Совмещать несовместимое — сплавлять два металла в единое целое — человечество научилось ещё в глубокой древности. Египтяне использовали сварку в ювелирном деле, римляне — при прокладке водопроводов. Но настоящий переворот в сварочном искусстве про­изошёл с открытием электричества.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №7(35). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Технологию неразъёмного соединения металлов наши предки освоили ещё в медно-каменном веке. Археологические раскопки подтверждают, что первые «сварщики» умели изготавливать предметы обихода (долота, амулеты, шипы), скрепляя места соединений расплавленным металлом. В железном веке кузнецы овладели ковочной сваркой — оружие и орудия труда стали делать из двух или более железных заготовок. Для этого металл нагревался в печи до пластичного состояния, а затем тщательно проковывался молотом в местах соединения. Эта методика легла в основу изготовления кольчуги — средства защиты воина, собранной из 10–20 тыс. сварных стальных колец.

Прочность соединения кусочков металла зависит от взаимодействия атомов на их поверхности: если удастся их сблизить, получится сварное соединение. Однако малая подвижность атомов твёрдых веществ и шероховатость поверхности усложняют «сцепление» атомов. Кроме того, металлы химически активны и легко вступают в реакцию с кислородом, а оксидная плёнка на поверхности создаёт дополнительные сложности при сваривании. Поэтому древние кузнецы-сварщики вначале нагревали заготовки до полужидкого состояния, а потом молотом соединяли металлы.

Древние японские кузнецы заливают жидкий металл в глиняную форму

Сварку более высокого уровня применяли древние римляне при строительстве водопроводов: по свинцовым трубам вода поступала в главные города империи из расчёта — только вдумайтесь! — 600 литров на человека в день. Изготовление сварных водопроводных труб из свинца и кранов из бронзы стало в Древнем Риме целой отраслью со своими трудовыми династиями и традициями. Однако познания римлян в токсикологии были очевидно хуже их кузнечных навыков — вместе с водой в рацион горожан попадала ядовитая сурьма, присутствующая в сплаве со свинцом. По одной из версий, массовое хроническое отравление сурьмой и стало причиной гибели империи.

В искусстве сварки ничего не менялось на протяжении многих веков, пока не наступила промышленная революция, которая всё перевернула с ног на голову.

Электрическая дуга используется для сварки, плазменной резки, для механической обработки электрическим разрядом, а также в качестве дуговой лампы в кинопроекторах.

1802 год можно считать датой рождения принципиальной схемы сварки в современном понимании этого слова. Независимо друг от друга русский физик Василий Петров и британский учёный сэр Гемфри Дэви открыли явление свечения электрической дуги. Для этого эффекта нужны два близко расположенных электрода под напряжением — повышая его, можно добиться электрического пробоя. Воздух между электродами мгновенно ионизируется, и возникает светящаяся дуга из потока электронов. Для демонстрации эффекта использовали целые батареи химических источников тока: более 2 000 элементов одновременно генерировали электричество.

Учёные по-разному видели перспективы своего открытия: Дэви посчитал его не более чем забавным эффектом, а профессор Петров предположил, что дуга способна нагревать и расплавлять металлы. Однако современники не оценили идею по достоинству, и материалы легли на полку до лучших времён. Они настали лишь спустя 80 лет, когда русский изобретатель Николай Бенардос продемонстрировал миру первый сварочный аппарат «Электрогефест», названный им в честь греческого бога огня и кузнечного искусства Гефеста. До «Электро­гефеста» сварку металлов осуществляли за счёт их нагрева пламенем горелки, работающей на смеси водорода и кислорода, предложенной ещё в начале XIX века.

Сварочная горелка Бенардоса

В аппарате Бенардоса высокотемпературная дуга возникала между заготовкой (первый электрод) и угольным стержнем (второй электрод), что обеспечивало сваривание металлов, а также их разрезание и проплавление отверстий. Для сварки нужен был мощный источник тока — и Бенардос попутно создал свинцовый аккумулятор, ставший прообразом современных батарей. «Электрогефест» оказался на редкость удачной новинкой и в 1881 году был отмечен золотой медалью Международной электрической выставки в Париже. Сварочные аппараты Бенардоса распространились по всему миру.

