У истоков дуговой сварки

«Электрогефест»

В конце XVIII — начале XIX вв. в истории цивилизации произошел переход от мануфактурного производства к машинному. Сначала в Великобритании, затем во Франции, Северо-Американских Соединенных Штатах, России. Германии, Италии, Испании, скандинавских странах и Японии быстрыми темпами стали распространяться текстильные, паровые, электрические и другие машины. В этот период в мире созревал промышленный переворот, что сопровождалось расширением исследований в области естественных и прикладных наук, разработкой технологий производства и ремонта паровозов, паровых котлов и машин, узлов строительных конструкций. Традиционные секреты искусства ремесленников уже не могли эффективно служить все усложняющейся технике. Новые разработки начинают опираться на современные достижения науки, открытия в физике, химии и металловедении.

В 1802 г. в С.-Петербурге В.В.Петров открыл явление электрического дугового разряда. В книге «Известие о гальванивольтовских опытах...» он описал результаты экспериментов „о дуговой плавке и испарению металлов [56]. Однако указанная книга и другие сообщения Петрова публиковались не на принятом в то время языке науки - латинском, а на русском языке. Поэтому они не дошли до мировой научной общественности. Не привлек особого внимания и доклад, сделанный в 1808 г. Г. Дэви, который также обнаружил электрическую дугу [57]. Практическое применение электрическая дуга нашла только через четыре десятилетия в виде дуговых ламп [58]. До того как ее стали использовать для соединения металлов, потребовалось еще столько же времени. За этот период были открыты законы электричества, предприняты попытки нагревать и плавить дугой металл, созданы соответствующие оборудование и приборы. Среди знаменательных исторических событий этого периода следует отметить разработку генераторов постоянного тока — особая роль здесь принадлежит Пачинотти (1860 г.) и 3.Т. Грамме (1870 г.), создание аккумуляторов Б. П. Тверитиновым, Н, Н, Бенардосом и П. Н. Яблочковым, разработку дуговых ламп с электромагнитным регулятором В. Н. Чиколевым (1874 г.) и ламп без регуляторов П. Н. Яблочковым (1876 г.) [58].

Первые схемы процессов взаимодействия дуги и металла имели значительное сходство со схемами, по которым строились дуговые лампы. В 1815 г. А. Чилдрен расплавил электрической дуговой косвенного действия иридий, церий и ряд других металлов. В 1844 г. Д. Напьер использовал дугу прямого действия для плавления металла в тигле с электропроводным днищем, к которому был подключен отрицательный полюс. В 1845 г. Депретц сплавил оксиды кремния с металлическими порошками, в 1846-1848 гг. У. Э. Стейт разработал ряд технологий нанесения на угольные электроды металлов путем испарения с помощью дуги и искры.

Одновременно с разработкой схем и способов применения дуги исследовали и ее свойства. Так, В 1847 г. Матеуччи (вторично, после Петрова) доказал применимость законов электрических цепей к дуговому разряду. Затем Вертело исследовал дугу, горящую между двумя угольными электродами в закрытом сосуде. Патент на первую электрическую печь с дугой косвенного действия в 1853 г, получил Пишон (Франция). Однако эта печь и десятки других не находила практического применения до тех пор, пока не появились сильноточные генераторы.

Электропечь братьев Коулесс (США) для получения алюминия была первой в истории техники, нашедшей крупномасштабное внедрение.

В пространстве печи устанавливались по два угольных электрода, подключенных к полюсам динамомашины.

Основные усилия изобретателей в I860— 1880 гг. направлены на применение дуги с целью плавления минерального сырья н получения металлов. Так, Ч. Брадлей (США) предложил способ «плавки в гарнисаже», при котором дуга между двумя электродами горела в пространстве, ограниченном со всех сторон шихтой.

Из множества работ, посвященных использованию дуги, в последующие два десятилетия следует отметить изобретение Г. Уайльда, который в 1860 г. электрической дугой косвенного действия сваривал торцы проводов относительно большого диаметра. В 1870 г, Р. Вердерманн предложил применить дугу косвенного действия, отклоняемую струей пара, газа или постоянным магнитным полем, для резки изделий из диэлектриков. Для целей пайки и плавления  кромок (сварки) дугу косвенного действия с аналогичным расположением не плавящихся электродов использовали В. К. Фишер, В. Р. Лейк; для плавки в электропечах — Сименс, Дюкрете, Лежей и др, (1879 г,) [59]. В ноябре 1881 г. О. Меритен (Франция) запатентовал устройство для сварки дугой прямого действия, состоящее из держателя с угольным электродом, подключенным к положительному полюсу, и чугунной плиты — к отрицательному полюсу. Держатель и плита размещались в камере с иллюминатором. Меритен ограничился применением этого устройства только для сварки свинцовых пластин (патент Франции № 146010 от 24 ноября 1881 г.) [42].

