книги / Научно-технические изобретения и проекты

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Е. Госпиталье

Применение тепла, вырабатываемого электрической энергией, не ограничивается освещением дуговыми лампами или лампами накаливания, и мы уже несколько раз сообщали о других видах его использования.

Так были описаны электрическая печь покойного г-на Вильяма Сименса, получение алюминиевой бронзы способом М. М. Коулса и электрическая сварка металлов замечательными методами М. Е. Томсона.

Бенардос* также использует в своем способе тепло, выделяемое электрическими токами, для электрической обработки металлов. Начало этих исследований относится к 1881 г. Первые разработки по сварке свинцовых пластин аккумуляторов были осуществлены Бенардосом в лаборатории «Электрисьен» по автогенной сварке свинцовых пластин аккумуляторов, созданной Н. Кабатом, который и стал ее директором. Результаты этих разработок в применении к другим металлам привели к появлению новой отрасли промыш­ ленности, а также к созданию «Общества для электрической об­ работки металлов».

Принцип, применяемый в этом способе сварки, заключается в получении вольтовой дуги, являющейся как бы электрической горелкой между двумя соединяемыми точками, и использо­ вании куска угольного электрода, который передвигают по по­ верхности свариваемых частей.

Ток подается от серии аккумуляторов с постоянно поддержи­ ваемым напряжением, заряжающихся от машины постоянного тока. Отрицательный полюс этой серии аккумуляторов соединен с чугунным столом, изолированным от пола, который является своего рода электрической наковальней, на которую помещают свариваемые изделия, а положительный полюс — с угольным элек­ тродом, которым оперируют вручную. Этот угольный электрод

176

имеет изолирующую рукоятку и предохранитель, защищающий руку от брызг металла, расплавленного дугой.

Если наковальню соединить с отрицательным полюсом, а уголь­ ный электрод — с положительным, то сварка плохо удается или же вовсе не происходит.

При легком касании к изделию угольным электродом и его быст­ ром удалении на некоторое расстояние образуется дуга, которая очень быстро расплавляет соединяемые детали и обеспечивает абсолютно герметичный и очень прочный шов. Если речь идет о выполнении длинного шва, например при соединении двух лис­ тов при производстве бочек, то достаточно вести угольный элек­ трод вдоль соединяемых деталей, чтобы получить шов за один проход.

Сила тока зависит от толщины свариваемых изделий; ее регу­ лируют, изменяя количество используемых аккумуляторов. В эк­ спериментах, проведенных недавно под руководством М. Ж. Сарсиа во время ежегодного заседания Французского физического общества, ток подавался от машины Грамма, заряжающей акку­ муляторы М. де Монто, которые потребляли от 500 до 400 а.

В основном требуется .28 свинцовых аккумуляторов, находя­ щихся под напряжением, для получения соответствующей дуги. Сила тока регулируется в зависимости от толщины свариваемых изделий при создании в электрической цепи переменного сопро­ тивления. Этим же способом можно пробивать отверстия в метал­ лических пластинах: если затем вставить металлический стержень в проделанные таким образом отверстия и расплавить током оба этих конца, то можно получить электрическую заклепку.

Яркий свет дуги вреден для глаз рабочего, который слишком часто получал бы электрические солнечные удары. Поэтому он должен защищать свое зрение во время работы с помощью рамки с цветными стеклами, имеющей ручку, которая держится в ле­ вой руке, в то время как правая рука маневрирует угольным элек­ тродом.

Кроме сварки аккумуляторов, практикуемой уже долгие годы, наиболее эффективно использовал этот способ Пьер Легран при изготовлении абсолютно герметичных металлических резервуаров, предназначенных для транспортировки легкой нефти и сероугле­ рода.

Электросварку применяют также при производстве труб из железа и меди и при изготовлении легких железных шкафов, ре­ шеток парков, подвалов, кроватей и т. д.

Таким образом, электрическая сварка является простым, удоб­ ным и практичным способом, достойным многочисленных и по­ лезных видов применения электрического тока, и мы должны поздравить г-на Бенардоса, который одним поворотом руки сумел

177

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА БЕНАРДОСА -

Ж. С а р с и я

В1881 г. г-н Бенардос, русский инженер, проживавший в это время во Франции, уже думал об использовании значительного тепла, которое выделяется в вольтовой дуге, для сварки двух или нескольких свинцовых пластин и даже изделий из других металлов. Обе свариваемые детали присоединяются к отрицатель­ ному полюсу какого-либо источника электричества, электродви­ жущая сила которого выше той электродвижущей силы, что раз­ вивается вольтовой дугой. Для этого использовали чугунный стол, который был назван электрической наковальней и на ко­ тором установили свариваемое изделие. Таким образом,' детали можно перемещать и наклонять, не прекращая процесса, что на­ много упрощает работу и сокращает время ее проведения.

