Кто придумал автоматическую сварку
Обновлено: 04.05.2024
Термин «сварка» впервые был введен в употребление в начале 20 века, хотя процесс как таковой был уже известен в течение многих лет. В настоящее время сварка объединяет в себе целый ряд процессов, которые грубо можно подразделить на сварку давлением и сварку плавлением, при этом в истории человечества первые были известны уже тысячи лет назад. Сварки плавлением впервые стала возможной в 19 веке, когда были созданы источники тепла, позволяющие получить достаточную для этого процесса температуру.
Сварка давлением происходит, когда нагретые до температуры, ниже температуры плавления, соединяемые поверхности сдавливаются друг с другом. Их нагрев можно производить в угольной печи, газовым пламенем или электричеством. Так называемая сварка плавлением происходит при более высокой температуре, которую можно достичь газовым пламенем или электричеством.
Библейский персонаж Тубал-Каин, из книги «Бытие» Ветхого Завета, был описан как первый кузнец-ремесленник, научивший остальных людей изготавливать изделия из меди и железа. На сегодняшний день кузнецов осталось не так уж и много, но мы продолжаем восторгаться их профессиональными навыками, однако их производительность и качество нас уже не устраивают. Номенклатура их продукции весьма ограничена из-за достаточно узкого перечня применяемого оборудования и инструмента.
Английский ученый Томпсон, работавший в то время в США, проводил эксперименты с электричеством. Зажав два листа между медными электродами, и пропустив через них кратковременный электрический ток, ему удалось получить сварную точку. Метод был достаточно эффективен, однако требовал очень большого количества энергии, а потому был пригоден только для соединения относительно тонкостенных изделий.
В 1882 году российский изобретатель Бенардос запатентовал метод, при котором дуга, создаваемая в воздушном промежутке между угольным электродом и заготовками, плавила обе соединяемые кромки и подаваемый со стороны присадочный материал. Не смотря на серьезные недостатки данного метода, связанные с тем, что расплавленная ванна ни каким образом не была защищена от окружающего воздуха, а застывший металл содержал в себе огромное количество пор и окислов, он представлял некоторый практический интерес. Бенардос внедрил этот метод в производстве по изготовлению паровых котлов, где шов зачеканивался за счет проковки сварочной ванны. Тогда же в обращение вошел термин «пайка железом».
Десять лет спустя метод Бенардоса развил его соотечественник Славянов, заменивший угольный электрод на стальную проволоку, которая выполняла роль как электрода, так и присадочного материала. В результате удалось избавиться от ряда неприемлемых показателей, характерных для изначального процесса.
Примерно это же время французы Пиккард и Фуче презентовали метод газовой автогенной сварки. Источником газа являлся карбид кальция, который был получен при сплавлении в электродуговой печи углерода и кальция. При реакции карбида кальция с водой образовывался газ, названный ацетиленом С2Н2. При его горении в кислороде создавалось пламя с температурой более 3000°С, которой хватало для локального плавления крупногабаритного изделия. Наплавленный металл обладал великолепными характеристиками, а соединение имело желаемые свойства. Сварной шов получался чистым, т.к. при реакции ацетилена с кислородом образуются окись и двуокись углерода (СО и СО2). Именно они создают тот барьер, который предотвращает насыщение расплавленного металла газами из окружающего воздуха.
С этого момента данный метод приобрел огромный успех, однако, образующийся в результате реакции с водой газ, при определенных условиях, склонен к взрыву, т.к. скорость его горения в два раза превосходит вторую космическую скорость. Случаи возникновения обратного удара были обычным явлением, особенно до тех пор, пока не были придуманы системы защиты от этого удара, оборудование производящее газ взрывалось, приводя к человеческим жертвам и материальным потерям. Транспортировка этого газа была невозможна, т.к. при повышении давления ацетилен претерпевал структурные изменения, сопровождающиеся выделением тепла и взрывом. Некоторое время спустя было обнаружено, что ацетон при повышении давления ацетилена на одну атмосферу может растворить в себе 25 объемных частей этого газа. Это означает, что при давлении 10 атмосфер, емкость с 10 литрами ацетона вмещает в себя 2500 литров ацетилена. К сожалению, ацетон постепенно испаряется из емкости и она становиться взрывоопасной. Образуется газовая полость, в которой газ, находящийся под давлением может начать полмеризоваваться с выделением тепла и последующим взрывом.