Годом раньше русские электротехники начали подготовку к Международной электротехнической выставке, которая должна была состояться в Париже в августе 1881 г. Изобретатель электрической дуговой «свечи» П. Н. Яблочков готовил новую экспозицию. Монтажом сложного оборудования занимались сотрудники его фирмы, среди которых был и Н. Н. Бенардос, применявший электрическую дугу прямого действия, горящую с угольного электрода, для сварки деталей аккумуляторов, генераторов, коммутирующей аппаратуры.

Освещение дуговыми лампами Н. Н. Бенардос наладил в своем имении в Костромской губернии еще в 1878 г, Здесь он занимался изготовлением образцов новых пароходных колес, плугов, жаток и ряда других металлоемких устройств. Дугу он использовал и для разогрева деталей перед тем, как соединять их кузнечной сваркой. Сначала это была дуга косвенного действия, горящая от обычной дуговой лампы. Бенардос заметил, что иногда при длительном нагреве кромки металла оплавляются, жидкий металл обеих кромок сливается в общую ванну и, застывая, образует монолитное соединение даже без последующей проковки. Для того чтобы сделать ванну шире и длиннее и получить шов, изобретатель вместо одного из электродов подключил к генератору само изделие. Это и была принципиальная схема способа сварки дугой прямого действия. В последующие годы изобретатель продолжал применять проковку уже выполненного сварного соединения для улучшения его качества. Из кузнечной сварки Н. Н. Бенардос заимствовал еще один прием — посыпание свариваемых кромок металла песком и мраморной крошкой.

Со времени открытия дугового разряда неоднократно выдвигались идеи и предпринимались попытки использовать дугу для прочного соединения металлов, однако только Н. Н. Бенардосу удалось разработать способ, который имел практическое значение. Для этого пришлось работать над решением нескольких задач: энергетической, заключающейся в создании совершенно нового типа аккумулятора, пригодного в качестве непосредственного источника тока питания электроэнергией сварочных аппаратов; технологической, заключавшейся в разработке метода использования теплоты электрической дуги для соединения и разъединения металлов. Однако генераторы были слаботочными, не могли давать большой ток и выдерживать короткие замыкания при возбуждении дуги.

В то время уже существовало несколько типов аккумуляторов. Соединяя их последовательно-параллельно группами в батареи, можно было получить необходимые значения тока и напряжения на дуге. Но известные тогда конструкции аккумуляторов не выдерживали ударных нагрузок режима сварки. В связи с этим Бенардос изобретает специальный аккумулятор. По существу, он стал первым в мире специальным источником питания сварочной дуги, предназначенным для заряжения и разряжения сильными токами. Бенардос предложил изготавливать пластины аккумуляторов из гофрированных наклонных полосок пористого свинца. Как отмечал изобретатель, «главнейшие преимущества аккумуляторов предлагаемой системы заключаются в следующем: собранный из вышеописанных пластин аккумулятор, представляющий весьма большую поверхность, не коробится при работе сильными токами; циркуляция жидкости происходит свободно благодаря отверстиям, образуемым гофрами, а потому плотность жидкости во всех точках сосуда остается всегда одинаковой; гофры полосок имеют, как видно из чертежей, наклонное направление, 

что существенно облегчает выделение пузырьков газа на поверхность жидкости; при машинном изготовлении полоски получаются с весьма правильными и совершенно одинаковыми гофрами» [60]. Следует заметить, что Н. Н. Бенардос и далее продолжал заниматься аккумуляторами. Так, в 1899 г. он получил патент на изобретение «Способ изготовления губчатого свинца для пластин аккумуляторов н способ изолировки этих пластин друг от друга». Н. Н. Бенардос разработал схему сварочного поста, состоящего из мощного комбинированного источника питания, коммутаторов тока, реостатов, измерительных приборов и снабженного электрододержателями и сварочными столами. В составе сварочного поста Бенардос использовал батареи своих аккумуляторов, питаемых слаботочным генератором при непрерывной работе. Таким образом ему удавалось получить силу тока до 500 А от 500 элементов (аккумуляторов), расположив их в 10 группах и соединяя в каждой по 50 элементов последовательно, а сами группы — параллельно.

