Первые способы сварки и родственных технологий

Возникновение сварки как ремесленной, производственной технологии соединения металлов относится к началу освоения человеком цветных и черных металлов. Еще в эпоху неолита, изготавливая каменные орудия, человек заметил, что если металлические самородки И метеориты сильно ударить, то они не раскалываются, а деформируются. При определенных условиях такой операции достаточно, чтобы произошло неразъемное соединение тел, По существу, это уже была холодная сварка — сварка давлением с пластической деформацией за счет механической энергии (удара) без внешнего источника нагрева [46].

Для пластичных металлов (самородных меди, серебра, золота), а возможно, и для некоторых железных метеоритов деформацию схватывания люди могли обеспечить, вероятно, уже в каменном веке, например, ударами камня, увеличивая давление с помощью примитивных рычагов. Первые известные образцы изделий, выполненных холодной сваркой, относятся к более позднему периоду — бронзовому веку, Это, например, золотые коробочки, хранящиеся ныне в Национальном музее в Дублине (Ирландия) [47]. В то время многие племена уже умели использовать теплоту для технологических целей: нагрева металлов, выплавки из руд меди, свинца, олова и их сплавов, литья различных изделий. Таким способом мастера «трипольской культуры» изготовляли медные шилья, долота, амулеты и нашивные бляшки. Подобные изделия археологи находили и в других регионах планеты.

Первые серьезные исследования в области холодной сварки начали проводить лишь в современную эпоху. Так, в 1948 г. в Великобритании этим способом соединяли алюминий и его сплавы [48]. Потребность в холодной сварке алюминия и меди для развивающихся отраслей промышленности (электротехники, авиастроения) была настолько высока, что этим способом занялись технологи многих стран, в первую очередь, США, СССР, Германии. Скачок через тысячелетия, конечно, разителен. На базе современной техники в XX в. за короткое время было создано высокоэффективное оборудование — от ручных клещей и настольных станков до мощных прессов и машин-полуавтоматов.

Появление бронзы заставило древних мастеров заняться разработкой новых способов неразъемного соединения деталей. Бронзы — искусственно созданные сплавы меди с оловом и свинцом - отличались несравненно лучшими эксплуатационными свойствами (большей твердостью, прочностью и износостойкостью), чем исходные материалы. Однако пластические свойства оловянистых и свинцовистых бронз были намного ниже, чем чистой меди. В результате холодная сварка, основанная на пластическом деформировании, не позволяла получать качественные соединения деталей, в том числе и с подогревом кромок. Поэтому длительное время для соединения деталей из сплавов меди использовали клепку, скручивание или фальцовку. Наряду с этими способами существовала сварка «заливкой».

Для соединения бронзовых деталей была использована теплота перегретого присадочного металла. Кромки деталей заформовывали, и в образовавшуюся полость заливали расплавленную бронзу, которая подплавляла кромки. Этот способ соединения использовали мастера скифского периода в Восточной Европе для ремонта изделий из бронзы. Анализ многочисленных археологических находок показывает, что в VII—III вв. до н. э. сварку «заливкой» применяли для присоединения ручек к котлам и бронзовых рукояток к стальным лезвиям ножей и мечей, для прихватки кромок треснувших стенок котлов [49, 50]. Образцы деталей, изготовленных способом сварки заливкой,   найдены на землях  бывшей  Римской империи. Это — тонкостенные бронзовые сосуды, стенки которых толщиной 0,5—0,7 мм имеют кованую структуру, а вдоль образующей едва заметна утолщенная полоса металла с литой структурой. Можно предположить, что в данном случае обечайка была прокована, свернута и соединена продольным швом, образованным при заливке перегретого металла. Это подтверждают и незначительные отличии состава на сплавов листа и шва, обнаруженные при спектральном анализе [51]. Сварка «заливкой» перегретого металла для литейщиков стала традиционной технологией устранения дефектов отливок и приварки деталей. В свое время с помощью этого способа предлагалось отремонтировать знаменитый Царь-колокол, отлитый русскими мастерами - отцом И. Ф. Маториным и сыном М. И. Маториным. В 1735 г, во время пожара в Московском Кремле в 1737 г. колокол треснул, В 1836 г. его подняли из ямы и установили в Кремле. Вид огромного колокола (массой около 193 т) с отколовшимся куском не мог не вызывать желания отремонтировать этот образец литейного искусства. В XIX в. было сделано несколько предложений выполнить такую ответственнейшую и трудоемкую работу. Одно из них — сваркой «заливкой».