сварщик может оперировать вручную этим электродом, укреплен­ ным на изолированной рукоятке. Совершенно ясно, что сила’тока должна изменяться в зависимости от вида выполняемой работы.

На практике нужно как можно меньше изменять режим дина­ мо-генератора, для чего следует использовать специальные сред­ ства изменения тока в сварочной цепи.

В обязанности специально нанятого рабочего входят постоян­ ная зарядка батареи аккумулятора от динамо-генератора и под­ ключение определенного количества аккумуляторов в сварочную цепь. Способы г-на Бенардоса позволяют не только сваривать электрическим путем металлы, но также клепать их и резать. Самым главным применением этой системы является ее использо­ вание г-ном Леграном для изготовления резервуаров и металли­ ческих бочек. Этот способ обеспечивает абсолютную герметичность бочек [109].

МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОСВАРКИ И ПАЙКИ БЕНАРДОСА Р. Рюльман

Когда я впервые посетил мастерскую г-на Бенардоса в Петербурге и увидел там работающих людей, я невольно вспомнил рассказ о яйце Колумба. Что электрическая дуга имеет чрезвычайно вы­ сокую температуру, гораздо большую, нежели другие земные ис­ точники тепла, многим из нас было известно еще в школе. Точно также было известно, что только тяжело плавящиеся металлы, такие, как иридий и осмий, могут участвовать в создании дуги

1 Сообщение Ж. Сарсия — представителя Общества электрической обра­ ботки металлов на заседании Общества Поощрения национальной промышлен­ ности (10.VI 1887 г.).

178

для плавки. Как близки были все к мысли: «Почему бы не исполь­ зовать температуру электрической дуги для плавки металлов всех видов».

Уже давно Сименс, Уолнер и Коулс сообщили миру о своих приспособлениях для наплавки, частично были достигнуты успехи в этой области. Многим приходила в голову мысль делать опыты по электропайке с применением дуги, однако никому не удавалось разработать способ, который имел бы практическое значение. Возникает вопрос: почему же предшественники Николая Бенардоса не достигли успехов во время проведения опытов? Оказа­ лось, что одни применяли тепло дуги, возникающей между двумя угольными стержнями, другие же, заблуждаясь, угольный стер­ жень соединяли с отрицательным полюсом дуги во избежание быстрого обгорания этого угля. Третьи же не умели регулировать процесс, делали лишь только отверстия в металле, вследствие чего им не удавалось изготовить паяный правильный шов.

Сегодня, когда подробности метода Бенардоса известны, изо­ бретатели новых процессов обработки металлов встречаются с та­ кими же проблемами, с какими встретился Эдисон, изобретая свою лампу. Существует целый ряд известных или давно забытых изобретений и патентов об этом, в которых проскальзывает со­ мнение.

В нашем электротехническом объединении занимаются все­ возможными процессами обработки металлов. Однако один во­ прос очень важен: в чем состоит отличие решения Бенардоса от исследований его предшественников и почему удалось достичь ус­ пехов только тогда, когда исследователи пошли по пути им ука­ занном? Новым является то обстоятельство, что при методе Бе­ нардоса 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 образовав­ шаяся 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. На­ личие сильного источника электричества недостаточно для того, чтобы обеспечить успешное завершение процесса. В управлении температурой дуги заключается мастерство изобретателя. Путь, который помогает регулировать силу тока и напряжение таков: машина, приводимая в движение паром или водой, дает нужное электричество, электроэнергия собирается в большую аккумуля­

179

торную батарею, которая состоит из множества параллельных подключенных групп, последовательно включенных элементов. С помощью соответственного включающего устройства можно при­ менять различное количество последовательно соединенных аккумуляторов и таким образом регулировать ток во время работы.

Благодаря применению нескольких групп параллельно вклю­ ченных аккумуляторов изменяется внутреннее сопротивление электроисточника, а следовательно, и температура. Силу тока можно изменять также путем изменения длины дуги вручную. Некоторого улучшения регулирования тока можно достичь путем включения в цепь источника тока с изменяемым сопротивлением. Существует много примеров, чтобы объяснить все вышесказанное более подробно.

