книги / Научно-технические изобретения и проекты

ного рода изделиях кузнечных, котельных, кровельных и в других технических производствах; упрощает и удешевляет сами ра­ боты, устраняя машины-орудия (паровой молот, сверла, ножницы); дает возможность нарастить слабые части, избавляя этим от убыт­ ка при их замене новыми; позволяет покрывать один металл дру­

ся полная герметичность. Способ «электрогефест» позволяет соеди­ нять разнородные металлы независимо от температур их плавле­ ния, например, железо можно покрыть свинцом, чугун — при­ варить к желтой меди и пр. При спайке не требуется постороннего более легкоплавкого металла (припоя); соединение производится металлом, однородным с металлом соединяемым. Способ этот дает возможность производить починки на месте, не отнимая изломан­ ной части от целого. При тщательной работе этим способом можно избежать многих механических обработок. Сами соединения по­ лучаются при тщательном выполнении работ вполне герметичны­ ми, хотя с крепким, закаленным швом.

Применение этого способа можно считать уместным в следую­ щих случаях:

1 ) исправление предметов из разнообразных металлов; 2) кро­ вельные соединения крупных размеров; 3) запайка свищей, ра­ ковин в трубах чугунных, железных, медных и иных; 4) котель­ ные соединения без швов и заклепок; 5) всевозможные баки и сооружения, требующие особенной герметичности; 6) сварка зве­ ньев цепей; 7) соединение и разъединение металлов при возмож­ ных работах; 8) приваривание растягиваемых раскосов железных мостов; и вообще везде, где соединение не испытывает динами­ ческих сопротивлений.

На заводах и фабриках, где имеется электрическое освещение от динамо-машины и где часто терпят убытки от стоянок, вслед­ ствие поломки небольших частей машин, зачастую чугунных или из литой стали, выгодно во всех отношениях применять подобную сварку и обработку металлов.

Приведенные выше расчеты стоимости 1 ч электрической обра­ ботки металлов по способу «электрогефест» верны в том лишь слу­ чае, если завод работает непрерывно в год 200 дней, по 10 ч еже­ дневно, но мы видели, что батарея в 500 аккумуляторов, заряжае­ мая в продолжение 500 ч и питаемая динамо-машиной в 120 X X 100 в • а, полностью расходуется через 75 ч; следовательно, аккумуляторы питаются динамо-машиной всего в продолжение 575 ч, а запасенная в них энергия расходуется в 75 ч, откуда видно,

что разряжение быстрее заряжения в 575 = 7,6 раза. Предполо­

жим, чго разряжение производится в сутки в течение 10 ч, а за­ ряжение аккумуляторов ведется в сутки в продолжение 20 ч, т. е. разряжение происходит вдвое' быстрее, чем заряжение.

213

Отсюда видно, что расходуется энергия в 3,8 раза быстрее, чем по­ лучается; поэтому для непрерывной работы необходимо число серий (500) аккумуляторов и динамо-машин увеличить в 3,8 раза, а это влечет за собой увеличение расходов как единовременных, так и постоянных — годовых в 3,8 раза. Коэффициент полезного действия останется без перемены, так как каждый раз имеем дело в отдельности с одним комплектом в 500 аккумуляторов и одной динамо-машиной в 100 X 120 в • а. Имея аккумуляторы незаря­ женными, сперва запасают в них необходимое количество энергии, а затем уже приступают к работе, отчего появляются более или менее длинные промежутки остановок работы. С подобными оста­ новками работы можно примириться, пока нет значительного ко­ личества заказов на работы способом «электрогефест» и, следова­ тельно, можно пользоваться одной динамо-машиной в 100 X X 120 в • а при 500 аккумуляторах.

Взгляды иностранных ученых, изучавших способ «электро­ гефест», крайне противоречивы. Изучая одно и то же дело, один — в Петербурге, другой — в Париже, они пришли почти к совершен­ но противоположным заключениям: один из них превозносит его и сулит ему громадную будущность, другой — выражает крайнее сомнение в непосредственном применении вольтовой дуги к об­ работке металлов.

