетилен.
Теперь для широкого промышленного применения газовой сварки необходимо было найти способ получения дешёвого кислорода. И с этой проблемой справился немецкий физик и инженер К. Линде. В 1885 г. он сконструировал и построил первую в мире промышленную установку для получения жидкого воздуха, а в 1902 г. создал ректификационный аппарат для разделения воздуха на компоненты. Это открыло дорогу широкому применению кислорода в технике.
Таким образом, к началу XX столетия трудами многих учёных и изобретателей был создан ещё один способ сварки металлов - ацетилено-кислородная сварка. Она не нуждалась в больших затратах электрической энергии; газосварочные установки были автономны, подвижны, несложны в эксплуатации. Серьёзным преимуществом этого способа по сравнению со способами Бенардоса и Славянова была возможность просто и эффективно улучшить качество металла шва, защитив пламенем зону сварки от воздействия воздуха.
Особенно много сторонников газовой (автогенной) сварки было во Франции и Германии. Здесь усиленно совершенствовали горелки, газовые генераторы для получения ацетилена, клапаны, редукторы, исследовали причины дефектов, выбирали оптимальные режимы сварки и формы разделки кромок.
В России газовая сварка освоена в 1906 г. Она применялась для исправления брака литья, для изготовления неответственных деталей машин, при ремонте изделий из низкоуглеродистой стали, меди и чугуна, в железнодорожных мастерских. К началу 20-х г. XX в. в сварочном производстве преобладала газовая сварка. Работало несколько заводов по производству кислорода. Газовую сварку применяли для сооружения магистральных нефтепроводов в 1926-1935 г. В 1926 г. было создано русско-американское акционерное общество «Рагаз», основная задача которого заключалась в развитии газовой сварки в СССР. Начался выпуск горелок, резаков, редукторов, ацетиленовых генераторов.
Для полной победы газа над дугой не хватало только увеличения скорости сварки. И тут оказалось, что у газовой сварки почти нет резерва, что из неё больше нечего «выжать» - ни мощность, ни концентрация пламени «не желали» повышаться. А при дуговой сварке
проблема увеличения скорости решалась путём увеличения силы тока дуги (разумеется, до определённого предела). Но пластичность металла шва, полученного дуговой сваркой, была низкой, что зачастую сводило на нет все
преимущества данного метода.
Сущность процесса газовой сварки заключается в следующем: кислород и
Рис. 2.9. Ацетиленокислородная газовая сварка:
а - схема газовой сварки; б - комплект газосварщика; в - передвижной пост газовой сварки; 1 - присадочная проволока; 2 - горючая смесь; 3 –наконечник
ацетилен подаются в газовую горелку по резиновым шлангам, а на выходе из сопла горелки образуется пламя, мощность и состав которого можно регулировать, изменяя расход газа и соотношение между поступающими кислородом и ацетиленом. Схема ацетиленокислородной горелки с двойной регулировкой поступающих газов, а также комплект газосварщика и общий вид передвижного газосварочного поста приведены на рис. 2.9.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
