Рождение и развитие электродуговой сварки

С электрическими явлениями в природе человек познакомился очень давно. Такими явлениями были: гроза; способность янтаря, натертого шерстью, притягивать мелкие частички различных веществ; с древних времен были известны людям и некоторые свойства природных магнитов и т. д.

Еще в середине XVIII в. М. В. Ломоносов прозорливо предугадал значение зарождающейся науки об электричестве. «Электрическая сила,— считал он,— открывает великую надежду к благополучию человеческому». Его сподвижник, академик Г. В. Рихман, изучая атмосферное электричество, уже в 1753 г. указал на возможность практического применения электрических искр для плавления металлов.

Начинания Ломоносова и Рихмана развил первый русский электротехник профессор Петербургской медико-хирургической академии В. В. Петров (1761—1834), который «в истории русской физики до половины XIX в. не только хронологически, но и по своему значению непосредственно следует за М. В. Ломоносовым. Имя и дело этого замечательного ученого, организатора русской физики и ее преподавания, должно быть прочно сохранено в памяти советских физиков и техников».

Вольтова дуга Петрова В.В.

Весна 1802 г. Петербург. В большой комнате, сплошь заставленной физическими приборами, сидит человек. Перед ним на скамеечknigapetrovке со стеклянными ножками на небольшом расстоянии друг от друга уложены в одну линию три уголька. Пройдет каких-нибудь несколько минут, и эти маленькие кусочки обыкновенного древесного угля произведут целую революцию в науке. Но этого, вероятно, тогда еще не мог предвидеть и сам экспериментатор талантливый физик Василий Владимирович Петров, много лет посвятивший изучению электропроводимости различных веществ.

Он берет в руки крайние угольки и присоединяет их друг к другу. И тут происходит чудо: между кусочками угля вспыхивает яркое пламя. Необычайность этого явления поразила ученого — ведь до сих пор физики различных стран мира, располагая небольшими гальваническими батареями, могли наблюдать только более или менее мощные искровые разряды, но никогда не получали электрической дуги. Петров начинает тщательное изучение этого необычного свечения, экспериментируя со всевозможными материалами.

Прежде всего он обратил внимание на световые действия дуги, о которой впоследствии писал, что она дает пламя, «от которого темный покой довольно ясно освещен быть может». Так впервые была доказана возможность практического применения электричества для освещения. Эксперименты продолжались. Заменив один из угольков металлической проволокой, В. В. Петров заметил, что при сближении угля с проволокой «между ними появляется больше и меньше яркое пламя, от которого... металл мгновенно расплавляется». Так ученый пришел к другому очень важному выводу — о возможности использования электрической дуги для плавления металлов. Правда, о пользе «электрической силы» в этом процессе пророчески заявил еще в 1753 г. Г. В. Рихман. Но в каких конкретных формах это могло быть осуществлено, русский академик тогда еще сказать не мог.

Когда в 1799 г. итальянский физик Александра Вольта открыл вольтов столб, многие увидели в этом возможность получать электрический ток. О вольтовом столбе очень быстро узнали и в Лондоне, и в Париже, и в Петербурге. Началось увлечение изучением гальванических явлений. Однако практически это открытие долго не находило никакого применения. Петров, отлично понимая преимущества источника тока высокого напряжения, построил огромную гальваническую батарею, состоящую из 2100 медноцинковых элементов. Ее электродвижущая сила была около 1700 вольт. Всесторонне исследовав свойства этой батареи как источника электрического тока, ученый убедился, что действие ее основано на химических процессах, происходящих между металлами (медь—цинк) и электролитом. В качестве последнего служил раствор нашатыря, которым пропитывались бумажные листки, проложенные между медными и цинковыми кружками. Такая мощная установка позволила ученому производить эффективные опыты с электричеством, результатом которых стало гениальное открытие электрической дуги.

17 мая 1802 г. В. В. Петров «в присутствии медицинской коллегии и многих знаменитых особ» впервые публично продемонстрировал явление электрической дуги.