Одновременно со сваркой развивалась и пайка — способ соединения, родственный сварке, и в сущности, по многим признакам сходный со сваркой «заливкой». Этот технологический процесс широко использовали уже в раннем железном веке.  В странах Древнего Востока,  Египте применяли пайку золота золотым припоем, меди — серебром или сплавом меди с серебром. Мягкие припои еще долго не были известны, С помощью пайки были изготовлены многие ювелирные изделия, найденные в скифских курганах (золотые бляхи с изображением пантеры и оленя, золотая пектораль, золотые серьги, на которых изображена миниатюрная четверка лошадей с крылатой богиней в колеснице, а также другие фигуры и украшения, многие детали которых трудно даже заметить невооруженным глазом). В большинстве таких случаев пайка была произведена золотом или (реже) серебром. Однако развитие пайки, несмотря на ее связь с родственными технологиями, пошло все же самостоятельным путем, и история ее представляет отдельный интерес.

Прямым продолжением древнего способа холодной сварки явилась кузнечная (или горновая) сварка, возникновение которой относится уже к железному веку. Технология получения железа в этот период заключалась в том, что куски железной руды нагревали вместе с древесным углем, в результате чего получали комки - крицы, в которых находились частицы железа, шлака и остатки угля. Крицы проковывали в горячем состоянии. При этом островки шлака и угля выдавливали, а частицы железа соединялись между собой, т. е. сваривались, образуя относительно плотный металл. Такое железо получило название «сварочного». Нагрев и ковку повторяли неоднократно, благодаря чему «сварочное железо» становилось чище и плотнее. Такие же технические приемы применяли и при ремонте разрушенных изделий из железа, а также когда необходимо было сваривать отдельные куски для изготовления орудий труда и оружия.

Кричный (сыродутный) способ получения железа господствовал на Европейском, Азиатском и Африканском континентах тысячи лет. У многих   народов   кузнецов   почитали   наравне с князьями, шаманами, знахарями. Согласно греческой мифологии, кузнечным (а значит, и сварочным) ремеслом занимался один из олимпийских богов — Гефест (рис. 1. 2). Именно в его честь назовет свой способ сварки Бенардос, предки которого переселились на Украину из Греции. Во многих музеях мира хранятся коллекции железных изделий скифов, сарматов, киммерийцев, египтян, аланов, народов Кавказа и других племен, которые относятся к разным эпохам, начиная с VIII в. до н. э. Среди них встречаются длинные лезвия мечей, которые невозможно было изготовить из одной заготовки. Скорее всего, кузнецы вынуждены были сваривать такой мечь из нескольких частей. Для повышения прочности соединения концы стыкуемых деталей выполняли с фигурным вырезом в виде «ласточкина хвоста».

По образцам оружия из скифских курганов VI — начала V вв. до н.э. можно проследить и за другими приемами подготовки деталей и их сварки. Широко применяли наварку накладных деталей рукояток мечей; пайку заготовок на конической оправке и последующую сварку внахлестку краев втулок копии и дротиков; формирование отверстий в топорах и сварка их обушной части. Еще более сложной являлась технология изготовления многослойных клинков, состоящих из чередующихся слоев мягкого железа и стали, в том числе с содержанием углерода до 0,6—0,7 % (рис. 3). Поскольку выплавить такую сталь в печах того времени не представлялось возможным, применяли науглераживание металла путем длительной выдержки его в тлеющих углях. Найдены многослойные сварные мечи, серпы и топоры различной конструкции. Среди них - самозатачивающиеся лезвия с центральной высокоуглеродистой стальной сердцевиной и двумя боковыми полосами из железа. Стальные полосы наваривали также с двух краев мягкой центральной полосы обоюдоострого клинка. Современными методами металлографии установлено, что один из клинков имеет одиннадцать чередующихся стальных и железных слоев. В древние времена была известна и закалка стали с последующим отпуском [52]. Кузнецы скифо-сарматских, алано-булгарских и других племен пользовались разнообразными инструментами и оборудованием: железными наковальнями, молотками, специализированными клещами, кузнечными и слесарными зубилами, пробойниками. С помощью инструмента, конструкция которого сохраняется до сих пор, они могли изготавливать высококачественные и сложные по конструкции изделия — от сабель до замков.