Не беру на себя смелость высказаться ни за, ни против способа «электрогефест», но позволю предложить интересующемуся на ос­

вателей, могущих еще более усовершенствовать обработку метал­ лов электрическим путем, так как его изобретение — первое, осу­ ществленное в технике — успело показать, насколько универ­ сальны и просты работы электричеством.

В заключение приношу мою благодарность Н. Н. Бенардосу, доставившему мне возможность ознакомиться с его способом и со­ ставить описание его для Императорского технического училища, которое командировало меня с этою целью в декабре 1887 г. на опытную станцию «Электрогефест» [29].

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ ПО СПОСОБУ Н. Н. БЕНАРДОСА

Е.Трунин

Скаждым днем электричество получает все больше и больше при­ менений в технике. Г-н Бенардос употребляет его для обработки металлов. Пользуясь высокой температурой вольтовой дуги, он получает ее в любом месте обрабатываемого предмета, употреб­ ляет весьма различно. Изменяя длину дуги, которая колеблется

214

Рис. 1. Принципиальная схема сварки угольным электродом.

Рис. 2. Держатель для сварки угольным электродом.

от 7 см до 0, получают при этом ток разной плотности и напряже­ ния, что необходимо при различной величине обрабатываемого предмета. (Изменение плотности тока можно достигнуть и реоста­ том, об употреблении которого мною своевременно будет сказано).

Для получения вольтовой дуги в любом месте обрабатываемого предмета р (рис. 1) соединяют его проводником с одним из полюсов электрического источника, будет ли он представлять собою дина­ мо-машину, аккумуляторы, первичную батарею и т. д., а провод­ ник от другого полюса соединяется с особым прибором Л (рис. 2), на конце которого находится уголь (е). Приближая его к обраба­ тываемому предмету, в любом месте последнего получаем вольтову дугу, вследствие высокой температуры которой металл здесь пла­ вится. С помощью способа г-на Бенардоса можно производить различные соединения металлических частей, разъединять их, де­ лать отверстия и т. д. Две последние работы весьма удобно могут быть производимы и под водою.

Прежде чем приступить к соединению данных предметов, необ­ ходимо иметь руду или песок для и буру при меди, а также несколь­ ко пластинок ретортного угля, ко­ торыми задерживают расплавлен­ ный металл от растекания. Это единственно возможные пластин­ ки, а потому они составляют осо­ бую привилегию при электриче­ ской пайке.

Для предохранения глаз от ярких лучей пламени вольтовой дуги устроена особая рамка с двой­ ными стеклами и ручкой (рис. 3), которая особым щитком предохра­ няет руку от высокой температу­ ры пламени. По бокам рамки

Рис. 3. Щиток сварщика.

215

Рис. 4. Сварка стыкового шва с концевыми формирующими подкладками.

Рис. 5. Сварка углового шва с формирующим приспособлением.

устроены также щитки, которые совершенно защищают лицо и голову.

Из способов пайки большого внимания заслуживают сле­ дующие:

1. Стыковые соединения. Соединяемые куски металла кладут на чугунной плите (рис. 4). На месте спайки оставляют некоторое расстояние в зависимости от толщины соединяемых кусков а, Ъ. В большинстве случаев первое равно последней. Потом с боков прикладывают угольные пластинки для того, чтобы задержать расплавленный металл. Сам процесс пайки идет так: в оставлен­ ное пространство кладут кусочки с железа и немного пересыпают рудой или песком. Потом приближают уголь, получается вольтова дуга и металл плавится. Когда первый слой расплавится, насы­ пают кусочки вновь, посыпают рудой или песком и расплавляют опять, наблюдая, чтобы происходило полное соединение верхнего слоя с нижним и т. д., пока не заполнят все пространство. Место пайки затем проковывается. Если толщина спаиваемого предмета значительна, то оставленное пространство заполняют кусочками несколько раз, причем каждый слой проковывают отдельно1.