Эта проблема была решена Густафом Даленом, который исключил образование газовых полостей, заполнив емкость пористой массой, например одним из вариантов которой может быть материал Оскар Келберг изготовливаемый из цемента, древесных опилок и кизельгура. Ацетон внутри сосуда распределяется по пористой массе и объем можно безопасно под давлением заполнить ацетиленом. Он назвал свое изобретение газовым аккумулятором, а в 1902 г. основал фирму известную в наше время под названием AGA – Aktiebolaget Gas Ackumulator (Газоаккумуляторная компания).
В это же время Оскар Келберг, жительШведской провинции Вермланд, занимался ремонтом котлов на Гетеборгской верфи с использованием метода плавильника Славянова. Для улучшения сварочно-технологических характеристик процесса и качества наплавленного металла он нанес на поверхность стального стержня обмазку из смеси силиката натрия, толченого угля, оксида кальция и целлюлозы. Данная смесь, сгорая в дуге, образовывает газы СО и СО2. Этот метод сварки дал ожидаемый результат: образующийся при данном процессе защитный газ позволил получить великолепный результат, поле чего данный метод получил одобрение морского страхового объединения «Регистр Ллойда», и было запатентовано Келбергом под названием «кратерообразующий покрытый электрод». В 1904 году Оскар Келберг создал фирму известную под названием ESAB – Elektriska Svetsningsaktiebolaget (Электросварочное акционерное общество). Два года спустя в литературный обиход вошел термин «Сварка».
Кто изобрёл электросварку и при чём тут русский инженер Николай Бенардос
Писать о важности электросварки в современном мире не имеет смысла, так как куда ни кинь взгляд, то обязательно наткнёшься на предмет или здание, где применялась сварка. Креативный редактор магазина «220 Вольт» Алексей Птушкин погрузился в историю создания первого сварочного аппарата. Получилось познавательно и интересно.
Первая электродуга
В 1800 году корнуольский физик и изобретатель Хемфри Дэви впервые смог зажечь электрическую дугу. Дуга получалось нестабильной и быстро гасла, но это открытие подтолкнуло молодого учёного к созданию первой электрической лампы накаливания. Лампочка с нитью из платины светила не слишком ярко.
В начале XIX века с электричеством экспериментировали учёные по всему миру, но в данном случае ключевыми являются опыты профессора медико-хирургической академии Василия Владимировича Петрова. В 1802 году он собрал огромную гальваническую батарею из 4200 пластинок меди и цинка. Петрову удалось зажечь стабильную электрическую дугу между угольными стержнями.
Василий Владимирович Петров и его гальваническая батарея
Петров провёл и подробно задокументировал эксперименты по электролизу, нагреванию разных материалов электрическим током, ввёл понятие “сопротивление” и предложил идеи практического применения электричества. Одна из таких идей – сварка металлов.
От теории к делу
Идея сварки металлов впервые воплотилась полвека спустя. В 1867 году американский инженер Элиу Томсон разработал технологию стыковой сварки. Он пропустил ток через прижатые друг к другу куски металла. Когда кромки начали плавиться, Томсон сжал их и проковал молотом. К 1892 году Томсон основал компанию THOMSON–Houston Electriс, которая занималась производством промышленного электрооборудования, в том числе и станками для стыковой сварки.
Станок Томсона для стыковой сварки
В Германии над похожим методом сварки работал инженер Цернер. С помощью угольных электродов он разогревал металл, а потом, так же как Томсон, проковывал стык кузнечным молотом.
В 1875 году Вильгельм Сименс пытался на своих заводах использовать электричество для сварки телеграфных проводов. Концы проволоки накладывались внахлёст, а затем их “накаливали” постоянным током. Решение получилось громоздким и неэффективным.
