Гордость Отечества

В.М.Петенко,
ФГОУ СПО «Борисоглебский сельскохозяйственный техникум»,
г. Борисоглебск, Воронежская обл.
mihail@bss.vrn.ru

 

ЭСТАФЕТА БЕЗ ФИНИША

Электрическая дуга

Есть притча о людях, с факелом бегущих ночью: когда падает один гонец, другой подхватывает факел. Так бегут люди сквозь темноту, и факел горит неугасимо...

Ломоносов первым поймал молнию, первым свёл электрический огонь с небес на землю. Его дело продолжила богатырская дружина мужей русской науки, совершив научный подвиг, равный подвигу Прометея. Как понять нам треволнения той далёкой поры, поры первой любви к электричеству?

Полтораста лет назад наши прадеды так же были увлечены электричеством, как мы – компьютерами. Ставить опыты было захватывающе просто. Вынимают из кармана монеты. Режут старый камзол на суконные кружки. Смачивают уксусом. Складывают стопкой: монета – кружок. Получается вольтов столб – генератор чудес. От электростатических машин удавалось получать лишь импульсы тока – электрические разряды, а от вольтова столба течёт постоянный, как поток воды, ток. Маленький столб – маленькое чудо. Кончики шнурков из блестящей канители – те, что тянутся от столба, – странно щиплют язык. Добавляют монет: крепче щиплет. Ну а если ещё добавить, что тогда? Может быть, ожог? Потрясение? Нет. Искра! Совершенно неожиданная вещь. Чем выше столб, тем жарче и ярче искры, – об этом сообщают научные книги и журналы.

Вольтовыми столбами занимаются все – учёные, торговцы, врачи, аптекари. В кабинетах королей стоят вольтовы столбы из золотых и серебряных монет. Занимается вольтовыми столбами и русский академик Василий Владимирович Петров (1761–1834). Но занимается не так, как другие. Он работает денно и нощно, не щадя себя. Ещё не изобретены чувствительные вольтметры, измеряющие электрическое напряжение. Но Петров превратил в вольтметр сам себя. Он срезал кожу с кончиков пальцев и ловил мельчайшие уколы электрического напряжения незащищёнными нитями нервов. Одна мысль пьянит академика Петрова: что, если взять не десяток монет и не сотню, а тысячу, даже несколько тысяч? Каким чудом тогда поразит нас электричество?

Вот бы взять да собрать столб небывалой длины – тысячи на четыре с лишком медных и цинковых кружков – и поглядеть, что получится! Богатырская, должно быть, искра проскочит меж концами шнура! А быть может, и не искра вовсе? Может быть, такое немыслимое чудо, что и вообразить заранее нельзя? Потому не терпится академику Петрову, пока соберут его «наипаче огромный» столб. Со сборкой мешкать нельзя. Столб такой длины, что, пока собирают головную часть, хвост успевает просохнуть. На стеклянную скамеечку положены два древесных угля; к ним подведены шнурки от огромной батареи. Осторожно сближаются угольки. И вдруг «является между ними яркое, белого цвета пламя». Ослепительный огненный мост лёг в пролёт между углями. Своды залиты серебряным светом, непривычно резкие тени, словно чернью, отчеканены по серебру. Предвидение Петрова сбылось. Он не зря увеличивал количество кружков. Рост количества породил новое качество, небывалое явление, не виданное в природе. (Подробнее о В.В.Петрове см. в № 27-28/04 (Поскотинова О.Н. Из истории Алтайского края).

 

Николай Николаевич Бенардос (1842–1905)

До Петрова электрический свет был вспышкой, искрой, молнией, а теперь он горел постоянно и непомрачимо, как солнце. Академик Петров сделал великое открытие. Он зажёг первый источник непрерывного электрического света. Хотя имя академика Петрова оказалось надолго разлучено с его гениальным творением, оно не забылось и будет жить в веках. Светозарное зерно, им заронённое, прорастёт великими изобретениями.