2. Соединение внахлест. Два куска а и Ъ накладывают один на другой (рис. 5) и прикасаются к ребру в нескольких местах углем. При этом появляется дуга, металлы плавятся и куски слегка скрепляются между собой, как бы пришпиливаются расплавлен­ ным металлом. Затем на один из них кладут пластинку угля так, что остается некоторое расстояние между углем и ребром спаивае­ мого предмета. После этого кладут кусочки металла в простран­ ство между углем и ребром спаиваемого предмета. Кусочки рас-

1 Кусочки железа иногда можно заменить железной полосой.

216

о \— | 6

Рис. 6. Техника сварки нахлесточных соединений.

плавляются, чем и соединяют поверхность нижнего предмета с реб­ ром верхнего.

Место пайки через несколько слоев проковывают. Когда одно ребро припаяно, куски перевертывают и повторяют то же с дру­ гой стороны.

Сварка, когда металл в месте соединения не изменяет своей структуры. Для получения такой сварки употребляется следую­ щий прием. Положим, нам требуется сварить встык (рис. 6) два куска полосового железа размером 2" X 8". Свариваемые части кладут, как видно на фиг. 1, так, что в месте соединения один ку­ сок накладывают на другой, причем величина плоскости сопри­ косновения по направлению аЪ бывает приблизительно равна тол­ щине свариваемых листов. Когда куски положены вышесказан­ ным образом на плиту или наковальню, приступают к сварке* которая и производится так (фиг. 2—8):

Получив вольтову дугу (фиг. 3), паяльщик водит углем паяль­ ника по линиям ей (фиг. 2), причем должен держать его близко к грани с, е, к, й и сплавлять заштрихованную часть угла полосы

217

Рис. 7. Схема сварки кольцевого поворотного соединения.

В. Расплавленный металл куска В сливается по поверхности с/

скуском С, и этим достигают первоначального скрепления кусков

содной стороны. После этого свариваемые части имеют вид, по­ казанный на фиг. 4. Затем куски переворачивают (фиг. 5), водят углем паяльника по линии тпр, вблизи поверхности р, т, п, 5, стараясь расплавить заштрихованную часть угла полосы С, и тогда свариваемые части будут иметь вид, как на фиг. 6.

Затем к месту соединения подводят уголь паяльника и двигают

его, как показано на фиг. 7, вправо и влево и одновременно с этим — по линии, показанной стрелкой, и по всей ширине свари­ ваемых полос.

Повторяя это с обеих сторон, в месте соединения металл на­ гревают до сварочной температуры, а потом ударом молотка вместе с выпрямлением полос достигают в месте соединения пол­ ной сварки (фиг. 8).

Как пример скорости, с которой можно производить эту работу, приведу следующие данные. Полосы железа 2 X 3/8" были сва­ рены в продолжение 50—60 сек.

Соединение цилиндрических тел встык. Стержни до 2" диамет­ ром можно соединять на особо устроенном токарном станке. Для этого соединяемые части вставляют с одной стороны в патрон неподвижной бабки, а с другой упирают в центр подвижной. После этого станок начинают вращать и подводят уголь к месту соединения, нагревают его до сварочной температуры и потом с помощью особого рычага производят нажатия одной свариваемой части на другую и этим достигают полного соединения. Валы в 3, 4, 5 и до 6" для сварки требуют некоторой подготовительной работы, а именно (рис. 7): концы их затачивают на конус и свари­ вают их постепенно.

Наплавление металлов. Металлы могут быть наплавляемы слоя­ ми один на другой. Лист железа (рис. 8), на который хотят наплав­ лять другой металл1, кладут на плиту паяльного стола, затем на­ сыпают кусочки наплавляемого металла по всей поверхности листа и посыпают рудой, песком или бурой, в зависимости от рода ме­ талла. К кусочкам подводят уголь, они плавятся и соединяются

1 Например, красную медь, свинец, олово и т. д.