Аппарат Бенардоса
В 1881 году главной сенсацией Международной электротехнической выставки в Париже стал выставочный экспонат под названием “Электрогефест”. Так инженер Николай Николаевич Бенардос назвал первый в мире аппарат для дуговой сварки металлов. Сорокалетний изобретатель использовал угольные электроды и аккумуляторы, где для регулирования силы тока элементы в них можно соединять последовательно или параллельно.
Аппарат Бенардоса позволял сваривать металл в труднодоступных местах без дополнительной проковки и обработки. “Электрогефест” одинаково легко соединял листы железа, проделывал отверстия в стальных плитах и резал рельсы. Изобретателю сулили миллионы, но его плачевное финансовое состояние не позволяло заняться оформлением патентов. Дошло до того, что разорившийся инженер продал своё имение.
Оформить изобретение Николай Николаевич смог только шесть лет спустя, когда на помощь пришёл богатый купец Ольшевский. Он предложил оплатить необходимые взносы и финансировать дальнейшую работу изобретателя, а взамен сам Ольшевский указывался в патентах как соавтор. Бенардос вынужден был согласиться.
В 1885 году благодаря Ольшевскому открылась техническая мастерская “Электрогефест”. В небольшом заводском цеху Николай Николаевич демонстрировал своё изобретение, отрабатывал различные методы сварки, экспериментировал с флюсом и создал систему управления дугой. В мастерскую приезжали посетители со всего мира. И уже через несколько лет электродуговую сварку начали использовать в промышленном производстве в Европе и Северной Америке.
Сварочное оборудование Бернардоса в Лухском краеведческом музее
Битва патентов
Не лучше обстояли дела и в России: совладельцы общества “Электрогефест” умудрились присвоить себе большую часть изобретений Бенардоса. У Николая Николаевича возник конфликт с другим выдающимся инженером Николаем Гавриловичем Славяновым. Славянов предложил использовать плавящиеся электроды и поэтому назвал свой способ “электрическая отливка металлов”. Бенардос даже подал в суд, обвиняя Славянова в незаконном использовании своих патентов.
Долгое и затратное разбирательство завершилось не в пользу Бенардоса. Суд признал “электрогефест” и технологию “электрической отливки” независимыми и самостоятельными изобретениями.
К этому времени здоровье Николая Николаевича серьёзно ухудшилось — сказались годы работы с едкими кислотами и свинцом. И продолжились финансовые проблемы. Все деньги уходили на новые, порой крайне странные изобретения, регистрацию патентов и судебные тяжбы. Бенардос даже был вынужден просить совет Русского технического общества о скромной пожизненной пенсии.
Послесловие
Умер инженер Николай Николаевич Бенардос в возрасте 63 лет в забвении и бедности в палате фастовской богадельни. Известие об этом не попало ни в одну газету, так как страну в это время сотрясали события Русской революции 1905-1907 годов, Цусимского разгрома, восстания на “Потёмкине”.
Признание пришло к Бенардосу в конце XX века. В 1981 году под эгидой ЮНЕСКО открылся музей изобретателя в посёлке Лухе, Ивановской области; почта СССР выпустила марку с его портретом, а в Ивановском университете начали проводить конкурс электросварщиков с призом, названным в честь Николая Николаевича.
Имя Бенардоса вновь появилось в научно-популярных публикациях, где исследователи обсуждали почти две сотни изобретений талантливого инженера: от парохода, умеющего выбираться на берег, до проекта гидроэлектростанции в устье Невы.
Памятник Бенардосу в Иваново
Но главная память о выдающимся инженере – это технология, без которой невозможно представить себе современный мир – электродуговая сварка металлов.
История сварки
В самом начале 19 века, а конкретно в 1802 году, Василий Владимирович Петров (1761 – 1834 гг.), будучи профессором физики Санкт-Петербургской медико-хирургической академии, открыл и описал явление электрической дуги, а также впоследствии предложил ее возможное практическое применение, включая электросварку и электропайку металлов.
