Глава 2. Развитие электрической сварки

В начале 19 века на основе достижений в области физики и электротехники в развитии сварки произошел качественный скачек, результатом которого было появление новых способов сварки, являющихся основой современной сварочной техники.

Просмотрим в хронологическом порядке некоторые открытия и события предшествующие появлению электрической сварки.

О природе электрических явлений люди знали издавна. Древние мудрецы установили связь между свойствами натертого шерстяной тканью янтаря и атмосферным электричеством.

За 2000 лет до нашей эры в Китае использовали компас

В 1600 г англичанин Уильям Гильберт опубликовал книгу «Про магнит, магнитные тела и большой магнит-Землю”, занимаясь вопросами электрических и магнитных явлений, открыл магнитную индукцию.

В 1672г немецкий физик Отто фон Герике создал машину, в которой при трении получался заряд статического электричества.

В 1745г нидерландский физик Питер фон Мушенбрук изобрел электрический конденсатор для накапливания электричества.

Исследование по выяснению природы грозового электричества производили Ломоносов и Рихман.

В 1799г итальянский ученый Вольта построил первый в мире источник электрического тока – «вольтов столб», состоящий из разнородных металлических прутков (медь+цинк), проложенных бумажными кружками, смоченными водным раствором нашатыря.

Одним из важных в этом ряду было открытие сделанное русским академиком Петровым В.В.. В 1802г на построенной им мощной гальванической батарее он впервые в мире наблюдал явление электрической дуги.

Проводя опыты он использовал электрометр изобретенный Георгом Рихманом по изучению электропроводности различных материалов, он подсоединял к источнику эл. тока различные предметы из цинка, серебра, олова, железа и даже льда и по отклонению льняной нити на определенный угол определял, какое количество тока проходит через тот или иной проводник.

Когда он присоединял угольный стерженек обожженный из древесной палочки, она случайно разломилась пополам и между разломанными частями вспыхнуло ярчайшее маленькое пламя - электрическая дуга.

Он повторил опыт несколько раз и каждый раз горение дуги повторялось

Часть открытия дуги начали присваивать Г. Дэви- крупному английскому физику и химику, который в 1808 году также обнаружил электрическую дугу. Доклад, сделанный им по этому поводу не привлек внимания научного мира, т.е. отнеслись к этому открытию как к научному курьезу.

В 1815г английский физик Чилдрен расплавил и наварил в электрической дуге иридий, оксид церия и другие тугоплавкие материалы.

Петрова не вспоминали до тех пор, пока электрическая дуга не стал служить человечеству и один петербуржский студент не обнаружил книгу Петрова, изданную в 1803 году «Известие о гальвани-вольтовых опытах » о световом явлении посредством гальвани-вольтовой жидкости. «Пламя» горящее между двумя горизонтально расположенными углями – электродами принимало форму направленной вверх дуги и позже получило это название.

В 1900 году на Всемирной Парижской выставки в числе выдающихся электриков была названа фамилия русского ученого Петрова.

В 1820 году датский физик Эрстед открыл магнитное поле, окружающее проводник с током.

В 1821 году Деви продолжал исследования с дугой, описал действие магнитного поля на дугу.

Примерно в это же время французский ученый Араго Д.Ф. изобрел электромагнит, а французский же физик Ампер установил, что протекающие по параллельным проводникам токи притягивают или отталкивают друг друга.

В 1831 году английский физик Фарадей открывает явление электромагнитной индукции, заложив тем самым основы электротехники.

Максвелл вывел уравнение характеризующее электромагнитные поля и происходящие в них процессы.

Большой вклад в развитие основ электротехники внесли русские ученные – Якоби, Ленц, Лачинов и другие.

В середине 19 века разрабатываются конструкции ламп для бытового освещения и прожекторов.

В 1876 году русский изобретатель Яблочков создал так называемую «свечу Яблочкова»- дуговые лампы освещения улицы Петербурга, Парижа, Лондона. Они были снабжены автоматическими регуляторами, содержащие настоящую длину дуги.

Большой вклад в совершенствование конструкций ламп внес Чиколев.

Эти работы позволили глубже изучить свойства дугового разряда и были применены при создании и совершенствовании дуговой сварки.

И вот в 1881 году Бенардос создал первый в мире реальный способ дуговой сварки.

То что способ родился в России не было случайным – основой ему были исследования и технические разработки в области электротехники, металлургии, металловедения.

Из биографии Бенардоса 1842года.

Он был разносторонним изобретателем – источники питания дуги – аккумуляторы, сельсхозустройства, устройства для точечной сварки.Свой способ дуговой он назвал «электрогефест».