Свои опыты с электрической дугой Петров описал в вышедшей в ноябре 1803 г. книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Владимирович Петров посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков, и находящейся при Санкт-Петербургской Медико - Хирургической Академии», ставшей драгоценным вкладом в мировую научную литературу начала XIX в. Это была первая книга на русском языке по вопросам гальванизма. В те далекие времена среди ученых было принято писать научные трактаты по латыни. Петров свободно владел и латинским, и новыми европейскими языками, но, как патриот, заботящийся о широком распространении знаний в родной стране, написал книгу по-русски, изложив затронутые проблемы простым и ясным языком, доступным для любителей науки.

Рис 5. Титульный лист мемуара В.В. Петрова «Известие о гальвани-вольтовских опытах».

Книга быстро разошлась. Вскоре в печати появились многочисленные отзывы и рецензии на книгу, ученые ссылались на нее в своих работах. Казалось, результаты опытов Петрова стали широко известны среди научно-технической общественности тогдашней России. Однако шло время и о книге Петрова в России забыли. И лишь в конце XIX в. внимание к ней привлекла заметка профессора Н. Попова, опубликованная в журнале «Электричество». «Так недавно,— писал, в частности, Попов,— мне было указано одно забытое сочинение по гальванизму профессора В. Петрова, озаглавленное так: «Известие о гальвани-вольтовских опытах проф. физики Медико-Хирургической Академии Василия Владимировича Петрова. СПб., 1803 г.». По словам Попова, «студент Петербургского университета, г. Гершун (впоследствии видный отечественный электротехник.— А. Ч. Гешун), который и обратил мое внимание на это сочинение, видел его в Виленской библиотеке». Считая, что эта книга имеет исторический интерес, Попов знакомит читателей журнала «Электричество» вкратце с ее содержанием. В заключение он указывает на научный приоритет открытия Петрова: «Заметим здесь, что обыкновенно в сочинениях по электротехнике открытие вольтовой дуги приписывается английскому физику Гемфри Дэви и относится к 1813 г. ...Таким образом проф. Петрову с полным правом может быть приписано первенство в наблюдении явления вольтовой дуги, уже описанной им в печатном сочинении в 1803 году, и должно быть признано, что еще один из первых шагов в области электротехники принадлежит нашему соотечественнику, имя которого, должно бы, по справедливости, занять место рядом с именами Якоби и Шиллинга».

Рис. 6. Снимок двух страниц из книги В.В. Петрова, где он сообщает о своих первых наблюдениях над вольтовой дугой.

В. В. Петров не только открыл явление электрической дуги, изучил и описал ее особенности, но и указал на возможные области ее практического применения, тем самым подготовив пути внедрения и развития электрического освещения, электросварки и электрометаллургии. Именно под влиянием этого открытия изобретатель «электрической свечи» — дуговой лампы П. Н. Яблочков использовал электрическую дугу для освещения, а Н. Н. Бенардос применил ее для сварки и резки металлов, что вызвало полный переворот в технических процессах машиностроения и строительства. Необходимо подчеркнуть, что ко времени этих изобретений в России было проведено большое количество работ в области изучения свойств электрической дуги. В первую очередь к ним следует отнести исследования Д. А. Лачинова, Н. П. Слугинова, А. Н. Лодыгина, Н. П. Булыгина, В. Н. Чиколева и др. Как видим, кроме Петрова, исследованиями гальванических явлений занимались многие русские ученые и естествоиспытатели-любители. В результате при решении ряда вопросов в этой области они заметно опередили своих зарубежных коллег. Этому способствовало, в частности, и то, что в начале XIX г. Россия располагала самыми крупными гальваническими батареями. Однако скудность знаний об электричестве и отсутствие достаточно мощных источников дешевой электроэнергии определяли в то время невозможность ее применения к практическим целям, например при обработке металлов. При помощи вольтова столба удавалось получить очень небольшие количества электроэнергии, а созданные на его основе первые батареи гальванических элементов были чрезвычайно сложны в обслуживании и вырабатывали дорогую электроэнергию, причем в ограниченных количествах. Да и сама слабо развитая промышленность не испытывала потребности в электрической обработке металлов.

Электрогефест Н.Н. Бенардоса

Рис. 7. Бенардос Н.Н.

