Прочитайте онлайн 100 знаменитых изобретений | Электрическая сварка

Читать книгу 100 знаменитых изобретений
266+10586
  • Автор:
  • Язык: ru
Поделиться

Электрическая сварка

Сварка представляет собой процесс создания неразъемного соединения твердых материалов. Она происходит при местном сплавлении или совместном пластическом деформировании свариваемых частей.

Простейшие приемы сварки применялись, по оценкам историков, еще в VIII–VII тысячелетии до н. э. Медные изделия предварительно подогревались, а затем сдавливались. Позже изделия из меди, бронзы, свинца, золота и серебра соединялись при помощи литейной сварки. При этом соединяемые детали заформовывали, подогревали и в месте соединения заливали расплавленным металлом. Для изделий из железа и его сплавов применялась так называемая кузнечная или горновая сварка. Их нагревали до «сварочного жара», а затем проковывали. Вплоть до конца XIX в. применялись только эти способы сварки.

Развитие электротехники вызвало к жизни новый способ соединения металлов – электрическую сварку, предложенную в 1867 г. американским электротехником Томсоном.

Томсон пропускал электрический ток большой силы и небольшого напряжения через два куска металла, предназначенных для сварки и расположенных так, чтобы они соприкасались в месте сварки. Сопротивление прохождению тока в месте стыка кусков металла вызывало выделение тепла, достаточное для сварки металлических частей. Однако этот способ сварки металлов, названный позже контактным, не получил в это время широкого распространения.

Русские изобретатели электрической сварки H. Н. Бенардос и Н. Г. Славянов пошли по другому пути.

Для электросварки они применили электрическую дугу, т. е. использовали явление, при котором между сближенными угольным и металлическим электродами возникает яркое пламя огромной температуры, которое и расплавляет металл. Ее открыл в 1802 г. русский ученый В. В. Петров. Он рекомендовал использовать свое открытие как источник тепла.

В 1882 г. H. Н. Бенардос предложил способ сварки, названный им «электрогефест». Бенардос соединил один полюс сильной электрической батареи с угольным электродом, а другой – со свариваемым металлом. Как только он подносил электрод к металлу, вспыхивала яркая дуга, расплавлявшая края свариваемых швов. В месте соединения образовывался шов, представляющий собой полоску сплавленного металла. Для заполнения зазора между свариваемыми листами, усиления шва или наплавления другого металла в зону сварки вводился присадочный пруток.

Способ Бенардоса получил широкое применение на железных дорогах при ремонте рельсов и подвижного состава. Совершенствуя его, изобретатель в дальнейшем разработал не только сварку при помощи угольного электрода, но и изобрел, по существу, основные способы дуговой электрической сварки, применяемые и поныне.

Вначале электросварку использовали для исправления не вполне удавшихся металлических отливок, заварки трещин и пустот в металлических изделиях, восстановления изношенных поверхностей.

Затем она стала применяться не только для вспомогательных ремонтных работ, но и как основной технологический процесс производства новых изделий.

Так, в Великобритании на заводах компании «Ллойд – Ллойд» при помощи сварки приваривали стальные фланцы к железным трубам, проделывали отверстия во фланцах, сваривали железные трубы.

В Германии фирма «К. Мюллер» поставила товариществу братьев Нобель трубы для буровых скважин диаметром 2,1 м, сваренные по способу Бенардоса. Они выдерживали давление до 7 МПа.

Развивая и совершенствуя способ электросварки, созданный H. Н. Бенардосом, Н. Г. Славянов в 1888 г. разработал свой способ использования электрической дуги для сварки металлов. В отличие от Бенардоса, Славянов применял при сварке только металлические электроды. Металлический электрод у него служил как для поддержания электрической дуги, так и для получения из него расплавленного металла, необходимого для создания шва или заливки. Сварочная ванна в аппарате Славянова была защищена слоем шлака – расплавленного металлического флюса. Швы накладывали отдельными участками, а для того, чтобы шлак и расплавленный металл не растекались, зону сварки ограничивали барьером из формовочной земли.

Для поддержания достаточной электрической дуги Славянов разработал и применил на практике электрифицированный сварочный полуавтомат, или, как он его назвал, «плавильник». «Плавильник» подвешивали над местом сварки. Постоянство длины дуги в пределах оплавления электрода поддерживалось двумя соленоидами, втягивающими железный сердечник и обеспечивающими автоматическую подачу электрода. По мере оплавления электрод подавали в зону сварки вручную через маховичок, вращавший направляющие ролики.