В октябре 1888 года на заводе в Перьми другой русский изобретатель Славянов демонстрировал свой способ сварки. Способ заключался в том, что вместо угольного электрода была использована сварочная проволока при этом дуга горела между изделием и проволокой и грела а роль присадочной меры накладывали отдельными участками и чтобы расплавленный металл не растекался, зону сварки ограничивали барьером из земли.

В 1891 году он получил русскую привилегию на изобретенный им метод электрической отливки металлов.

За небольшой срок (3.5 года) на Метовилихинском заводе было выполнено более 1600 работ по сварке и наплавке ответственных изделий.

Заплавляли дефекты отливок, трещины и т.д.

В 1889 году в США Коффин, будущий основатель фирмы «Днерал электрик» предложил двухэлектродный держатель для сварки тонколистового металла дугой косвенного действия. Он также как и Бенардос, создавал под свариваемыми листами магнитное поле влияющее на дугу и сварочную ванну.

В это же время в Германии Церенер разрабатывает такой же способ и держатель.

В 1884 году американский изобретатель Томсон сконструировал мощный трансформатор и клещи для зажима металлических брусков, которые были сварены в стык.

(Следует заметить что и у Бенардоса тоже имеется патент на точечную сварку).

Вообще конец 19 начало 20 века не были годами широкого распространения электротехнологии и в, частности, электрической сварки. Электрическая энергия оставалась дефицитной. Известные способы сварки были достаточно сложны, а удовлетворительное качество переплавленного металла обеспечивалось ценой высокой трудоемкости.

Некоторые сварщики конца 19века на исходной ступени - применяя электрический ток для нагрева и размягчения отдаленных участков кромок изделия, а затем просовывая их, применяя метод сварки.

В тоже время для дуговой сварки по способу Славянова нужны были плавящиеся стальные электроды.

В 1907 году шведский инженер Оскар Кельберг предложил наносить на металлический стержень слой покрытия из различных веществ повышающих устойчивость горения дуги.

Несмотря на все трудности возникающие в процессе сварки без нее уже нельзя было обойтись

В конце 19 начало 20 века (на рубеже веков) появился новый способ не только соединения но и разделения металлов, основанный на использовании теплоты химических реакций.

Исследования проведенные французским ученым Ле Шателье способствовали созданию способа газовой сварки и резки. В 1895 году он доложил французской академии наук о получении высокотемпературного пламени (3150-3200⁰С) при сжигании смеси ацетилена и кислорода.

В начале 19 века французские инженеры Фуше и Пикар разработали конструкцию ацетилено-кислородной горелки, которые практически не изменились до настоящего времени.

В 1904 году были разработаны резаки.

В 1908-09 годах во Франции и Германии были выполнены основные работы по подводной резки металлов. Вскоре подводная газовая резка применялась на флотах Америки и Англии.

В 1915 году за границей разрабатывается и используется технология дуговой резки.

В России газовая сварка и резка применялась прежде всего для исправления браков литья, в ремонтных работах и очень ограниченно для неответственных изделий с использованием оборудования и материалов.

В 1910-11 годах на заводах Урала и Украины в эксплуатации буквально единицы газовых постов, а с 1911года в Петербурге на заводе «Перун» начинается изготовление аппаратуры для газовой и резки металлов.

В этом же году газовая сварка была допущена при изготовлении паровых котлов, разрешив сварку неответственных частей котлов, но с условием проковки после сварки и по мере возможности – отжига.

В период первой мировой войны газовая сварка развивалась более интенсивно и до начала 30-х годов она занимала ведущее положение в сварочном производстве.

С ее помощью выполнялись ответственные работы. Например, в 1926-35 годах с ее применением и были настроены магистральные трубопроводы Гурьев-Орск, Баку-Батуми, Грозный-Туапсе.

И до 1948 года газовая и особенно газопрессовая сварка использовалась при сооружении трубопроводов.

А дуговую электрическую сварку по способам Бенардоса и Славянова продолжали применять в России и странах западной Европы главным образом на железных дорогах, а также на машиностроительных и металлургических заводах.

Например, в Воронежских народных мастерских исправляли дефекты колесных пар, паровозных рам, при ремонте паровозных котлов и т.д.

На Каменском машиностроительном заводе – для сварки труб, резервуаров пневматических тормозов, ремонта чугунных изделий и т.д.

Несмотря на отдельные положительные моменты дуговая сварка отставала от газовой. Для решения вопросов создания конкурентоспособного способа необходимо было решить ряд проблем, особенно для способа сварки плавящимся электродом.