О производстве и применении железа упоминается но многих древних памятниках письменности. В XIII в. в Киевской Руси было освоено производство  высококачественной  стали,   здесь увеличили высоту горна печей и усилили нагнетание воздуха мехами. Жидкий шлак мог самостоятельно стекать по каналам, расположенным по краям основания печи. После плавки горн разбирали, извлекали из него слитки металла и проковывали их. В результате проковки металл уплотнялся, частицы шлака выдавливались. Измельчение зерна придавало металлу дополнительную прочность. С использованием кузнечной сварки железных и стальных заготовок в то время изготавливали достаточно сложные по конструкции и ответственные по назначению предметы. Успешно применяли кузнечную сварку для соединения железа с высокоуглеродистой (до 0,9% С) сталью. Сварка позволяла получать соединения из полосок желеэа и стали толщиной 0,8-2 мм, в том числе при изготовлении замочных пружин, кольчуг, высококачественных режущих или рубящих частей различных орудий труда и холодного оружия.  Так,  для изготовленияли сталь и железо различных составов. Зачастую из прочной стали, например дамасской, выполняли только режущую кромку и наваривали на нее кузнечным способом более мягкую сталь. Такая непростая технология характерна, в частности, для мастеров Киевской Руси и Прибалтики. С помощью кузнечной сварки мастера даже клеймили свои изделия путем нанесения на них своих инициалов и других знаков.

Особое место в истории производства и сварки металлов занимает булатная сталь, из которой изготавливали клинки мечей и сабель. Вероятнее всего, что первоначально технология производства булатной стали была разработана в Индии, откуда попала на Средний Восток, а затем — в Европу (есть предположение, что свое другое название «дамасская» булатная сталь получила по названию города, где изготавливали ткани с узорами, подобными тем, что просматривались на клинках). Багдадский ученый первой половины XI в. аль-Кинди отмечал, что лучшие фракийские и слиманские клинки изготавливают из дамасской стали. Арабские ученые Ибн Руста и Ибн Хордадбех считали, что с дамасской сталью были знакомы и русы. Энциклопедист аль-Бируни в трактатах о производстве металлов приводит сведения о многослойных клинках мечей, которыми пользовались славяне, жившие за  Руменским   (Черным)  морем.  Про булатные мечи упоминается в летописях и поэме времен Киевской Руси «Слово о полку Игореве». Однако технология производства этой стали нигде не описана, а сохранившиеся образцы весьма разнообразны по составу, структуре и механическим характеристикам.

Встречаются булатные клинки из простой низкоуглеродистой стали, легированной азотом и другими добавками. Их характеризует необыкновенное сочетание высокой твердости, гибкости и упругости, а также наличие различных декоративных узоров. Именно узоры свидетельствуют о том,   что секрет  булатных  сталей  скрывается в технологии ковки и кузнечной сварки. Можно предположить, что старинные мастера получали булат многократной перековкой заготовки в длинный тонкий пруток, из которого свивали или просто складывали многослойную заготовку. Затем эту заготовку снова подвергали ковке и сваривали в новый брусок, повторяя эти операции несколько раз. Впрочем, ковка и других изделий представляла довольно сложный технологический процесс (рис. 4).

Древние и средневековые кузнецы-сварщики не только работали над совершенствованием технологии сварки железа и стали, но и создали оригинальные сварные конструкции. Одна из них — стволы пушек и пищалей, которые изготавливали из полос железа, накручивая их на стальные или деревянные болванки и проковывая (сваривая) кромку по образующей цилиндра. Чтобы получить   длинный   ствол,   обечайки   наращивали, сваривая их последовательно. Кольцевые швы представляли собой нахлесточное соединение, для чего торцы обечаек выковывали в форме внутреннего или наружного конуса (рис. 5) [53]. В XIV—XVII вв. эта технология была широко распространена в ряде стран Европы и Азии. Кованые пушки наряду с литыми защищали Московский Кремль. Самые большие пушки этого типа были изготовлены в Индии в XVI—XVII вв. Они достигали в длину 9 м и весили до 50 тонн.

Основной технологией производства металлических скульптур было литье. Однако возможности  его  были  ограничены,   поскольку  из многих известных на то время металлов и сплавов хорошими литейными свойствами обладают только олово бронза, чугун, золото и серебро. Размеры   металлических  скульптур,  точнее,   их масса, ограничивались мощностью печей.

Примером применения сварки плавлением может служить изготовление свинцовых труб и кровельных листов в Древнем Риме, Эту технологию описал Леонардо да Винчи. С обратной стороны соединения располагали формирующую стальную или бронзовую подкладку, а сверху ставили длинную узкую жаровню с горящими углями, теплота от которых расплавляла кромки. Шов окончательно формировали проковкой.