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

В 1869 году 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.

Рис.8. Поселок Лух Ивановской области

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 колеса 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, принесших ему мировую славу, явился разработанный им в 1882 г. способ электродуговой сварки, названный электрогефестом. Металл расплавлялся дугой, горящей между угольным электродом, закрепленным в специальном держателе (рис.2.5), и изделием, подключенным к полюсам источника тока.

Рис.9. Держатель Н.Н. Бенардоса для ручной дуговой сварки угольным электродом	Рис. 10 . Поселок Лух. Краеведческий музей. Фрагмент экспозиции, посвященной жизни и деятельности Н.Н.Бенардоса

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, далек от совершенства. В результате напряженного труда к лету 1885 г. Н.Н. Бенардосу удалось полностью, в деталях разработать технологию сварки стали и чугуна и аппаратуру для сварки, успешно провести испытания. В 1885 году 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 были выданы патенты во Франции, Бельгии, Великобритании, Германии, Швеции, позже в Италии, США, Австро-Венгрии, Дании и других странах.

В 1886 году в столице России было организовано первое в мире специализированное научно-производственное объединение по электросварке - "Электрогефест". Сам Н.Н. Бенардос был здесь одновременно и ученым-исследователем, и конструктором аппаратуры, и рабочим-сварщиком.

С 1886 года началось практическое применение дуговой сварки в мастерских железных дорог и на других предприятиях не только для ремонта, но и для изготовления различных металлических изделий.

"Электрогефест" успешно применяли и за рубежом. К середине 90-х годов XIX века новый технологический процесс был внедрен более чем на 100 заводах Западной Европы и в США, электросварку начали применять не только для вспомогательных ремонтных работ, но и как основной технологический процесс производства новых металлических изделий.

Способ «электрической отливки металлов» Н.Г. Словянова

Рис. 11. Славянов Н.Г.

Создателем нового направления в производстве металлических конструкций стал русский инженер Н.Г. Славянов. Способ электросварки угольным электродом Н.Н. Бенардоса еще только начинал свое триумфальное шествие по миру, когда на одном из заводов промышленного Урала электрическая дуга загорелась между изделием и стальным стержнем-электродом.

Николай Гаврилович Славянов родился 23 апреля (5 мая) 1854 года в Задонском уезде Воронежской губернии. Окончив с золотой медалью гимназию в Воронеже, он в 1872 году поступил в Петербургский Горный институт. Получив специальность инженера-металлурга в 1877 году, Н.Г. Славянов уехал работать на казенный Воткинский горный завод смотрителем механических фабрик. В 1883 году он был назначен управителем орудийных и механических фабрик Пермских пушечных заводов в Мотовилихе. С 1888 года стал там горным начальником, а с 1891 года и до конца жизни занимал должность горного начальника (директора) Пермских пушечных заводов.

Славянов критически оценил изобретение Бенардоса и внес в него существенные усовершенствования, касающиеся в первую очередь металлургии сварки. Сварка сталей, содержащих легирующие компоненты и примеси, не всегда получалась удачной, потому что в шов попадали оксидные включения, в нем скапливались сера и фосфор; металл выгорал и становился хрупким в месте сварки.

Рис. 12. Диплом об окончании Горного института Н.Г. Славяновым.

Н.Г. Славянов заменил неплавящийся угольный электрод металлическим плавящимся электродом-стержнем, сходным по химическому составу со свариваемым изделием. Но самое главное то, что сварочная ванна была защищена слоем шлака - расплавленного металлургического флюса. Такой процесс повышал качество наплавленного металла при сварке.

Н.Г. Славянов разработал специальный сварочный генератор на 1000 А, заменивший аккумуляторную батарею Бенардоса.

К концу 1880-х годов в европейских странах и США быстрыми темпами развивается машиностроение, судостроение, энергетика. Растет масса стальных отливок. Все дороже обходится брак: трещины, раковины, поры. Из-за этого массивные детали идут на переплав. Это происходит повсюду, в том числе и в Перми, и Н.Г. Славянов начинает применять свой новый способ для исправления дефектов литья, ремонта деталей паровозов, паровых машин, зубчатых колес и т. д.