218

Рис. 8. Схема наплавки угольной дугой по присадочному ма­ териалу.

вочного соединения.

Рис. 10. Сварка отбортовочного соединения с ос­ тающейся прокладкой.

Рис. И . Сварка отбортовочного соединения с формирующими метал­ лическими приспособле­ ниями.

с нижним листом, образуя с ним одно целое. Количество наклады­ ваемых кусочков зависит от толщины наплавляемого слоя, и если она довольно значительна, то работа производится в несколько

плавляемого слоя будет везде почти одинакова. Работа произво­ дится так: АВС представляет собой лист, на который положены кусочки наплавляемого металла М. Уголь ведут около края АВ от А к В и затем обратно, приближаясь к СО. Так наплавливают металлы один на другой по всей поверхности.

Сварка тонких листов. При соединении тонких листов можно обходиться без добавления кусочков металла. Положим, нам надо

219

Разрезывание металла. Этот способ показан на рис. 12. Если, как видно на рисунке, к полосе металла поднести уголь, то металл в этом месте плавится и капает вниз. Подвигая уголь по направ­ лению стрелки, можно выплавить в этом месте весь металл полосы, и она будет разъединена на две части. Эта работа очень легко производится и под водой.

Из сделанного выше описания видно, что по способу Н. Н. Бенардоса можно весьма различно обрабатывать металлы: соеди­ нять металлические части, разъединять их, наплавлять один металл на другой и т. д.

Все описанные здесь приемы применены практически, но преж­ де чем указать на некоторые сделанные крупные работы, я скажу несколько слов о свойстве расплавленного металла.

При спаивании в месте соединения частей мы имеем расплав­ ленный металл, который по своим свойствам приближается вообще к литому металлу.

Как известно, полученный обыкновенным способом литой металл не имеет той плотности, прочности и вообще тех хороших качеств, как металл прокованный и прокатанный. ' Поэтому для практического применения литой металл требует известной об­ работки. Точно также и металл, расплавленный дугой. Если по­ лосу такого металла нагреть в горне и потом проковать, то она будет обладать очень хорошими качествами. Еще в июне 1886 г. в присутствии проф. Рюльмана был произведен подобный опыт на Александровском заводе и при пробе на разрыв (литой металл) кусок выдержал 34,2 кг на 1 мм2 при удлинении в 19%.

При работах расплавленный металл, от которого требуются свойства, зависящие от проковки, проковывается, вследствие чего

220

место пайки обладает такими качествами, которые вполне удов­ летворяют практическим требованиям. При сварке кусков металл

вместах соединения не изменяется и он обладает теми же качест­ вами, как и соединяемые части вне сварки. На Александровском заводе было произведено очень много испытаний прочности метал­ ла в местах сварки. Все опыты дали хорошие результаты. Проч­ ность сварки не только почти равна прочности металла в цельном месте, а часто даже выше. Прочность металла в месте соединения колеблется от 25—35 и в редких случаях бывает 37—40 кг на 1 мм2,

впрактике подобная прочность совершенно достаточнаг.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА И ПАЙКА

(выборка из книги)

Э. Фодор

Электрический нагрев металлов до температуры плавления и сплавление их известны давно. Английский патент Уайльда за № 1412, 1865 г. ясно говорит о пригодности описанных электри­ ческих машин для плавления.

Джоуль давно применил практически способ плавления. Вильям Сименс в 1881 г. сконструировал собственный аппарат для сплавления концов проволоки. Еще задолго до этого в ма­ стерских компании «Томсон — Хьюстон» начали сплавлять прово­ локу якорной обмотки динамоэлектрическим путем. Далее мы ссылаемся на плавильные приспособления Уолнера, Коулса, У. Сименса, У. Максвелла, Фармера и др.

