Металлы и человек - Михаил Васильев

Электрическая дуга позволяет сваривать стали, чугуны (с предварительным нагревом свариваемых деталей до температуры 550–650 градусов), медь, алюминий. Для каждого из этих металлов разработана своя четкая технология электродуговой сварки.

Электродуговая сварка — отнюдь не единственный вид сварки, осуществляемой электричеством. Не меньше в ряде случаев, чем дуговая сварка, распространена сварка контактная.

…Стальные листы поступили в какую-то машину. По существу здесь нужен двойной ряд заклепок, который накрепко соединил бы листы. Опускается верхняя часть станка, и пятьдесят медных пальцев касаются стали. Меньше минуты длится это прикосновение, и челюсти машины разомкнулись. Рабочий вынимает листы. Их уже не разнять: в пятидесяти точках их металл соединен сваркой. Это так называемая точечная контактная сварка.

По медным пальцам — электродам был пущен ток большой силы. Места контактов стремительно нагрелись, электроды нажали на листы, и они сварились.

Видите, как высока производительность такой сварки? Свыше 10 тысяч точек в час может сварить такая машина.

Существуют машины, создающие не ряд сваренных точек, а сплошной шов. Принцип действия этих машин не отличается от машин точечной сварки, но вместо пальцев-электродов они снабжены дисками. Между этими дисками и протягиваются свариваемые листы. Производительность таких машин очень велика — до 5–6 м шва в минуту.

Третьим видом контактной электросварки является сварка стыковая. Свариваемые детали устанавливают в специальные устройства, плотно прижимающие их друг к другу. К деталям подключают ток. Наибольшее сопротивление он встречает, само собой разумеется, в месте соприкосновения деталей. Металл разогревается, переходит в пластическое состояние, а затем сваривается.

В некоторых случаях электрическую искру заменяет пламя газа. Оно плавит и место сварки и присадочный материал.

В качестве источника газа обычно используется карбид кальция — тот же самый карбид, который рождает горючий газ ацетилен в шахтерских лампочках. Но может применяться для такой сварки и природный газ, и водород, и бензол и т. д.

Температура пламени, вырывающегося из газовой горелки, достигает 3 тысяч градусов. Одной рукой сварщик управляет горелкой, другой подает присадочный пруток. И в крохотном объемчике ванны под его руками рождается соединяющий детали стальной шов.

Одной из разновидностей такой сварки является газопрессовая. Особенно широкое применение она получила на строительстве дальних трубопроводов. При этой сварке трубы устанавливаются в стык, а это место нагревается газовым пламенем. Затем трубы прижимают друг к другу, и они свариваются.

Острым, как лезвие, пламенем газа можно не только сваривать, но и резать металл.

Совершенно особым видом сварки является сварка термитная.

…Прокладывается линия трамвая. Надо сварить рельсы в стык, чтобы не было между ними промежутков. И вот уже пришли на линию сварщики.

Нет с ними ни трансформатора для электрической сварки, ни газовых баллонов для газовой. Они надевают на соединение рельсов какой-то странный железный ящик, обмазанный внутри огнеупорной глиной, устанавливают над ним такую же воронку. В нее всыпают порошок, зажигают короткий фитиль, и… воронка мгновенно превращается в жерло миниатюрного вулкана. В ней клокочет жаркое пламя, бурлит лава. Это длится всего несколько секунд. А через полчаса рабочие разбирают свое устройство. Рельсы сварены напрочно. Осталось снять лишний металл, пригоревшие шлаки. И все.

Порошок, который рабочие подожгли в воронке, состоял из алюминия и окиси железа. Эта смесь называется термитом. При ее горении происходит стремительное окисление алюминия и выделение чистого железа. Так как температура при этом поднимается до 3 тысяч градусов— вот он, искусственный вулкан! — то вся смесь плавится. Окись алюминия всплывает шлаком, а железо стекает вниз, в железную форму, окружающую стык рельса. Оно сваривает нижнюю часть рельса, а головку его шлак нагревает до температуры размягчения. При сжатии рельсы свариваются.

А ведь по существу каждые два куска металла, положенные друг на друга, должны свариваться. Ведь существует такое явление — диффузия, проникновение атомов одного вещества между атомами другого за счет теплового движения. В результате такого проникновения в месте стыка деталей они должны как бы сплавляться, растворяться друг в друге. Почему же этого не происходит? Вероятно, этому мешают пленки окислов, которые разъедают металлы, решили ученые. Но как же уничтожить разделяющее влияние этих окислов?

