Прочнее, надежнее, красивее

В трубках современного парового котла высокого давления более 10 тысяч сварных стыков. Каждый из них надо тщательно обработать, чтобы не пришлось вскоре заниматься ремонтом. Поэтому, не считаясь с расходами, сварку ведут в защитной струе дорогого аргона или в худшем случае водорода при очень высоких температурах, обеспечивающих высокую плотность шва.

Промышленный размах аргоно-дуговая и атомно-дуговая сварки получили в начале сороковых годов, когда суровые условия военного времени вынудили отказаться от очень трудоемких и к тому же негерметичных клепаных соединений. Только используя вольфрамовые электроды из кованых прутков, удалось получить герметические тонколистовые соединения. Особенно велик спрос на вольфрамовые электроды в странах, где авиационная и автомобильная промышленность получила преимущественное развитие.

Это все с одной стороны. А с другой, вольфрамовые электроды довольно дороги. Да к тому же в процессе сварки используются лишь наполовину, в лучшем случае на две трети. Остающиеся "огарки" до недавнего времени либо перековывали в специальных установках безокислительного нагрева и получали обратно в виде заметно похудевших электродов, либо чаще всего просто отправляли в утиль.

Исследователи долго и упорно искали способ, позволяющий сваривать ценные огарки в новый полногабаритный электрод. Опыты неизменно терпели неудачу. Электроды разваливались, прежде чем их успевали вставить в зажим сварочной горелки. Но в конце концов настойчивый поиск увенчался успехом. Желанный материал, способный связать огарки в единое целое, был найден.

Это удалось сделать работникам Московского треста "Центроэнергомонтаж" М. Ф. Деменину и Н. И. Демченко. Они организовали поиск, приняв на вооружение весьма известный, но изнурительный метод опробования различных вариантов. Примерно таким же способом действует ЭВМ, "играющая" в шахматы. Прежде чем выбрать наилучший, по ее "мнению", ход, она рассмотрит тысячи возможных позиций. Действуя по этой схеме, исследователи прежде всего определили все те требования, которым должен был отвечать искомый спай, а затем стали отбраковывать материалы, не отвечающие какому-либо из этих требований.

С самого начала было очевидно, что спай должен быть по своим свойствам очень близок вольфраму. Молибден? - Но он нестоек в окисленной среде. Рений? - Страшно дорог. Один за другим отпадали "соискатели". Перебрав чистые металлы, исследователи перешли к сплавам. И здесь после долгих трудов их ждала удача. Нихром! Вот что более всего подходило для спая. Правда, оставалась еще одна последняя проверка - на "уживчивость" этого сплава с вольфрамом. Но и ее он выдержал.

К чести изобретателей следует отметить, что они не ограничились лишь поиском спая, но еще и разработали очень удобное, простое приспособление для сварки. На поверхности медной пластинки они предложили проточить несколько параллельных канавок и в каждую уложить по два вольфрамовых огарка. Оставалось лишь как следует разогреть их стыки, затем подвести кончик тонкой нихромовой проволоки - и красивый, прочный спай готов.

Спаренные вольфрамовые электроды используются не только в установке "Уран-1". По такой же схеме возбуждается разряд при атомно-водородной сварке. Струя газа, подаваемая к месту сварки под большим давлением из стальных баллонов, отвоевывает у атмосферного воздуха крохотный плацдарм на поверхности свариваемых деталей. Но и этой территории величиной с пятнадцатикопеечную монету вполне достаточно, чтобы обеспечить безокислительную среду.

Самое интересное происходит в промежутке между вольфрамовыми электродами. Благодаря воздействию разряда молекулы водорода разрушаются (диссоциируют) на составляющие кирпичики - атомы. Разрушаясь, молекулы выделяют огромное количество тепла. Этот принцип (разумеется, в весьма отдаленной степени) был положен в основу при создании одного из самых разрушительных средств массового уничтожения современности - водородной бомбы.

Несмотря на то что атомно-водородная сварка столь эффектна, область ее применения ограничена главным образом соединением деталей из сравнительно медленно окисляющихся железа и различных сталей. Легко окисляющиеся металлы и сплавы подобного обращения не терпят. Слишком незначительна площадь, омываемая водородом. Возникающие при этом на оберегаемом плацдарме поверхностные пленки, словно крепостные ворота, перекрывают встречное движение атомов стыкующихся деталей.