В 1882 году русский изобретатель Николай Николаевич Бенардос (1842 – 1905 гг.) открыл способ дуговой сварки с использованием угольного электрода. Дуга Бенардоса горела промеж угольного электрода и свариваемым металлом. В качестве присадочного прутка для образования шва применялась стальная проволока, а источником электрической энергии были аккумуляторные батареи. В последующие годы Н.Н. Бенардосом были разработаны и другие виды сварки: сварка дугой, горящей между двумя или несколькими электродами; сварка в атмосфере защитного газа; контактная точечная электросварка с помощью клещей. Им же были созданы и запатентованы ряд конструкций сварочного оборудования.
В 1888 году Николай Гаврилович Славянов (1854 – 1897 гг.) впервые в мире на практике применил наиболее распространенный в настоящее время метод дуговой сварки – метод сварки плавящимся металлическим электродом под слоем флюса. В присутствии государственной комиссии он сварил коленчатый вал паровой машины. Н.Г. Славянов не только изобрел дуговую сварку металлическим электродом, описал ее в своих статьях, книгах и запатентовал в различных странах мира, но и сам широко внедрял ее в практику. С помощью обученного им коллектива сварщиков Н.Г. Славянов дуговой сваркой исправлял брак литья и восстанавливал детали паровых машин и различного крупного оборудования. Н.Г. Славянов создал первый сварочный генератор и автоматический регулятор длины сварочной дуги, разработал флюсы для повышения качества наплавленного металла при сварке, организовал первый в мире электросварочный цех в Пермских пушечных мастерских, где работал с 1883 по 1897 г.
Н.Н.Бенардос и Н.Г.Славянов заложили основы автоматизации сварочного производства. К сожалению, в условиях царской России их изобретения не нашли большого применения. Лишь после Великой Октябрьской социалистической революции сварочные технологии получают распространение в нашей стране. Уже в начале 20-х гг. под руководством профессора В.П.Вологдина на Дальнем Востоке производили ремонт судов дуговой сваркой, а также изготовление сварных котлов, а несколько позже – сварку судов и ответственных конструкций.
Применение сварки в промышленных объемах требовало создание и скорейшего внедрения в массовое производство надежных источников питания, гарантирующих стабильное горение дуги. В 1924 году на Ленинградском заводе «Электрик» запустили производство сварочного генератора СМ-1 и сварочного трансформатора с нормальным магнитным рассеянием СТ-2. В том же году советский ученый Василий Петрович Никитин (1893 – 1956 гг.) разработал принципиально новую схему сварочного трансформатора типа СТН, выпуск которых был начат заводом «Электрик» в 1927 году.
В 1928 году русский изобретатель и учёный Дмитрий Антонович Дульчевский (1879 – 1961 гг.) разработал технологию автоматической сварки под флюсом.
В 1932 году русский ученый Константин Константинович Хренов (1894 – 1984 гг.) впервые в мире создал технологию электродуговой сварки и резки под водой.
Новая фаза развития сварки приходится на конец 1930-х годов. В это время коллектив института электросварки АН УССР под руководством академика Евгения Оскаровича Патона (1870 – 1953 гг.) изобрел промышленный способ автоматической сварки под флюсом. С 1940 года началось внедрение данного метода сварки в производства, что сыграло огромную роль в годы войны при производстве военной техники (электросварные башни танков) и снарядов. В дальнейшем был разработан способ полуавтоматической сварки под флюсом.
Конец 1940-х годов ознаменовался началом промышленного применения технологии сварки в защитном газе. В 1952 году коллективы Центрального научно-исследовательского института технологий машиностроения и Института электросварки имени Е.О. Патона разработали и внедрили в производство способ полуавтоматической сварки в углекислом газе.
Сваривать металлы практический любой толщины стало возможным после разработки в 1949 году сотрудниками Института электросварки им. Е.О. Патона технологии электрошлаковой сварки.
В дальнейшем в нашей стране стали применяться следующие способы сварки: сварка ультразвуком, диффузионная сварка, электронно-лучевая, холодная сварка, плазменная, сварка трением и др.