Над дугой Петрова через полвека склонился русский изобретатель Николай Николаевич Бенардос (1842–1905). Он работает в мастерских Яблочкова, но к дуге у него особый подход: свет дуги его не интересует, ему даже мешают её ослепительные лучи. Он глядит на дугу сквозь тёмные стекла, как разглядывают затмение Солнца. Средь кромешной тьмы, в узком ореоле света, между двух раскалённых углей плавится, пузырясь, и оплывает глиняная прокладка свечи. Не лучи дуги, а её нестерпимый жар приковал внимание Бенардоса. «Жар дуги так силён, – соображает он, – что в свече Яблочкова плавится, как воск, даже огнеупорная глина. Значит, и подавно расплавится металл. Значит, можно в свече плавить железо!» В новом, непривычном виде представляется ему свеча. Плавильная печь в кармане! Вагранка размером с карандаш! Вот во что перерастает свеча Яблочкова. Кирпичная башня плавильной печи заменится тоненьким стержнем. Вихрем проносятся в голове поразительные выгоды этой замены. Не свечу видит Бенардос перед собой, а волшебную палочку, которой подчиняется железо. Эта палочка чудодейственно исцеляет пороки и раны металла, словно скальпелем рассекает железо, заживляет в нём раковины-язвы и сшивает трещины, как игла. Всё яснее вырисовывается облик палочки-исцелительницы. В точности такой же, как свечу, делать палочку не стоит. Смысла нет зажимать железную пластинку между углями. И не только потому, что железо проводит электрический ток даже лучше, чем угли. Ведь оно и плавится лучше, и быстро выплавится из промежутка, и дуга соскользнёт к основаниям углей. Надо жечь дугу между угольными стержнями и вводить в неё со стороны железный пруток, как сургучную палочку в пламя свечи. Одно неудобство: обе руки держат угли, а вводить палочку в пламя нечем. Да ведь можно беспрепятственно выбросить один уголёк! А освободившийся провод подключить прямо к тому железному телу, над которым ведётся операция. Дуга вспыхнет между ним и оставшимся угольком. Этот уголь и надо держать в руке, а другой рукой вводить в дугу железный пруток. И пруток расплавится, потечёт, как сургуч, заплавляя раковины и трещины железного тела. Если жечь дугу без прутка, то дуга начнёт грызть железное тело и за ней протянется глубокий разрез. Вот она, палочка-исцелительница, игла и скальпель! «Электрогефест» называет её Бенардос именем мифического кузнеца Гефеста. Бенардос чувствует себя хирургом. Груды искалеченных машин и деталей – сломанные рычаги, щербатые шестерни, лопнувшие станины – ждут исцеления.

Царь-колокол

Но не только о них думает Бенардос. Замахнулся он на смелое дело, близкое каждому русскому человеку. Он решил восстановить кремлёвский Царь-колокол. Около полутораста лет назад литейный мастер Иван Маторин с сыном отлили исполинский колокол в 12 327 пудов 19 фунтов весом (масса около 197 240 кг. – Ред.) Но внезапный пожар охватил деревянные конструкции над ямой. Колокол раскалился докрасна. На него плеснули водой, и он треснул, от края отвалился осколок. С той поры возвышается колокол на каменном подножии, как большой бронзовый шатёр, и чернеет в его боку пробоина, широкая, как ворота. Исполинский осколок стоит рядом, прислонённый к подножию. Случай погубил гениальное создание русских мастеров, и теперь, через сотню лет, тянет им руку помощи другой русский мастер. Бенардос решил поправить колокол, приварив к нему осколок своим «электрогефестом». Многоустый хор известил Россию об этом намерении. «Г-н Бенардос восстанавливает Царь-колокол!» – кричали газеты.

А тем временем изобретатель в мастерской в Петербурге, бледный от нетерпения, вёл опытные сварки. Кончена сварка, сделан шов, но от несильного толчка расходятся сваренные детали, словно смётанные на живую нитку. Уверенный в правильности избранного пути, Бенардос продолжает опыты. «У “электрогефеста” блестящее будущее!» – считали учёные. И, прислушиваясь к поздравительным речам, предприниматели спешили вложить деньги в дело Бенардоса. На десятилетия, опережая время, создавал Бенардос всё новые и новые схемы электросварки, одна остроумнее другой. И с каждым днём яснее понимал, что где-то тут, под самым боком, есть незримая преграда. Словно кто-то коварный и невидимый толкал под руку и мешал простому, как дважды два, делу.