О масштабе решаемых задач в некоторой степени можно судить по сведениям, приведенным на рис. 15. Только за три с половиной года на Мотовилихинском заводе было выполнено более 1600 работ по сварке и наплавке ответственных изделий.

Способ Славянова получил диплом первой степени и золотую медаль на Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году за удивительный экспонат из России - металлический двенадцатигранный стакан высотой 210 мм. Николай Гаврилович наварил на сталь один за другим электроды из бронзы, томпака (сплав меди с цинком), никеля, стали, чугуна, нейзильбера (сплав меди с цинком и никелем).

Рис. 13. Почетный диплом, присужденный Н. Г. Славянову на всемирной выставке в Чикаго (1893 г.)	Рис. 14. Стакан Славянова демонстрировавшейся на Всемирной электротехнической выставке в г. Чикаго (1893 г.)

Сделанный из этой многослойной заготовки стакан массой 5330 граммов представлял сразу всю гамму конструкционных металлов того времени.

Большое внимание Н.Г. Славянов уделял механизации и автоматизации дуговой сварки. Он изготовил и опробовал первый в мире сварочный полуавтомат, элементы которого использованы и в современных автоматических сварочных головках. Постоянство длины дуги в определенных пределах оплавления электрода поддерживалось двумя соленоидами, втягивающими железный сердечник и обеспечивающими автоматическую подачу электрода.

Внимание, которое Н.Г. Славянов придавал проблеме автоматического регулирования длины сварочной дуги, свидетельствует о его блестящей технической прозорливости: он предвосхитил применение механизмов для регулирования длины электрической дуги, имеющих большое значение и в современной технике автоматической сварки.

В 1891 году Н.Г. Славянов запатентовал свое изобретение во Франции, Германии, Великобритании, Австро-Венгрии, Бельгии, а в 1897 году - в США.

В России дальнейшее развитие нового технологического процесса электродуговой сварки столкнулось с существенными трудностями: электротехническая промышленность страны была очень слабой. Применение электросварки постепенно сокращалось, а со смертью ее создателя практически прекратилось вовсе.

В то же время необходимо отметить, что новый технологический процесс. Предложенный Славяновым, не всегда обеспечивал не высокое качество соединений, так как плавление стали в дуговом разряде сопровождалось выгоранием углерода, марганца и кремния, при этом сварной шов мог насыщаться кислородом, азотом и водородом. Сварка применялась при изготовлении второстепенных металлоконструкций и неответственных изделий. Сварку поддерживали только отдельные энтузиасты. Удачно найденные решения внедрялись в практику, развивались, служили очередной ступенькой для дальнейшего подъема сварочного производства.

Рис 15. Выписка из "Ведомости о работах, произведенных с помощью электрической отливки горного инж. Славянова в Пермских Пушечных заводах

Покрытые электроды О. Кельберга

Среди таких ступеней была и идея шведского инженера О. Кельберга. Он предложил покрывать металлические плавящиеся электроды термостойкими неэлектропроводными материалами. И хотя тугоплавкое покрытие нужно было Кельбергу, чтобы выполнить сварку в потолочном положении (предотвратить стекание электродного металла), оказалось, что оно в некоторой степени защищает расплавленный металл от кислорода и азота воздуха. В 1917 году американские ученые О. Андрус и Д. Стреса изобрели новый электрод. Их стальной стержень был обернут полосой бумаги, приклеенной силикатом натрия - жидким стеклом. Бумага стала источником дыма, оттеснявшего воздух из зоны сварки. Обнаружилось еще одно интересное свойство новой обмазки - дуга возбуждалась сразу, с первого касания и не гасла, как обычно, при незначительном удлинении. Сказалось присутствие в обмазке натрия.

Совместными усилиями изобретателей многих стран велись исследования с целью улучшения качества металла шва. И к концу 20-х годов прошлого века электроды с обмазкой уже содержали специальные газообразующие вещества, оттесняющие воздух из зоны сварки; легирующие вещества, которые улучшали состав и структуру металла шва; шлакообразующие компоненты, которые защищали расплавленный и кристаллизующийся металл от взаимодействия с воздухом; и, наконец, стабилизирующие вещества с низким потенциалом ионизации. Изменяя состав компонентов покрытия, можно было получать электроды со специальными свойствами.