Появление машинной индустрии и промышленный прогресс в XVII-XVIII вв. внесли существенные изменения в технологию и оборудование для кузнечной сварки. Это прежде всего мощные прокатные станы, молоты, прессы и специальные машины, позволившие значительно увеличить размеры свариваемых изделий, снизить трудоемкость их изготовления и повысить качество соединений (рис. 6, 7). Кузнечную сварку продолжали совершенствовать, применяя новые достижения техники. Так, в 1870 г. Ф. Фонтина открыл водяной (коксовый) горючий газ, получающийся при орошении водой раскаленного угля и состоящий из водорода и оксида углерода. Спустя полстолетия этот газ начали активно использовать во многих странах для освещения, а еще через некоторое время — для нагрева свариваемых деталей. В 1880-е гг. водяной газ называли топливом будущего, частично связывая это с перспективами применения его для сварки металлов. Действительно, в литературе 1930— 40-х гг. «кузнечная горновая сварка» и «сварка водяным газом»  еще отмечены как отдельные, самостоятельные способы. В те же годы подтверждалось, что последним из этих способов можно сваривать листы толщиной от 4 до 80 мм при помощи молота или рольгангов [54].

На ряде крупных заводов в XIX в. искусство кузнечной сварки достигало большой высоты. Ковкой изготавливали наиболее ответственные детали. Огромное по тем временам кузнечное и кузнечно-штамповое хозяйство имел, например, Коломенский завод, где применяли почти все известные технологические процессы ковки и штамповки. На каждый паровоз шло около 300 различных кованых и штампованных деталей.

Ковка и кузнечная сварка сыграли определенную роль в создании художественных произведений из металла (рис. 8). Однако намного более эффективной была пайка твердыми и мягкими припоями. Многие скульптуры, барельефы, украшения уже за несколько веков до нашей эры изготавливали путем пайки из отдельных фрагментов. Своей красотой шедевры древнего ювелирного искусства обязаны не только таланту художников, но и мастерству умельцев, выполнявших микропайку деталей.

Были и другие существенные технологические решения, в частности, металлургического характера. Так, в конце XIX в. Т. Флейтман предложил способ никелирования, по которому пластины никеля и железа нагревали до сварочной температуры в атмосфере водорода и прокатывали между валками без доступа воздуха [55].

Однако, несмотря на высокий уровень технологии, кузнечная и литейная сварка, а также пайка не могли полностью решить проблемы изготовления изделии, конструкций из металлов и сплавов. Технические возможности этих способов соединения ограничивались свойствами единственного в то время источника высокотемпературного нагрева — пламени. Крупногабаритные металлические конструкции и сложные по геометрии изделия почти невозможно было равномерно нагреть пламенем, успеть проковать или полностью залить стык до остывания. И уже в эпоху поздней бронзы человек начинает применять еще один способ соединения — клепку. Подтверждением этого служат клепаный бронзовый котел около полуметра в диаметре, найденный в Кастедерге (Ирландия), и железные наковальни из графств Бакингемшир и Херефорд-энд-Вустер (Великобритания) с отверстиями, предназначенными для того, чтобы вставлять головки заклепок при изготовлении всевозможных конструкций.

Дополнением неразъемных методов соединения становятся и различные методы получения разъемных соединений, в первую очередь резьбовых.

К концу XIX в. технические возможности этого способа соединений уже не удовлетворяли требованиям производства крупных и ответственных металлических конструкций. В принципе в этой наукоемкой технологии кроме инструмента для сверления отверстий и вспомогательных операций   почти   нечего   было   усовершенствовать.Технология клепки оставалась довольно сложной в исполнении. В заготовках отверстия можно было пробивать на прессе, но при ремонте в монтажных условиях их сверлили вручную (разумеется, после точной разметки и кернения).

Просверленные или пробитые отверстия раззенковывали, добиваясь высокой точности размеров и чистоты обработки. Но это только подготовка к клепке. Дальше необходимо было взять специально   выточенную   или   отштампованную заклепку-стержень с головкой, раскалить ее, вставить в отверстие соединяемых деталей (все отверстия должны совпадать). Один рабочий поддерживал заклепку со стороны головки, другой быстрыми ударами (пока заклепка не остыла) бил по специальной форме, которую держал третий рабочий, расклепывая выступающую с обратной стороны часть заклепки. На один метр соединения иногда приходилось по несколько десятков заклепок. После формирования заклепок кромки дополнительно прочеканивали, добиваясь уплотнения. И зачастую с таким трудом выполненное соединение не выдерживало динамических нагрузок, которым подвергались рамы паровозов, корпуса судов, не выдерживало высокого давления и нагрева, действующего на котлы и трубопроводы. Возникла настоятельная необходимость в новых технологиях соединения материалов, в первую очередь металлов.

Корниенко А.М. "История сварки. XV-середина XX ст."