Будучи замечательным технологом, Славянов добился исключительно высокого качества работ, подвергая сварке не только железо и сталь, но и чугун, бронзу, латунь. Свое изобретение Н. Г. Славянов назвал «электрической отливкой металлов».

Изобретение Славянова применялось для исправления дефектов литья, ремонта деталей паровозов, паровых машин, артиллерийских орудий.

В 1889 г. будущий основатель фирмы «Дженерал электрик» Ч. Коффин применил двухэлектродный держатель для сварки дугой косвенного действия, в которой объект сварки не включен в цепь сварочного тока.

В конце XIX в., несмотря на успехи способов Бенардоса и Славянова, часто применяли электрический ток для нагрева до размягчения отдельных участков кромок изделия, после чего окончательное изделие формировали ручной или механической проковкой. Обычно это были изделия с короткими швами, поскольку необходимо было проковать весь шов до его остывания.

Одновременно с «электрогефестом» появился еще один метод электросварки – контактная сварка. При контактной сварке через место соприкосновения соединяемых частей пропускают электрический ток, который нагревает металл в этом месте до размягчения, затем сдавливают части, получая прочное соединение. Количество теплоты, выделяющейся при прохождении тока, по закону Джоуля – Ленца пропорционально электрическому сопротивлению. В 60-е гг. XIX в. патент на такое соединение получил ангиличанин Ф. Уальд. Но он не разработал его до промышленного применения. Слава изобретателя стыковой контактной сварки закрепилась за американцем Э. Томсоном. В 1884 г. он сконструировал мощный трансформатор и специальные клещи-тиски для зажима свариваемых брусков, а в 1886 г. получил два первых патента на стыковую контактную сварку сопротивлением.

За короткое время Томсон и его сотрудники – Коффин, Девейн, Лемп, Расмуссен – получили 150 патентов по контактной сварке. В 1889 г. фирмой «Джонсон» впервые были сварены железнодорожные рельсы. Кроме этого применения стыковой контактной сваркой в первое десятилетие после изобретения сваривали только неответственные детали.

Одновременно со способом Томсона другой способ контактной сварки – точечную контактную сварку изобрел и H. Н. Бенардос. Немецкий патент свидетельствует, что это произошло до 1887 года. Бенардос подвел ток к двум наложенным друг на друга стальным пластинам с помощью клещей, в которые вставил угольные электроды. Проходя через электроды, зажимавшие пластины, нагревал их. Выделившейся теплоты было достаточно для образования сварной точки.

В конце XIX – начале XX в. электросварка не получила широкого распространения: электроэнергия была малораспространенной, известные способы сварки не были универсальными и мобильными, а удовлетворительное качество переплавленного металла обеспечивалось ценой высокой трудоемкости.

Но без сварки в то время уже нельзя было обойтись, и в начале XX в. родился еще один способ не только быстрого соединения металлов, но и их разъединения, основанный на использовании теплоты, выделяемой при сгорании газов. Попытки использовать горючие газы для резки металлов делались многократно, но необходимые для этого температуры достигаются только при сжигании газов или паров жидкости в смеси с чистым кислородом. Поэтому применение газовой сварки появилось с возможностью получения технически чистого кислорода в промышленных масштабах.

В 1840 г. немецкий химик Д. Рихман разработал аппарат для получения кислорода путем взаимодействия азотной кислоты и цинка. Водородным пламенем, образующимся на выходе из горелки, можно было паять и сваривать легкоплавкие металлы. Кислородное пламя имело температуру 2600 °C и могло расплавить платину, золото и серебро. Появление в 1880-х гг. электролиза облегчило получение водорода и кислорода.

Сам термин «газовая сварка металлов» впервые употребил француз Д. де Рисимен в 1840 г., описывая в статье способ сварки свинца при помощи воздушно-водородной горелки. Одновременно велась работа по созданию надежной аппаратуры. Одной из первых таких конструкций была горелка американца Р. Хейра для получения водородно-кислородного пламени. Для предотвращения обратного удара (потока горящего газа внутрь системы) в 1847 г. он создал диафрагму в водородном канале, через которую газ выдавливался в наконечник горелки и выходил наружу. В 1850 г. француз Девиль создал горелку