Созданный комбинированный источник питания обеспечивал работу трех сварочных постов. Проблема оборудования для ручной дуговой сварки была решена Бепардосом к началу 1880-х гг. Тем не менее, и в последующие годы изобретатель продолжал совершенствовать аппаратуру, горелки и приспособления. Большое внимание он уделял механизации процесса сварки. Многие устройства, предложенные Бенардосом, могли бы быть защищены отдельными патентами. Разрабатывая сварочную аппаратуру, Николай Николаевич решил ряд интересных технологических задач, связанных с использованием теплоты электрического разряда для соединения и разъединения металлов. По сути, это был комплекс изобретении, каждое из которых впоследствии развивалось по самостоятельным направлениям. О главном из них говорил профессор Хемницкого университета (Германия) Р. Рюльман: «В чем состоит отличие решения Бенардоса от исследований его предшественников и почему удалось достичь успехов только тогда, когда исследователи пошли по пути, им указанному? Новым является то обстоятельство, что при методе Бенардоса обрабатываемый металл сам является электродом, и между изделием и углем возникающая дуга служит непосредственно для проведения процесса. Чрезвычайно важным является то обстоятельство, что изделие образует отрицательный полюс, а уголь положительный. Сильные восстановительные реакции, которые возникают на отрицательном полюсе, препятствуют окислению металла. Что это обстоятельство действительно чрезвычайно важно, можно узнать, если поменять полюса. При этом в изделии прогорают отверстия, и образовавшаяся масса продуктов окисления окружает дугу плотным слоем, вследствие чего становится почти невозможным наблюдать за процессом и регулировать его. Наиболее сложно на практике регулировать, например, силу тока, а следовательно, длину, сечение и температуру дуги. Наличие сильного источника электричества недостаточно для того, чтобы обеспечить успешное завершение процесса. В управлении температурой дуги заключается мастерство изобретателя» [61].

Н.Н. Бенардос сознательно использовал особенности процессов в дуге и на электродах при обратной полярности. Ионы углерода, переносившиеся от угольного электрода в сторону ванны, значительно уменьшали окисление элементов, входящих в сталь. Длинная (до 30 мм) дуга и ее широкий факел играли, кроме прочего, роль защитной атмосферы. Бенардос разработал и специальные средства защиты дуги, предложив вдувать в зону сварки горючие газы, покрывать кромки песком и флюсами для пайки. Для стабилизации дуги он применил магнитные поля, создаваемые электромагнитами.

Изобретатель дуговой сварки разработал многие типы сварных соединений и форм разделок кромок. Бенардос блестяще использует возможности сварки и не только заменяет клепаные конструкции сварными, но и создает оригинальные узлы и изделия. Например, уже в первом своем патенте он описывает облегченные прочные конструкции, составленные из волнистых листов, образующих после сварки ячейки; многослойные конструкции с зазорами или без зазора и др.

Значительное внимание Бенардос уделил технике сварки, в течение многих лет совершенствуя приемы плавления кромок, подачи, перемещения и колебания электродного и присадочного металла, заварки кратера, удержания и формирования ванны. В трудах и статьях, посвященных его работам, можно найти множество технических решений, которые в дальнейшем послужили основой для многих новых способов и приемов сварки, наплавки, резки металлов и непроводящих материалов [20].

Особо следует сказать о времени создания первого способа дуговой сварки металлов. По свидетельству ряда авторитетных ученых и инженеров, Бенардос в 1881 г. успешно демонстрировал в Париже процесс дуговой сварки [62—66] (рис. 9). Однако заявки на патенты он начал подавать лишь в 1885 г, Объясняется это желанием автора довести процесс до совершенства, разработать как можно больше идей и совместить их в одном патенте. Патентование изобретений в то время стоило дорого. По законам многих стран, если идея не была реализована в течение сравнительно короткого времени, владелец патента лишался своих прав на него.

В 1881-1884 гг. Бенардос работал в России, Испании. Англии и Франции, занимаясь монтажом электрического освещения, совершенствованием оборудования и технологии сварки. Хорошую экспериментальную базу он имел на заводе Яблочкова в С.-Петербурге. 6 июня 1885 г. Николай Николаевич подал прошение о выдаче ему патента-привилегии России на «Способ прочного скрепления металлических частей и их разъединения непосредственным воздействием электрического тока» (рис. 10, 11). Заявку на патент России он подал самостоятельно. Однако, не имея достаточных средств на патентование за рубежом и организацию сварочного производства, Бенардос вынужден был пригласить к участию в финансировании инженера С. А. Ольшевского. В короткий срок Бенардос подготовил материалы и подал заявки на свое изобретение одновременно во все промышленно развитые страны Европы и США, Совладельцем в зарубежных заявках на патенты указывался С. А. Ольшевский. В 1885 г. Бенардосу и Ольшевскому были выданы патенты во Франции, Бельгии, Англии, Германии, Швеции. Русскую привилегию он получил 31 декабря 1886 г. за № 11982. В 1887 г. ему   были   выданы   также   патенты   в   Италии, США, Австро-Венгрии, Дании и других странах. Способу сварки и резки металлов дугой автор дал название «Электрогефест» в честь древнегреческого бога огня и кузнечного ремесла Гефеста.Вслед за подачей заявок Бенардос занялся организацией внедрения сварки в промышленное производство. В 1885 г. в С.-Петербурге было создано товарищество «Электрогефест», открылись показательные мастерские и завод. «Производство означенного завода заключается в сварке и пайке электричеством, а также в изготовлении приборов для электрического освещения» — значилось в заявке на получение от Департамента торговли и мануфактур разрешения на производство работ [20].