 

Николай Гаврилович Славянов (1854–1897)

О работах Бенардоса прослышал в далёкой Перми горный начальник Пермского пушечного завода Николай Гаврилович Славянов. Он построил динамо-машину собственной конструкции и принялся повторять опыты. И тотчас же закружился вокруг Славянова тот же самый хоровод неудач. Сварные швы получались ломкими и хрупкими, они отскакивали от металла, как горелые корки от хлеба. Но Славянов был блестящий инженер-металлург. Точное знание удваивало его силы. И он разоблачил затаённого врага Бенардоса – это был угольный стержень. С него в железо переходил углерод, и металл становился хрупким. Электрическая дуга, полыхавшая на тугоплавком угольном стержне, была слишком жаркой, она пережигала металл. Благодетельный жар, многократно умножавший яркость дуговых электрических ламп, здесь оказывался вредным. Вся беда была в том, что «электрогефест», родившись из лампы, наполовину ещё оставался лампой. Это сумел разглядеть Славянов острым глазом инженера, просветлённым знанием металлургии. Гениально просто расправился Славянов с отравителем металла.

Он выбросил угольный стержень, а освободившийся электрический провод прикрутил к железному стержню, который Бенардос вводил в дугу. Дуга вспыхнула прямо между стержнем и металлом. Она была не жаркой. Стержень плыл каплями, и они вливались в лужицу подтаявшего металла. Железо застывало прочным швом. На Мотовилихинском заводе Славянов открыл электросварочный цех. Как больных к прославленному лекарю с последней надеждой на исцеление, везли из разных городов России к Славянову в Мотовилиху искалеченные части машин. И Славянов исцелял. Из далёкой Новгородской губернии на барже по Волге и по Каме привезли разбитый колокол в 300 пудов (масса около 5 т. – Ред.). Славянов заварил в нём трещины, приварил отбитые куски. Колокол гулким басом возвестил о победе русской науки. Свои опыты Славянов решился описать. Его книжку прочитали коммерсанты – компаньоны Бенардоса – и возмутились. Они потребовали через суд, чтобы Славянову запретили заниматься электросваркой, ведь хозяева электросварки – они, они купили право на патент Бенардоса, и никто не смеет без их согласия пользоваться им. Ведь с конца железного стержня стекал не только целительный пламенный ручеёк, но и золотой тоже. Не соратника увидели в Славянове компаньоны Бенардоса, а соперника и врага. И всячески старались принизить его работу, доказать, что она и не изобретение вовсе. Завязалась изнурительная тяжба. Компаньоны заботились лишь о своих карманах, и им дела не было до того, что их происки разъединяли двух больших русских людей, мешали им оценить друг друга. Изобретателей ссорили между собой, вместо того чтобы помочь им соединить усилия. Наконец суд при помощи учёных разобрался в деле и, признав самостоятельность изобретения Славянова, разрешил ему продолжать работу, а Бенардосу, наоборот, запретил применять железный электрод. Но Славянов надорвался. Многолетние опыты с дугой, когда грудь обжигало дыханием расплавленного металла, а спину леденило сквозняками цехов, отразились на его здоровье. 7 октября 1897 г. Славянов умер.

С лёгкой руки Яблочкова постоянный ток в электропроводке заменили переменным током. Однако переменный ток, пришедшийся к месту в большинстве электрических машин, был неудобен для электросварки – электрическая дуга горела неустойчиво. Ещё Яблочков заметил, что обмазка на его свече повышает устойчивость дуги. И забытая идея Яблочкова подсказала изобретателям дорогу, и железный электрод стали делать также в обмазке почти того же химического состава, что и обмазка свечи. Обмазка плавилась вместе с электродом, её пары наэлектризовывали воздушный промежуток, и дуге было легче проскакивать через него. Когда свариваешь электродом с обмазкой и отводишь его от металла, дуга словно прилипает к электроду и растягивается вслед за ним, как резинка.

Пламя и вода

Выдающийся учёный профессор Константин Константинович Хренов (1894–1984) заставил кипящую сталь ужиться с холодной водой. Он знал, что от жара дуги, зажжённой под водой, вздувается газовый пузырь, и она горит внутри него, как в хрустальном шаре. Но устойчивый газовый пузырь получить было не просто. Для работы построили стальной бак в два человеческих роста высотой, с трубопроводами для быстрой смены воды, мощным подводным освещением и окнами-иллюминаторами, чтобы наблюдать снаружи, что творится внутри. В этом баке Хренов и его помощники-водолазы отработали специальные обмазки для электродов, пропитанные водонепроницаемым лаком. Результаты сложных исследований были удивительно просты. Надо было применять такую обмазку, которая плавилась бы немного труднее, чем железный стержень. Тогда на конце электрода остаётся венчик обмазки, на котором повисает устойчивый газовый пузырь, словно мыльный пузырь на раструбе соломинки. Во время горения от дуги расходится оранжевое облако – это тонкие частицы ржавчины расплываются в воде. От защитного пузыря, журча, фонтаном всплывают пузырьки, кажется, что вода кипит. Но дуга горит спокойно и устойчиво и может плавить и резать металл под водой почти так же быстро, как и в воздухе.