Следующей вехой стал 1888 год, когда русский инженер Николай Славянов придумал способ сваривания разнородных сплавов и даже цветных металлов. В музее изобретателя хранится пятикилограммовый стакан, сваренный последовательно из слоёв колокольной бронзы, томпака, никеля, стали, чугуна, меди, нейзильбера и бронзы. Такое изделие сейчас-то получить непросто, а в конце XIX века и вовсе было сродни чуду. Как же Славянову это удалось?

Сварочный аппарат Славянова

Во-первых, он заменил угольный электрод стержнем из сплава, сходного по составу со свариваемыми деталями. Это позволило создать между поверхностями прочный слой наплава, или, как его стали называть, сварной шов. Во-вторых, инженер применил сварочный флюс, защищавший свежий шов и электри­ческую дугу от окислительного действия воздуха. На Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году усовершенствованный Славяновым сварочный аппарат получил золотую медаль.

Принципы дуговой сварки, заложенные в конце XIX века, стали золотым стандартом промышленности на многие десятилетия. Но это было только начало истории.

Неразъёмные соединения оказались очень важны для прогресса — ни одна отрасль машиностроения в современном мире не может обойтись без сварного шва. Сейчас есть масса способов соединить стальные детали, и одним из самых надёжных является лазерная сварка, изобретённая в 60‑х годах прошлого столетия. Суть её проста: мощный лазер фокусирует излучение на свариваемых деталях, расплавляет кромки и намертво соединяет изделия. Благодаря высокой скорости и точности лазерная сварка нашла применение в конвейерной сборке автомобилей и микроэлектронике.

Необычным способом пользуются железнодорожники, когда соединяют рельсы. Они берут алюминотермитную смесь, состоящую из порошка алюминия и оксидов металлов, обычно Fe₃O₄, и поджигают её, запуская химическую реакцию замещения:

Температура горения термитной смеси поднимается выше 3 000°С, что позволяет надёжно сварить высокопрочную рельсовую сталь в полевых условиях.

Компания Dupont в начале 1960‑х запатентовала экзотический способ соединения — взрывную сварку. Идея родилась при исследовании осколков с полей сражений Второй мировой войны: оказалось, энергия взрыва способна прочно сплавлять сталь. Сварка взрывом позволяет моментально достичь плотного контакта заготовок, обеспечивая «сцепление» атомов друг с другом и образование прочного монолитного соединения. Так получают биметаллические пластины из двух металлов, к примеру меди и стали или алюминия и стали, используемые в строительстве морских платформ для исключения электро­химической коррозии.

Сварка трением близка по принципу к взрывному соединению: в этом случае заготовки с большим усилием вращают до частичного расплавления зоны контакта. Когда металл остывает, получаются намертво сцепленные детали. Несомненным преимуществом сварки трением или взрывом является возможность соединения несочетаемых металлов, которые не берёт дуговая сварка: алюминия с медью, титана с никелем и т. д. Такие «капризные» металлы из-за химической активности создают немало сложностей при сборке конструкций. Титан, к примеру, при сварке вступает в реакцию с кислородом, азотом и водородом, в результате чего резко уменьшается прочность сварного шва. 

Положение спасает электронно-лучевая сварка в вакууме, когда пучок направленных электронов скрепляет титановые детали, нагревая их до температуры плавления. Отсутствие газов в сварочной среде исключает образование вредных соединений на поверхности металла.

Миллионы тонн сварных конструкций производят в мире каждый год. С их помощью мы исследуем глубины Мирового океана, летаем в космос, а наша повседневная жизнь становится всё более комфортной и безопасной. Сварочная техника ещё не достигла предела совершенства, и наше будущее во многом связано с её прогрессом.