Ученые решили поместить свариваемые детали в вакуум — уж тут, где нет кислорода, пленка окисла расти не сможет. Для ускорения диффузии они с помощью токов индукции нагрели обе детали, причем температура нагрева была значительно ниже той, при которой идут все другие виды сварки. Через пару минут они извлекли детали. Не было ни брызг расплавленного металла, ни искр электрического пламени — ничего, что обычно сопровождает сварку. Но извлеченные детали оказались сваренными навечно. Когда посмотрели в микроскопе на шлиф спая, увидели, что металлы как бы взаимно растворились друг в друге.

Новый способ сварки нашел себе сразу же широчайшее применение. Конечно, нецелесообразно сваривать в вакуумной камере фермы моста, а вот приварить к державке резца металлокерамическую пластинку крепче, чем этим способом, — невозможно.

Диффузионная сварка в вакууме позволяет соединять сталь с нихромом, алюминий с медью, никель с железом. Причем этот вид сварки оказался одним из самых дешевых: не надо ни электродов, ни флюсов. Разработали этот метод сварки в нашей стране под руководством кандидата технических наук Н. Ф. Казакова.

В настоящее время имеется около 120 разновидностей сварки. Количество их, конечно, все растет. И, конечно, здесь невозможно рассказать обо всех. Но нельзя не упомянуть еще хотя бы о двух.

…В 1956 году молодой токарь А. И. Чудиков обтачивал стальную деталь. Шелестя, сбегала стружка, мерно рокотал мотор станка — было все, как обычно. И начинающий токарь не заметил легкого дымка пригоревшего масла, который вился над центром задней бабки станка. А когда он попытался снять обработанную деталь, это ему не удалось. Деталь приварилась к заднему центру.

А что, если попробовать этим методом сваривать детали? Очень удобно! Не надо ни электрического тока, ни баллонов с газом.

Изобретатель попробовал. Сначала у себя в мастерских, затем в лабораториях Всесоюзного института электросварочного оборудования. И в результате возник новый метод сварки.

Предположим, нам надо сварить два обрезка трубы. Вводим между ними кольцо, сдавливаем его между трубами и начинаем наше кольцо быстро вращать. От трения повышается температура стыков, металл размягчается. Теперь надо быстро остановить кольцо и усилить давление на трубы.

Вероятно, этот вид сварки найдет еще себе довольно широкое применение в условиях строительства газопроводов, на заводах железобетонных изделий. Ведь шов, получаемый при этой сварке, имеет очень высокие качества, а затраты на нее примерно в 10 раз меньше, чем при электросварке.

Другим интересным новым методом является сварка ультразвуком. Да, да, электрическую искру и пламя газа можно заменить высокочастотными звуковыми колебаниями.

Это, пожалуй, единственный способ, которым можно сварить два тонких листка алюминиевой фольги: ведь их лепестки мгновенно завянут и сгорят в электрической дуге, их испарит огненное дыхание ацетиленового пламени, а незримый луч ультразвука не сделает им никаких неприятностей.

При сварке ультразвуком листы металла помещают под стержнем, соединенным с генератором ультразвука. В зоне действия ультразвука колеблющиеся частички металла начинают диффундировать друг в друге, смешиваться. Окисные пленки при этом исчезают. Металлы, хотя их температура поднялась лишь незначительно, как бы приобретают свойства пластичности и свариваются.

Ультразвуком можно сваривать не только в отдельных точках, но и создавая сплошной шов. В настоящее время максимальная толщина пластин, которые могут быть сварены этим способом, равна 1,5 мм. Самое интересное, что не только металлы, а и многие пластмассы могут свариваться на станках ультразвуковой сварки.

Ультразвуковая сварка длится меньше секунды, лишь в отдельных случаях этот процесс тянется «целых» шесть секунд. Но и это несравненно меньше, чем любой другой вид сварки.

Есть у ультразвуковой сварки и еще одно достоинство: она не требует тщательной очистки свариваемых поверхностей.

Такова сварка сегодня. Статоры мощнейших гидротурбин и автомобили «Волга», протянувшиеся на тысячекилометровые расстояния газопроводы и мосты — разве перечислишь все случаи ее применения, разве расскажешь о всех методах сварки?