    

Значение изобретения профессора К.К.Хренова огромно. Отныне пробоины кораблей и подводных лодок можно было латать под водой, не заводя корабли в сухие доки. Открылись новые пути для подводного строительства. На гигантских водных сооружениях для подводной сварки открыт большой простор. Дуга Василия Петрова зажглась в подводном мире, словно солнце, катящееся за горизонт, и впрямь погрузилось в глубины моря.

Электросварочная машина

Когда грянула война, советские люди и электрическую дугу поставили на защиту своей Родины. Не церковные колокола, как полвека назад, а броневые купола и танковые башни варила дуга Василия Петрова. Не ударам колокольного языка, раскачиваемого глухим звонарём, должны были сопротивляться сваренные швы, а ударам снарядов противотанковых пушек. К прочности сварки предъявлялись небывалые требования. И тут выяснилось, что воздух, которым мы дышим, оказался для шва отравой. Кислород и азот поглощались расплавленным металлом, и от этого он становился ломким и хрупким. Изобретатели стали думать над тем, как оградить место сварки от доступа воздуха. Другая забота – резко повысить скорость сварки. «Больше танков!» – требовал фронт. На заводах всех стран мира сварка танков велась вручную, и это было так же неуместно, как шитьё гимнастёрок ручной иглой. В лабораториях и НИИ развернулось сражение за прочность и скорость сварки. И сражение это выиграл полководец научного фронта Евгений Оскарович Патон. Он придумал машину, обгоняющую электроды Славянова и Бенардоса настолько же, насколько швейная машина обогнала иглу швеи. Электросварочная машина Патона и впрямь похожа на швейную. Словно нитка в швейной машине, непрерывно подаётся проволочный электрод. На конце у «нитки» иголки нет. Вместо неё пылает дуга Василия Петрова. Но самой дуги не видно. Она скрыта под слоем флюса – порошка особого состава, сыплющегося из маленького бункера наверху. Замечательный способ сварки под слоем флюса придумал советский изобретатель Д.А.Дульчевский. Флюс плавится в дуге и застывает каменной коркой шлака, защищая шов от доступа воздуха. Флюс, как тёплым одеялом, укутывает дугу, и от этого её зной возрастает и расходуется почти целиком па плавление металла: капли жидкого металла брызжут с проволоки дробной струёй. Жар не пережигает металл: одеяло из флюса не пускает ко шву кислород. Головка машины резво двигается вдоль стыка броневых плит. Когда вслед за ней сбивали зубилом корку шлака, то под коркой открывался блестящий, как ртутный ручей, гладкий и прочный шов. Е.О.Патон был удостоен высшего звания страны – Героя Социалистического Труда. Кончилась война, мечи перековывали на плуги. На решение задач мирного строительства обращается и автоматическая электросварка. Новым советским электросварочным машинам дано могучее и мирное имя – электросварочный трактор. Этот трактор передвигается по строительным конструкциям на колёсиках, а за ним стелется сварочный шов, словно мирная борозда. Электрическая дуга совершает ныне тысячу мирных дел. Она бушует в металлургических печах, варит сталь... И кто знает, каким ещё новым чудом она обернётся?

           

Работает плазма

Электрогазорезные и электрогазосварочные работы – одни из наиболее трудоёмких и дорогостоящих процессов в металлообработке. Их проведение требует использования не только громоздкого и тяжёлого оборудования, но и высокой квалификации рабочего, да и экологическая сторона этих операций, как говорится, оставляет желать... Все эти трудности останутся в прошлом, если использовать ручной многофункциональный плазменный аппарат – отечественную новинку, разработанную на московском предприятии ОАО «Мультиплаз». Его рабочее тело – обыкновенная вода. Точнее, водяной пар в состоянии плазмы. «Мультиплаз-2500» – так назвали новинку разработчики – умеет многое: резать металлы и неметаллы, сваривать «чёрные» и низколегированные стали, медь, чугун, алюминий, осуществлять пайкосварку, очищать металл от ржавчины, паять... Для этого нужно всего лишь залить полстакана водопроводной воды в корпус горелки и включить аппарат в электросеть. Высокотемпературная плазма, которая вырывается струёй из дула «пистолета», легко и быстро выполнит перечисленные операции.

Принцип работы аппарата прост. Запуск производится простым нажатием кнопки управления подвижным катодом. В этот момент между катодом и соплом-анодом возникает электрическая дуга, и начинается интенсивное выделение тепла. Его вполне достаточно для того, чтобы превратить рабочее тело – воду – в пар. С ростом давления полученный водяной пар, вырываясь из сопла-анода, «обжимает» электрическую дугу, центрируя её относительно выходного отверстия. Образование плазмы обеспечивается за счёт энергии электрического разряда в ионизационной камере.

Возможности применения плазмоинструмента весьма широки. Такой «резак» способен разрезать любой известный негорючий материал, в том числе нержавеющую и высоколегированную стали, алюминий, титан и другие металлы, а также кирпич, бетон, кварцевое стекло, керамику...

Особенно эффективен он при резке стали и её сплавов. Благодаря очень высокой температуре плазменной струи прогрев металла происходит только в узкой зоне разреза. Эта заметно повышает качество резки: почти отсутствуют температурные деформации металла, сохраняются его физические и конструкционные характеристики (в частности, такой важный параметр, как его упругость). Толщина разрезаемого стального листа может варьироваться от 0,5 до 8–10 мм.

При проведении сварочных работ, а также при пайке и пайкосварке различных металлов, включая сталь, медь, латунь, алюминий, бронзу и т.п., рекомендуется использовать водно-спиртовую смесь с содержанием спирта 40% (метилового, этилового, бутилового и т.п.). Углеводороды, содержащиеся в спиртах, участвуя в высокотемпературном теплотехнологическом процессе, способствуют поддержанию химического состава факела, обеспечивающего качественное проведение перечисленных технологических процессов. Сварку плазмоинструментом можно производить по любому известному способу: и встык, и точками, и внахлёст. Во всех случаях шов получается прочным и практически без окалины. При этом усадка свариваемого металла – минимальная, а у опытных специалистов шов получается настолько ровным и качественным, что не требует последующей рихтовки.

В случае необходимости его можно использовать даже как огнетушитель. При локальном возгорании достаточно отключить электропитание прибора и направить сопло на место возгорания – струя водяного пара быстро загасит пламя. Плазмоинструмент безупречен в экологическом отношении и безопасен в эксплуатации. Не произойдёт ничего страшного даже при касании соплом-анодом разрезаемого металла. А это позволяет использовать при работе различные приспособления: линейки, лекала, трафареты, так что даже новичок может выполнить разрез высокого качества.

Аппарат размещается в наплечной сумке сварщика (масса горелки всего 700 г, блока питания – 5,5 кг) благодаря малым габаритам и отсутствию тяжёлых и громоздких баллонов, тележек, шлангов – всего, что обычно сопутствует сварочным работам. Плазмоинструмент уже входит в практику ремонтно-механических предприятий и, в частности, автомастерских, станций техобслуживания. Он эффективен при монтаже и последующем ремонте трубопроводов, систем отопления и сантехники, энергосистем, а также при проведении кровельных работ, ремонте холодильников, кондиционеров, различных вентиляционных систем и т.п. Окупается аппарат очень быстро.

На недавно состоявшейся выставке «Эврика» в Брюсселе разработки учёных и специалистов ОАО «Мультиплаз» удостоены двух золотых медалей. А на Всемирном Женевском салоне изобретений аппарат получил высшую награду – золотой «Гран-при».

Литература

Орлов В.И. Трактат о вдохновении, рождающий великие изобретения. – М.: Знание, 1980.
Корниенко А.Н. У истоков электрогефеста. – М.: Машиностроение, 1987.
Патон Б.Е., Корниенко А.Н. Огонь сшивает металл. – М.: Педагогика, 1980.
Хренов К.К. Сварка, резка, пайка металлов. – М.: Машиностроение, 1973.