Совсем другое дело керамика. Ученые Минского научно-исследовательского института строительных материалов совместно с коллегами из Института физики Академии наук БССР попробовали применить вольфрамовые электроды для декоративной отделки глиняного и силикатного кирпича. Под влиянием сверхвысоких температур поверхность керамики начинает оплавляться. Мощной тепловой атаке не в состоянии противостоять и песчано-известковая смесь. В результате такой обработки строительные изделия из керамики покрываются плотно спекшейся корочкой, предохраняющей материал от пагубного влияния воздуха. Пройдут столетия, а нарядные фасады зданий сохранят первозданную цветовую гамму, подобно нестареющим эмалям всемирно известной гробницы Тамерлана в Самарканде.

Чаще всего в металлотехнике предпочитают иметь дело с аргоно-дуговой сваркой. В отличие от атомно-водородной здесь пользуются лишь одним вольфрамовым электродом. В роли второго служит сама свариваемая деталь. Между ними и вспыхивает дуга. На участок сварки через носик горелки в направлении оси вольфрамового электрода подается сильная струя аргона, предохраняя металл от окисления. Помимо экономии дефицитных электродов, этот способ хорош еще и тем, что более тяжелый, чем водород, аргон защищает от окисления участок поверхности величиной уже с юбилейный металлический рубль.

Расширение рабочей площади позволило значительно увеличить ассортимент материалов, поддающихся сварке. В частности, в их ряды вступил алюминий, а также большое число полученных на его основе сплавов. Решение этой весьма важной проблемы растянулось на десятилетия. В годы Великой Отечественной войны вольфрам использовали только для создания сверхпрочного шва в обшивке самолетов и автомобилей. И лишь более чем через четверть века он получил широкие права гражданства в сплавах с крылатым металлом.

Более совершенная аргоно-дуговая сварка применяется для соединения не только стальных изделий, но и таких металлов, как магний, медь, никель, и даже капризных легких сплавов, в состав которых входит кремний. Последнее особенно важно. Дело в том, что одно время авиастроители широко практиковали конструирование цельнометаллических машин из титановых сплавов. Дошло до того, что в одном зарубежном проекте всю обширную площадь цеха сделали основанием гигантского суперпресса. Другого способа для изготовления цельнокроеного фюзеляжа бомбардировщика, видимо, не нашлось.

Прошло всего несколько лет, и в шестидесятые годы ситуация резко изменилась. Необычайно прочные, плотные и вообще на редкость надежные сварные швы, созданные при помощи вольфрама и обеспечившие идеальную герметическую стыковку материалов, направили развитие самолетостроения по иному пути, позволили и здесь отрешиться от гигантомании. Ныне с помощью аргоно-дуговой сварки соединяют не только тонкий самолетный лист, но и более или менее утолщенные листы, а также крупные профили во многих сферах машиностроения.

Итак, аргон - великолепный защитник, не допускающий окисления вольфрама. Эти "служебные" взаимоотношения переходят в новое качество, когда инертный газ становится плазмой, раскаленной до фантастически высокой температуры, равной 15 тысячам градусов!

В январе 1977 года на заводе качественных сталей в городе Фрайталь (ГДР) была пущена в промышленную эксплуатацию мощная тридцатитонная плазменная печь. Ее появление оказалось возможным благодаря давно установившемуся тесному сотрудничеству специалистов-металлургов и электротехников двух братских стран - СССР и ГДР. С пуском этого необычного теплового агрегата удалось добиться заметного прогресса в столь деликатном процессе, каким является плавка особо чистых высоколегированных качественных сталей. По сравнению с широко известными электродуговыми печами существенно интенсифицирован технологический цикл, кстати говоря, ставший совершенно бесшумным. Но главное, чего добились инженеры и ученые дружественных социалистических стран, заключено в стопроцентной сохранности драгоценных легирующих добавок, среди которых одно из заметных мест отведено вольфраму. Результатом достигнутой экономии стало ощутимое снижение себестоимости готовой продукции. Каждая тонна выплавленной стали позволила сэкономить от 300 до 800 марок (121,5-324 рубля). Подобные успехи стали возможными благодаря созданию целого семейства могучих плазматронов, питающихся постоянным током силой до 10000 ампер. Еще совсем недавно специалисты в области электротермии могли только мечтать о таких рекордах.

Непрерывно возрастающий спрос на тугоплавкие металлы и твердые металлокерамические сплавы в качестве конструкционных материалов заставляет ученых искать новые, высокопроизводительные методы получения готовых изделий или хотя бы полуфабрикатов. Так появилось на свет плазменное напыление. Здесь как бы в едином технологическом процессе ухитряются совмещать получение порошка вольфрама или другого тугоплавкого металла и формование изделий своеобразным дослойным спеканием. Образно говоря, готовое изделие в этом случае чем-то напоминает слоеный пирог. Значительно более прочными по сравнению с цельнолитыми оказались и многослойные артиллерийские стволы.

Благодаря многослойному плазменному напылению удалось получить необычайно плотные сплавы, почти избавленные даже от мельчайших пор.