Замену обычного способа сварки приплавлением друг к другу изделий с помощью дуги в действительности в промышленности первым применил Бенардос в 1881 г. в лаборатории Кабата, где он электрическим способом паял аккумуляторы. Способ Бенардоса заключался в основном в том, что изделия с отрицательным по­ люсом соединяли с источником электричества, а положительный полюс идет к угольному стержню, образующему дугу. Сильное восстанавливающее действие, имеющее место на отрицательном полюсе, должно препятствовать окислению обрабатываемого ме­ талла. Но на практике не всегда соединяемый металл хорошо со­ единяется на отрицательном полюсе, потому что если дуга полу­ чается на воздухе, то отрицательный электрод имеет значительно более низкую температуру, чем положительный. Иначе, когда дуга горит в безвоздушном пространстве. Отрицательный электрод (уголь) нагревается до температуры, равной температуре плав­ ления платины, в то время как положительный электрод нагре­ вается сравнительно меньше. (См. опыты Де ля Рива и Розетти).

Эта разница в температуре может быть такой, что соединяемое1

1 Статья Е. Трунина приводится с сокращениями (подробнее см. работу [62]).

221

с отрицательным полюсом изделие едва ли может быть накалено докрасна, в то время как положительный угольный электрод рас­ кален уже добела.

Это обстоятельство часто мешает тому, что, пока сварка про­ изводится на свободном воздухе, изделие могло бы соединяться с отрицательным полюсом. Часто приходится отказываться от преимуществ, которые дает соединение изделий с отрицательным полюсом прямого источника тока (как аккумуляторы, динамо по­ стоянного тока), особенно если изделие имеет большое сечение.

Как свидетельствует Аппенборн, Бенардос действительно из­ менил позже свое первоначальное устройство так, что изделие соединяли в большинстве случаев на плюс вместо минуса. Соглас­ но опытам Аппенборна скачок потенциала от отрицательного по­ люса к дуге составлял около 1/6 скачка потенциала между поло­ жительным полюсом и дугой. При посещении берлинской мастер­ ской «Электрогефест» Аппенборн нашел, что изделие соединяется с положительным полюсом. По его просьбе поменяли полюса, причем дуга, несмотря на значительную силу тока в приблизи­ тельно 120 а, лишь с трудом могла достаточно разогреть свари­ ваемые листы.

Способ Бенардоса, как говорит далее Аппенборн, для ряда случаев применения оправдал себя, а для некоторых — нет. Ос­ новной недостаток этого способа заключается в том, что тепловое действие тока регулируется лишь с трудом и что вследствие часто очень высокой температуры сплавляемые изделия иногда сгорают. Это обстоятельство подтвердил Ч. Коффин. Сталь и железо легко сгорают в дуге. Расплавленные изделия иногда имеют зубчатый

гой то, что нет представления о качестве соединения. Температура плавящегося в дуге железа или стали около 2000° С. Ясно, что расплавленный металл должен претерпевать изменения. Анализы показали, что металл теряет С и Мп наполовину, а 81 — полностью. Испытания показали, что металл кристаллизуется и становится слегка пористым. Он сохраняет свою прочность на растяжение, но его растяжимость почти равна нулю. Исправить это положение можно проковкой при охлаждении.

Говорят, что способ плавления не что иное, как пайка со всеми присущими ей недостатками. То, что эта пайка «автогенная», что ей не нужен посторонний материал, ничего не меняет. В то время как при сварке сохраняется однородная структура металла, при сплавлении она разрушается.

Как уже говорилось, наибольшая трудность практического применения способа заключается в регулировании напряжения и силы тока, т. е. в получении оптимальной для данной цели дли­ ны, сечения и температуры дуги. Бенардос хотел достигнуть ре­ гулирования напряжения и силы тока следующим образом:

222