Первые крупные сварочные работы в России возобновились и были выполнены под руководством В.П. Вологдина. На Дальзаводе (судоремонтный завод) он организовал в 1920 году сварочный участок, на котором ремонтировали детали и узлы судов, изготавливали паровые котлы, буксирные катера. На станции Большой Невер по проекту Вологдина впервые был построен сварной резервуар для хранения нефтепродуктов, начали строить сварные суда (первым было судно "Седов"), крупные доки, морские траулеры и т. п.

Первые сварочные трансформаторы

В 1923 году на принципе намагничивающей параллельной и размагничивающей последовательной обмоток возбуждения В.П. Никитиным, К.К. Хреновым и А.А. Алексеевым были разработаны генераторы СМ-1, СМ-2, СМ-3 (рис.2.6).

Рис.16. Электросварочный агрегат с генератором СМ-2

Рис.17. Схема трансформатора Никитина

В 1924 году В.П.Никитин разработал сварочный трансформатор СТН.

Для небольших сварочных токов Никитиным был сконструирован трансформатор с внутренним реактивным сопротивлением (рис.2.7), представляющий собой комбинацию трансформатора и реактивной катушки.

К концу 30-х годов были сформулированы три принципа регулирования тока в сварочных трансформаторах: с несколькими выводами (рис.2.8,а), с магнитным шунтом (рис.2.8,б) и с регулируемым воздушным зазором (рис.2.8,в); каждая из схем имеет несколько отличающихся статических вольт-амперных характеристик.

Выпуск этого оборудования стал производиться серийно на заводе "Электрик" (г. Санкт-Петербург).

В 1928 году заводом им. Г.И. Петровского стали выпускаться серийно покрытые электроды для ручной дуговой сварки.

С началом индустриализации нашей страны роль электросварки проявилась в полном объеме. Без нее не удалось бы невиданными темпами построить Магнитку, Кузнецк, Днепрогэс. В эти годы ученый, специалист в области мостостроения академик Евгений Оскарович Патон сумел оценить все, что может дать сварка. Он организовал в Киеве при Академии наук УССР лабораторию, поставившую перед собой ясную и четкую цель широкого применения электросварки вместо клепки в самых различных отраслях промышленности. В январе 1934 года на базе этой электросварочной лаборатории был создан Институт электросварки, который в настоящее время носит имя его организатора - Е.О. Патона.

Рис.18. Схемы трансформаторов с различными системами регулирования и соответствующие вольт-амперные характеристики

В тридцатые годы прошлого века ручная дуговая сварка покрытыми электродами внедрялась в производство металлоконструкций. Котлы и корабли, каркасы зданий и детали мостов, автомобили и вагоны и пр. - диапазон сварных конструкций пополнялся и, казалось, ничто уже не прервет наступление сварки. Но в 1938-1939 годах в Западной Европе неожиданно обрушилось несколько мостов. Балки мостов были сварными. В этот период тысячи железнодорожных вагонов в России и других странах были сняты с эксплуатации из-за трещин в сварных рамах и тележках. Начались всесторонние исследования по влиянию процесса сварки на свойства металла шва и околошовной зоны, которые позволили найти способы управлять качеством сварного соединения.

В период с 1934 по 1941 год под руководством Е.О. Патона и при его непосредственном участии был выполнен цикл исследований в области проблем прочности сварных конструкций, их расчета и надежности. В результате систематических работ по изучению металлургических и электротехнических процессов дуговой сварки был разработан способ сварки под флюсом. Дальнейшие работы по сварке, выполненные в Институте электросварки им. Е.О. Патона, принесли институту всемирную известность.

ЛИТЕРАТУРА

1. "СВАРКА - ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ" - В.В. Пешков, А.Б. Коломенский, В.А. Фролов, В.А. Казаков, под редакцией д-ра техн. наук В.А. Фролов Воронеж 2002