Представим себе, что мы имеем динамо-машину, которая по­ зволяет получать ток 120 а и напряжение 175 в. От полюсов элек­ тромашины идут проводники к батарее, которая состоит из семи параллельных групп 7—10 элементов. От отрицательного полю­ са батареи идет провод непосредственно к обрабатываемому из­ делию. Чтобы запаять два листа толщиной 10 мм, соединяем по­ ложительные концы 40 элементов от трех параллельных групп с помощью кабеля вручную с электродным держателем, который имеет гомогенный угольный стержень диаметром 25 мм и длиной 250 мм, прикасаемся несколько раз острым передним концом стержня на какую-то долю секунды к обрабатываемому изделию и удаляем угольный стержень на несколько миллиметров. Так возникает между металлом и углем дуга, которая, если смот­ реть через темное стекло, выглядит как пламя газового паяльника. В месте, где узкий конец дуги касается металла, он расплавляется и превращается в жидкость. Если реакции усиливаются и расплав­ ленный металл кипит и испаряется, то вместо трех параллельно включенных групп 40 аккумуляторов применяют только две или одну. Если же металл необходимо плавить более быстро, то ис­ пользуют четвертую или пятую группу одинаковых электроэле­ ментов. Если дуга притухает или слишком узкая, то берут в каждой параллельно подключенной группе большее количество последовательно включенных элементов. Этот пример, который со­ ответствует реальным соотношениям, вполне достаточен для того, чтобы наглядно показать сущность способа Бенардоса (регулиро­ вание дуги).

Для обработки очень толстых деталей из тяжело плавящегося металла необходимо применять высокое напряжение и большую силу тока. Разумеется, следует применять только толстые угле­ родные стержни диаметром до 40 и 50 мм. При обработке тонких листов из легкоплавящегося металла применяется только одна группа аккумуляторов. Когда пайка не производится и дуга пре­ рывается, динамо-машина продолжает работать и в аккумулято ре накапливается электроэнергия. Для особых целей какие-либо

180

установленные в камере прямо, но она может и сама проходить по пластинам. Вследствие возникновения газа при зарядке в каж­ дой пластине возникает сильный поток жидкости, который спо­ собствует тому, что новые части электролита соприкасаются с по­ верхностью пластин, движение жидкости выравнивает возникаю­ щую разницу плотности, которая является причиной отклонения пластин. Это приводит к тому, что рабочую поверхность в данном случае невозможно уменьшить из-за накопления больших газо­ вых пор свинцовой ленты, так как они тонкие и гибкие и могут вызывать изменения процесса заряда на их поверхности.

Насколько важны описанные здесь свойства электроаккуму­ ляторов Бенардоса, можно судить по тому, что на французских заводах Ротшильда в Крейле в течение определенного времени велась борьба с серьезными трудностями, так как там пытались работать с элементами другого типа, которые не позволяли осуще­ ствлять быстрое протекание электролитических процессов.

Теперь я хотел бы сообщить, какие преимущества имеет новый способ по сравнению с ранее применяемыми способами обработки металлов. Влияние дуги аналогично пламени паяльника, т. е. оно местное, подогреваются только те части металла, кото­ рые необходимо расплавить при высоких температурах. В то вре­ мя как обрабатываемые места отдельных частей слегка нагревают­ ся с помощью излучения, дуга прекращает свою работу и жидкий металл опять остывает. Под влиянием дуги даже тугоплавкие ме­ таллы мгновенно расплавляются. Из изложенного выше следует, что работа должна выполняться чрезвычайно быстро.

Металлические детали, которые следует обработать, не тре­ буют никакой предварительной обработки, так как при высоких напряжениях также удается получить дугу, если поверхность покрыть толстым окислительным слоем. Под влиянием вольто­ вой дуги окислы быстро восстанавливают небольшое количество оксидов, которые могут встречаться, превращаясь в шлак, если добавить немножко песка в качестве жидкого средства. Эта шла­ ковая корка защищает металл во время охлаждения от влияния атмосферного кислорода.

На рис. 3 представлен процесс восстановления парового котла в опытной лаборатории Бенардоса. Видно совершенно простое подключение отрицательного провода к котлу, а также ручная подача паяльного огня. Этот случай заинтересовал весь техниче­ ский мир.

То обстоятельство, что дуга дает возможность развить нужную температуру, которая прежде была недосягаемой, позволяет про­ изводить работы на металле, которые прежде считались невозмож­ ными. Так сильно нагревать, как это позволяет дуга, можно лю­ бые металлические сплавы. Поэтому при применении способа Бенардоса можно наплавлять не только одинаковые металлы, сталь со сталью, чугун с чугуном, но и железо с медью, с оловом, цинком, свинцом, железо со сталью, чугун со сталью. Так как рас­

182