Новый технологический процесс металлообработки привлек внимание многих ученых, технологов и в первую очередь инженеров железнодорожного  транспорта.   Первыми  посетителями завода по сварке металлов электричеством по способу Н. Н. Бенардоса были известные электротехники профессоры Д. А. Лачинов (Россия) и Р. Рюльман (Германия).

В апреле 1887 г. Д, А, Лачинов сделал подробный доклад об этом изобретении на заседании Русского физико-химического общества, дав ему положительную оценку. Вслед за этим в журнале «Электричество» появилась его статья под названием «Электрическое паяние металлов по способу «Электрогефест», в которой описаны работы, выполненные способом Бенардоса, — сварка листов, получение отверстий в толстых металлических листал, плавление металла под водой и т, Д. [67], Убедившись в достоинствах нового способа. Р. Рюльман также написал ряд статей об изобретении Н. Н. Бенардоса, опубликованных во многих российских и иностранных журналах [68—72]. В них авторитетный ученый дал научную оценку предложения Н. Н. Бенардоса и привел доказательства его высокой компетентности в вопросах металлургии. Р. Рюльман также отметил важное значение электросварки по способу Бенардоса для быстрого исправления дефектов литья, ремонта разрушенных изделий. В присутствии Р. Рюльмана Н. Н. Бенардосом был отремонтирован котел для завода наждачных кругов Струка в С.Петербурге. Один из машиностроительных заводов предлагал починить котел примерно в трехнедельный срок. Это означало остановку завода на этот срок и соответствующие убытки. Н. Н. Бенардос взялся произвести срочный ремонт с помощью электросварки. В течение 3 ч дефект в котле был заварен, а поврежденное место выправлено электрическим наплавлением металла. Фотография изобретателя за сваркой этого котла и схема поста были приведены в статье немецкого ученого и разошлись по всему миру [71] (рис. 12, 13).

Выходившие в то время технические журналы так писали о работах Бенардоса: «...электрическая сварка является простым, удобным и практичным способом, достойным многочисленных и полезных видов применения электрического тока, и мы должны поздравить г-на Бенардоса, который одним поворотом руки сумел преобразовать лабораторию в целую отрасль промышленности, имеющей большое значение как в настоящем, так и в будущем» [73]; «...желаю г-ну Бенардосу иметь многих последователей, могущих еще более усовершенствовать обработку металлов электрическим путем, так как его изобретение — первое, осуществленное в технике — успело показать, насколько универсальны и просты работы электричеством» [74].

Подобные же данные о технологическом процессе электродуговой сварки и о сварочном оборудовании привел инженер Г. О. Каменский в докладе, прочитанном в Киевском техническом обществе в декабре 1887 г. [60], Докладчик указал на широкие возможности способа «электрогефест»: соединение металлов электрозаклепками, покрытие одних металлов другими. При соединении металлов электрозаклепками для выполнения данного соединения в одном листе прожигали сквозные отверстия. Затем этот лист накладывали на другой и через отверстия расплавляли кромки металла.

Интересная статья под названием «Электрогефест» была опубликована в журнале «Нижегородский вестник пароходства и промышленности» в июле 1887 г. В статье, в частности, отмечалось: «Кто не согласится после всего изложенного, что изобретение Н. Н. Бенардоса должно быть по всей справедливости приурочено к числу величайших. Оно обещает с одной стороны, в отношении упрощения и ускорения производства, а с другой, в отношении увеличения прочности производимых предметов одинаково громадные выгоды машино- и судостроению, арсеналам и оружейным заводам, а также почти всем обрабатывающим металлы фабрикам и заводам» [75]. Только в 1887 г. об изобретении Н. Н. Бенардоса было опубликовано не менее 16 статей в различных русских журналах.

В зарубежной периодической печати в 1887 г. - было опубликовано около 10 статей ученых и технологов, приезжавших в С.Петербург в мастерские Н. Н. Бенардоса для ознакомления с его изобретением с целью применения нового технологического процесса обработки металлов у себя на родине [76]. Кроме уже указанных статей профессора Р. Рюльмана необходимо назвать статью французского электротехника Е. Госпиталье «Электрическая обработка металлов», опубликованную в парижском журнале «Ля Натюр» в июле 1887 г. и перепечатанную в том же году в американском научном журнале [73].

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