Дело в том, что дуга на угольном электроде зажигается легко и устойчиво горит. Электрод почти не обгорает, длина дуги поддерживается в широком диапазоне (3-15мм). Выполнять сварку в таких условиях вручную практически легко и просто.

При сварке же плавящимся электродом дуга на металлическом электроде имеет малую длину. При удлинении дуги имеет место значительное разбрызгивание металла, дуга горит неустойчиво, наблюдается «блуждание» ее. Кроме того электрод плавится с большой скоростью (200мм/мин) при этом сварщик должен поддерживать дуговой промежуток (длину дуги) в пределах 1-3 мм. Поэтому необходимо было найти не только способы защиты металла зоны сварки и легирование сварочной ванны, но и обеспечить процессы возбуждения и поддерживания дуги.

То есть необходимо было совершенствовать источники питания сварочной дуги.

Продолжались исследования и проводились работы по созданию электродов, обеспечивающих высокое качество сварки. Электроды предложенные Къельбергом не обеспечивали достаточную защиту расплавленного металла от воздуха, ванна насыщалась азотом и окислялась кислородом окружающего воздуха. В тоже время идея Къельберга легла в основу целого направления в сварочном производстве – метода ручной дуговой сварки штучными электродами.

В 1911году англичанин Строменгер предложил обматывать металлический стержень асбестовым шнуром и приматывать жидким стеклом (силикатом натрия Na₂O*SiO₂) (поташ – K₂CO₃, мел – CaCO₃)

Тонкая Al проволока наматывалась поверх покрытия. Покрытие электрода было толще, шлака хватало для защиты, а с помощью Al – активного раскислителя, часть железа восстанавливалось и попадало в металл шва. Под названием «Квази-арк»они распространялись в Европе и Америке. Вскоре одна из американских фирм наладила выпуск специализированных электродов, при этом стержень электрода выбирали в зависимости от сорта стали, которую нужно было сварить.

В 1914 году англичанину Джонсу был выдан британский патент на электрод, покрытие которого наносилось методом опресовки. Покрытие состояло из шлака, жидкого стекла.

В 1917 году американские инженеры Андрус и Стресау предложили электроды, стальной стержень которого был обернут бумагой приклеенной силикатом натрия (жидким стеклом). Дым при сгорании улучшал защиту зоны сварки, а присутствие в дуговом разряде натрия, имеющего низкий потенциал ионизации, облегчало технику выполнения ручной дуговой сварки.

Благодаря этим и другим техническим решениям были разработаны электроды с покрытиями обеспечивающими высокое качество сварных соединений из стали и других металлов.

Разработка технологии «электрогефеста» развивалось одновременно с разработкой источников питания. Сварочный аккумулятор Бенардоса нашел применение во всех странах мира.

Однако эксплуатация большого числа аккумуляторов представляла серьезные трудности вызванные вредными условиями труда, необходимостью систематической зарядки, невозможностью транспортировки.

В 1925 году англичанин Смит А.О. предложил конструкцию электрода – обмотал мастерски бумажной лентой и обмазал ее жидким стеклом с порошкообразными добавками веществ улучшающих защиту и даже легирующих Ме шва.

В том же году французские изобретатели О. Монейрон и О. Саразен разработали еще один рецепт покрытия металлических стержней толстым слоем обмазки. Компонентами в рецепте стали соединения щелочных и щелочноземельных металлов (калия, натрия, кальция) полевой шпат, мел, мрамор, сода. Эти элементы обладаю низким потенциалом ионизации те для отрыва электрона от атома требуется меньше энергии, чем при ионизации железа, марганца, кремния.

Легче возбуждать и поддерживать горение дуги.

Дело в том, что ионизирующие вещества вводили в состав электрода для ламп дугового освещения.

Сварочный генератор предложенный и построенный Славяновым, несколько упростил уход за источником питания. Однако для сглаживания пиков тока в цепи оставалась аккумуляторная батарея, т.е. конструкция генераторов была еще не совершена.

В 1907 году на заводе «Линкольн электрик» в Америке был выпущен первый генератор с регулируемым напряжением.

В 1909 году свой генератор постоянного тока создал американский промышленник и изобретатель Вестингауз.

В это же время начинает выпускать мотор-генераторы фирма «Дженерал электрик» возглавляемая Коффином.

Электрическая промышленность разных стран уже осваивала переменный ток. Его применение сулило большие преимущества, и в первую очередь, упрощение источников энергии - сварочных трансформаторов, так как в них не было сложных вращающих деталей, работали они бесшумно, были просты в обслуживании.