100 знаменитых изобретений - Владислав Пристинский

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, в которой, как и в современных горелках, водород и кислород смешивались до выхода наружу.

Позже химики стали использовать в горелках ацетилен С2Н2, теплота сгорания которого более чем в 5 раз выше теплоты сгорания водорода, температура пламени в смеси с кислородом достигает 3200 °C. Еще Г. Дэви получил ацетилен, разлагая водой карбид кальция. Но карбид кальция был дорог, и потребовалось несколько десятков лет, чтобы найти дешевый способ его производства. Для его промышленного производства было применено электричество. В 1892 г. основатели фирмы «Вильсон алюминиум» Дж. Морехед и Т. Вильсон выпустили первую промышленную плавку карбида. В это же время электроплавку карбида проводит во Франции А. Муассан.

В 1895 г. А. ле Шателье в сообщении Парижской академии наук отметил, что в пламени ацетилена не окисляется расплавленное железо. Именно такое пламя было необходимо для сварки.

Французски инженер Ш. Пикар смешал ацетилен и кислород прямо в горелке, до выхода из мундштука. Это требовало подачи ацетилена под давлением, и горелки работали тогда, когда газ подавался из баллонов. Внедрение газовой сварки тормозили частые взрывы сжиженного ацетилена в баллонах при транспортировке. Для предотвращения этого А. ле Шателье предложил помещать растворы газа в ацетоне в пористое тело. Баллоны наполняли губкой, затем заливали ацетон и накачивали ацетилен. Это сделало транспортировку относительно безопасной, и ацетилен стал широко распространяться в промышленности. Но газ из генераторов выходил под нормальным давлением, поэтому применять их в горелках Пикара было опасно.

Этот недостаток устранил Э. Фуше. В 1901 г. он впервые использовал в горелках сжатый ацетилен (в ацетоне) и сжатый кислород, а в 1901 г. подал в горелку ацетилен прямо из генератора при нормальном давлении, а кислород – под избыточным давлением. Позже такие горелки применяли не только для сварки, но и для резки, увеличив давление кислорода на выходе из дополнительных каналов.

Широкое применение газовой сварки началось, когда в 1902 г. немецкий ученый К. Линде создал ректификационный аппарат для разделения воздуха на компоненты.

Преимуществом ацетиленовой сварки и резки было отсутствие потребности в электричестве, автономность, подвижность и простота эксплуатации. При газовой сварке улучшалось качество шва, поскольку зона сварки была защищена от воздействия воздуха.

Электро– и газосварка могли заменить клепку при производстве металлических конструкций, применялись в ремонте этих изделий. Но при сваривании изделий с большими площадями сечений возникали серьезные проблемы. Применение аппарата Славянова ограничивали стационарный аппарат и тяжелый генератор, а способом Бенардоса и газовой сваркой можно было выполнять швы высотой не более 3–5 мм за один проход, а при многослойной сварке снижались производительность и качество.

Эта задача была решена при помощи алюминотермии. Процесс получения металлов и сплавов восстановлением оксидов металлов алюминием открыл в 1859–1865 гг. русский ученый H. Н. Бекетов. Суть процесса состоит в том, что шихта из смеси порошков алюминия и оксида железа засыпается в тигель и поджигается. Температура горения при этом достигает нескольких тысяч градусов. В результате шихта превращается в железо и шлак. Вместо алюминия можно применять магний. Позже это было использовано при создании нового способа сварки, в котором для нагрева применяется энергия горения термитной смеси, состоящей из алюминия или магния и оксидов металлов (главным образом железа). В 1898 г. немецкий химик Г. Гольдшмидт соединил два железных бруска, заполнив место стыка термитной смесью, после чего поджег ее. Перегретое жидкое железо подплавило кромки и, остыв, превратилось в шов.

Такие преимущества термитной сварки, как портативность оборудования, возможность соединения крупных заготовок на месте и быстрого последующего использования оценили железнодорожники. Термитом сваривали рельсы, сломанные детали и т. п. Термитная сварка оказалась наиболее выгодной при соединении деталей с площадью сечения более 5 см2. Ее применяли в судостроении для сварки валов, гребных винтов, якорей, в машиностроении и других отраслях. В течение нескольких лет способ термитной сварки оставался практически неизменным.

В начале XX в. различные способы сварки получили широкое применение. С 1908 г. на заводах Форда вместо кузнечной стала применяться газовая сварка. В 1911 г. фирмой «Дэвис – Борнонвиль» был разработан пантограф, приводившийся в движение электродвигателем и перемещавший резак.