История автоматизации сварки
С 1950-х годов создатели сварочного оборудования стали широко применять методы теории автоматического управления и вычислительную технику. Начался период более полной автоматизации сварочных процессов, а затем и сборочно-сварочного производства. Учеными Б. Е. Патоном, К. К. Хреновым и другими исследователями начаты работы по изучению свойств различных систем автоматического регулирования дуговой сварки и сварки под флюсом.
В 1970–1080-е годы на дальнейшее развитие и широкое применение методов теории автоматического регулирования при проектировании автоматического сварочного оборудования оказали влияние работы Б. Е. Патона, Ф. А. Аксельрода, Б. Д. Орлова, А. С. Гельмана, В. К. Лебедева, П. Л. Чулошникова, Н. В. Подолы, Ю. А. Паченцева, Д. С. Балковца – в области контактной сварки; Б. Е. Патона, В. К. Лебедева, А. И. Чвертко, Н. С. Львова, Э. А. Гладкова, Э. М. Эсибяна, В. В. Смирнова и других – в области электродуговой, шлаковой сварки и наплавки; Ю. Н. Ланкина, В. М. Язовских, В. Я. Беленького, В. В. Башенко, В. Н. Ластовиря, О. К. Назаренко, В. А. Виноградова, В. А. Казакова, В. А. Лаптенка – в области электронно-лучевой сварки; Б. Е. Патона, Г. А. Спыну, В. А. Тимченко, Ф. А. Киселевского – в области роботизации дуговой и контактной сварки; Н. Н. Рыкалина, А. А. Углова, Н. В. Зуева, Р. Р. Абильситова, В. С. Голубева, А. Г. Григорьянца, Э. А. Гладкова, И. Н. Шиганова – в области лазерной сварки.
С 1980-х годов продолжены работы по оснащению сварочного оборудования следящими системами с электромагнитными и оптическими датчиками для автоматической ориентации электрода по линии стыка. Вклад во внедрение этого оборудования внесли работы Ю. А. Паченцева, Н. С. Львова, Э. А. Гладкова, Р. М. Широковского, Ш. А. Вайнера, Ф. А. Киселевского, В. В. Смирнова и других ученых.
Телевизионные системы для автоматической коррекции положения сварочной ванны относительно свариваемого стыка при электронно-лучевой сварке были разработаны М. Л. Лифшицем, Д. Д. Никифоровым и другими в середине 1980-х годов.
Новый методологический подход к анализу процессов в сварочном контуре как единой электрогидродинамической системе источник – дуга – сварочная ванна, в которой ванна рассматривается в качестве непосредственного объекта регулирования, предложен в 1977 г. Э. А. Гладковым. Он позволил в дальнейшем заложить основы проектирования автоматизированных систем управления сварочными процессами с применением ЭВМ.
Значительный вклад в разработку и внедрение автоматизированного сварочного оборудования в 1980–1990-е и последующие годы внесли Всесоюзный научно-исследовательский институт электросварочного оборудования (ВНИИЭСО) в г. Санкт-Петербурге (ныне Институт сварки России), Институт электросварки им. Е. О. Патона (ИЭС) в г. Киеве, ЦНИИТМАШ в г. Москве, Ржевское научно-производственное объединение «Электромеханика», Научно-исследовательский и конструкторский институт монтажной технологии (НИКИМТ) в г. Москве, МГТУ им. Н. Э. Баумана, НПО «Технотрон» в г. Чебоксарах, Псковский завод тяжелого электросварочного оборудования (ОАО «ПЗ ТЭСО»), Симферопольский электромашиностроительный завод (ПАО «СЭЛМА»).
В настоящее время серийный выпуск автоматизированного сварочного оборудования, инверторных источников питания с микропроцессорами в схеме управления налажен рядом зарубежных фирм: Lincoln Electrik, Miller (США), Cloos, EWM (Германия), ESAB (Швеция), Кemppi (Финляндия), Fronius (Австрия) и многими другими.
Эти разработки можно отнести к сварочному оборудованию нового поколения, характеризующемуся быстродействием, многофункциональностью в решении технологических задач, гибкостью перестройки и выбором рабочих программ, удобством регулирования и визуализацией параметров режима сварки, малыми габаритами и высокой надежностью в работе.
Читайте также: