Учебное пособие: История и развитие сварочного производства
Пайка – процесс образования соединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизацией.
Сын датского купца и судовладельца Кристиан Томсен (в нач. 19 века), занимаясь бухгалтерским делом, он, одновременно, начал изучение археологических сокровищ национального музея в Копенгагене, в котором хранится богатейший материал собранных со всего света различных, том числе, и уникальных находок. Он установил следующее соответствие - чем примитивнее обработка изделия, тем «старше» оно по возрасту, то есть более древнее по времени его изготовления.
Он предложил разделить историю материальной культуры на три периода:
1. каменный – энеолит до 4 век до н.э.;
2. бронзовый – 4 век до н.э. – 1 век до н.э.;
3. железный век с 1 века до н.э. до настоящего времени.
Только в 60 годах 19 века идея К. Томсена, которому к тому времени было уже за 70лет, получила международное признание. Классификация эта связана с тем, что в качестве критерия была принята технология обработки материалов.
В тоже время, если за основу принять технологию изготовления составного изделия, то по распространенным в то время способам соединения историю материальной культуры можно разделить на век связывания, век античной сварки, век клепки и современный период сварки. Однако эта классификация не совсем точна, т.к. кроме неразъемных соединений были и разъемные, такие как привязывание, а также шарнирные, клиновые, резьбовые и др. соединения.
Глава 1. Из истории сварки
Сварка возникла на первом этапе развития человеческой цивилизации. Еще в каменном веке камнем подходящей формы древний человек мог отковать изделия из самородков благородных металлов – золота, серебра, меди. Таким же технологическим приемом, когда необходимо было увеличить размеры изделия, соединяли эти пластины между собой, т.е. применяли один из видов сварки – холодную сварку,- сварка металлов в холодном состоянии путем приложения деформирующих усилий. Этот первый вышедший из древнего периода способ сварки получил развитие в настоящее время для соединения медных, алюминиевых проводов, оболочек кабелей связи, морозильных камер холодильников и т.д. В древние времена этот способ был использован при сварке благородных металлов, которые практически не окисляются. Ударяя по сложенным вместе кускам металла, удавалось добиться прочного соединения. В Дублинском Национальном музее хранится золотая коробка, изготовленная в эпоху поздней бронзы, стенки и днище ее скованы плотным швом. Как считают эксперты, изготовлена она с помощью холодной сварки.
За несколько тысячелетий до н.э. некоторые племена (например, на территории Бесарабии, Украины) добывали из руды медь, свинец. Но техникой литья они еще не овладели, поэтому они подогревали и сковывали отдельные куски, получая более крупные куски и изделия из них.
Появление бронзы – сплава меди и олова – заставило древних умельцев приняться за разработку новых методов соединения отдельных элементов вместе (сварку). Бронза обладает высокой твердостью, прочностью, сопротивлению истиранию. Однако достаточно низкая пластичность не позволяла применять кузнечную сварку для соединения отдельных заготовок. Вдобавок возросли и габариты изделия, и трудно равномерно разогреть их. В III-II тыс. лет до н.э. умельцы трипольских племен применяли скручивание, фальцовку, склепывание, паяние.
Привести пример о находках на землях бывшей Римской Империи бронзовые сосуды цилиндрической формы h=310 мм d=0,5-0,7 мм были сварены по образующей литейной сваркой!
В начале железного века начали получать кричное железо. Куски железной руды (оксиды и др. соединения железа) нагревали вместе с углем и получали комки, в которых перемешаны частицы железа, шлака и остатков угля. А затем эти комки (крицы) многократно нагревали и проковывали в горячем состоянии. Частицы шлака и угля выдавливались, а отдельные частицы железа соединялись между собой – связывались, образуя плотный металл. Многократный нагрев и ковка – сварка делали металл чище и плотнее. Для раскисления добавляли природные сланцы.
При сыродутном или кричном способе получения железа, который господствовал на протяжении тысячелетий крицы получили относительно небольших размеров и для получения изделий действительно больших размеров их (куски) необходимо было соединять между собой. Для увеличения длины изделий сварку вели внахлестку.
Клинки и мечи выковывали из нескольких полос среднеуглеродистой стали (0,3-0,4%).
Большое значение для развития техники обработки черных металлов имела сварка железа с разным содержанием углерода с целью улучшения качества лезвия режущих и рубящих орудий. Это требовало большого мастерства кузнецов, т.к. температура сварки железа с различным содержанием углерода неодинакова. При изготовлении мечей, дротиков, ножей выполняли сварку полос железа и стали с выходом последней на режущую часть лезвия. Это давало хорошее сочетание мягкого и вязкого железа или низкоуглеродистой стали с твердой, но хрупкой сталью, содержащей большое количество углерода.
Часто при изготовлении ножей, серпов, топоров кузнецы – сварщики наваривали небольшую стальную пластину на режущую часть лезвия.
В скифский период в некоторых случаях делались попытки произвести сварку бронзы с бронзой путем прилива. Однако не всегда получалось прочное соединение. Литейщики раннего железного века при починке изделий (например, котлов) пробивали в стенках отверстие, таким образом, получалась соединяющая отливка, напоминающая форму заклепки.
При изготовлении ювелирных изделий из золота, серебра, бронзы в раннем железном периоде широко использовали пайку. Между частями, которые нужно соединить в единое целое изделие, закладывались кусочки сплава – припоя и собранное таким образом изделие нагревали до температуры, достаточной для расплавления припоя, но ниже основного металла. Припой растекается по зазору, смачивая кромки, диффундировал в металл и после остывания схватывал кромки.
Рано или поздно ювелиры должны были обнаружить, что для соединения металлов и сплавов методом заливки можно применять также сплавы, которые плавятся при значительно меньших температурах, чем материал соединяемых деталей изделий. Например, стоило только в золото добавить медь или серебро, как образовался сплав со значительно меньшей температурой (например, сплав 20% золота и 80% меди плавится при температуре 886°С (золото - 1064°С, медь - 1083°С), сплав 70% серебра и 30% меди - 780°С(Ag - 961°С)).
Это свойство сплавов и было использовано для пайки. Искусство пайки совершенствовалось, появлялись новые припои, начали применять флюсы, растворяющие и связывающие оксиды, мешающие припою диффундировать. В VIII-X в.в. появляются легкоплавкие припои – свинцовисто-оловянистые.
Металлургия и металлообработка больших успехов достигли в Древней Руси в X-XIII в.в. в связи с высоким развитием древнерусского ремесла. Технический уровень на Руси был выше, чем в Западной Европе. С помощью кузнечной сварки изготавливалось более 70% металлических изделий. С успехом применяли сварку железа с высокоуглеродистой сталью (до 0,9%).
С помощью сварки изготавливали огнестрельное оружие. До появления в конце XV века пушек отлитых из бронзы, артиллерийские орудия выковывали из железа. Их изготавливали следующим образом:
1) Выковывали из крицы железный лист;
2) Скручивали его на железной оправке в трубу;
3) Сваривали продольным швом внахлестку;
4) Затем на нее наваривали одну или две трубы, так чтобы продольные швы располагались в разных местах.
Полученные заготовки были короткие, поэтому для получения достаточно длинного ствола орудия несколько таких заготовок соединяли между собой также при помощи сварки. Для этого соответствующие концы труб выковывались в виде внутреннего и наружного конуса, соединяли и сваривали их внахлестку. В казенную часть ствола вваривали коническую железную заглушку, а рядом прорубалось запальное отверстие.