Из истории развития сварки. Почему металлы соединяются друг с другом?, страница 2

Дальнейшее развитие сварки тесно связано с открытиями в физике, химии, механике, электротехнике и металлургии.

В конце XIII века итальянский физик А. Вольта создал концентрированный источник электрической энергии – вольтов столб, а 1802 году русский ученый В.В. Петров открыл явление электрической дуги и предложил ее использовать для плавления металлов. Казалось бы, данная идея должна быть немедленно реализована в процессе совместного плавления и соединения металлов. Однако только в 1881 году идея нашла воплощение в изобретении русского дворянина Н. Н. Бенардоса, который создал способ дуговой сварки угольным электродом. Теперь, чтобы сварить детали, не требовалось нагревать их целиком и стало возможным соединять крупные детали прочными и плотными швами, используя в качестве источника питания аккумуляторные батареи. Параллельно с Н. Н. Бенардосом работал над совершенствованием изобретения его коллега и научный соперник – горный инженер Н. Г. Славянов. В 1888 году на Пермских казенных пушечных заводах он продемонстрировал свое изобретение – сварку металлическим плавящимся электродом (прутком), используя в качестве источника питания только генератор, а зону сварки защитив специальным порошком – шлаком. Два выдающихся изобретения XIX века заложили основу современной технологии сборки и сварки конструкций, сооружений, машин и механизмов.

В 1886 и 1887 годах Н. Н. Бенардосом и английским ученым Э. Томсоном были получены патенты на другой способ – контактную сварку. При этом детали нагревались проходящим по ним током и сдавливались.

В конце XIX – начале XX веков для нагрева и расплавления кромок деталей стали использовать ацителено-кислородное пламя и химические реакции смеси алюминия (магния) с окислами железа (для сварки рельсов). В последнем случае порцию термита сжигали в специальном тигле, а расплав заливали в зазор между стыками.

Таким образом, преобразуя электрическую энергию и энергию химических реакций в тепло, необходимое для сварки, шло развитие и становление этого процесса.

8. ПОЧЕМУ МЕТАЛЛЫ СОЕДИНЯЮТСЯ ДРУГ С ДРУГОМ

Металлы представляют собой не сплошное монолитное тело, а состоящее из отдельных частиц, которые называют зернами. Если металл отполировать и протравить специальными реактивами на основе кислот и посмотреть на него в микроскоп с большим увеличением, то можно увидеть картину, представленную на рис. 1.

Рис. 1. Микроструктура стали

Если посмотреть на металл в электронный микроскоп с еще большим увеличением, то можно обнаружить, что каждое зерно в свою очередь состоит из миллионов микроскопических частиц – атомов, которые располагаются в определенном порядке и на определенном расстоянии друг от друга. Напомним, что атомы состоят из тяжелого положительно заряженного ядра и окружающих его, отрицательно заряженных легких элементов – электронов, которые двигаются вокруг ядра с большой скоростью по нескольким орбитам. Заряд ядра и количество электронов определяют все основные свойства атомов и соответствуют порядковому номеру элемента в Периодической Системе Менделеева. Если измерить расстояние между атомами в кристаллах, то окажется, что оно очень мало и приблизительно составляет 2 – 4 ангстрема (1анстрем равен 10^-8см). Из-за весьма малого расстояния электроны, которые вращаются вокруг ядра, прежде всего по внешним орбитам, начинают перескакивать на орбиты соседних ядер, и таким образом образуются свободные (валентные) электроны, которые перемещаются в кристаллах, создавая заполняющий весь кристалл "электронный газ".

Появляющиеся в результате потери электронов положительно заряженные ионы металла образуют кристаллическую решетку (рис. 2), а взаимодействие между ионами и валентными электронами создает устойчивость всей системе: каждый из пробегающих между положительно заряженными ионами свободный электрон как бы "стягивает" ионы друг с другом (рис. 3).