В начале 1941 года автоматическая сварка уже внедря­лась на 20 крупнейших предприятиях СССР. Толь­ко сварка броневых сталей «застряла» в лаборатории. Танковая броня не хотела покоряться новому способу сварки.

Сварка в танкостроении. Начало

Танкостроители поначалу не особенно доверяли сварке — этому слишком быст­рому способу соединения металлов и считали клёп­ку более надёжным и достаточно производительным технологическим процессом.

Однако в 1937 году корпус танка Т-26 был изготов­лен не клёпкой, а ручной дуговой сваркой.

В 1939 году во время войны с Финляндией обнаружилась сла­бость брони клёпаных танков Т-28. И тогда к корпу­сам и башням уже готовых к отправке на фронт ма­шин были приварены дополнительные броневые лис­ты толщиной 20 — 50 мм.

Но главной заботой сварщиков стали новые тан­ки. 19 декабря 1939 года успешно прошел испытания и был рекомендован в производство средний танк Т-34, оказавшийся самым лучшим из танков, участвовав­ших во Второй Мировой войне.

Успех применения той или иной конструкции тан­ка (впрочем, как и других машин широкого потреб­ления) в значительной степени зависит от приспо­собленности к массовому производству, от надеж­ности технологии изготовления. При массовом про­изводстве недопустимы часто повторяющийся брак, перерасход энергии и материалов, завышенная трудоемкость. Ведь даже малейший недостаток, незаметное на первый взгляд на единичной машине упу­щение, умноженное на большое количество машин, обернется довольно значительными потерями, кото­рые особенно ощутимы в военное время.

Суровые условия войны требовали десятки тысяч танков. Препятствием к увеличению выпуска тан­ков стали бронекорпуса, которые необходимо было сваривать. Чтобы выполнить эту работу, нужны были сотни, тысячи высококвалифицированных сварщиков. А вместе с тем даже в мирное время опытных сварщиков не хватало. Подготовить в крат­чайший срок необходимое количество специалистов было немыслимо. Тем более что фронт нуждался в людях не менее, чем промышленность.

Автоматическая сварка в отечественном танкостроении

Из создавшегося положения был только один вы­ход — автоматическая сварка. И в это трудное время Институт электросварки АН УССР под руководством Е.О. Патона начал разработку технологии автомати­ческой сварки брони под флюсом с электродной про­волокой.

Сотрудники Института электросварки работали по 12—16 ч в сутки. Сменяя друг друга, сваривали куски броневой стали, резали образцы, шлифовали, изучали под микроскопом, измельчали минералы, плавили флюсы, опять варили… Эксперимент за экспериментом, флюс за флюсом, режим за режи­мом… Но трещинки, очень маленькие, часто заметные только в микроскоп, раскалывали монолит шва, предвещая неприятности при ударе снаряда. Основная задача, которая стояла перед коллективом ин­ститута, — выяснить причину растрескивания шва и разработать технологию сварки брони.

Броню непревзойденного качества смогли создать советские металлурги. Но те же химические элемен­ты, что обеспечивали металлу хорошую противоснарядную стойкость и живучесть, делали его чувст­вительным к нагреву, ухудшали свариваемость. Од­нако сварщики обязаны были принять броню цели­ком, со всеми ее свойствами — хорошими и плохими. Их задача была связать броневые плиты так, чтобы танки, корабли, самоходные артиллерийские уста­новки и другие сварные конструкции обладали наи­высшими боевыми качествами.

Мягкий шов

Лабораторные исследования все же увенчались успехом — была найдена основная при­чина образования трещин. Оказалось, что высокая проплавляющая способность дуги, горящей под флю­сом, необходимая для повышения производитель­ности процесса, имеет и отрицательную сторону. В сварочную ванну попадало значительное количест­во основного металла. Вместе с тем в ванну пере­ходил и углерод. «Объединяясь» с легирующими примесями, углерод делал металл шва склонным к образованию трещин.

Для решения этой проблемы была предложена оригинальная идея — предварительно уложить в за­зор между кромками малоуглеродистую проволоку и затратить часть тепла на ее плавление. Развар кромок уменьшился, и в ванне снизилось содержа­ние углерода.

Оставалось ответить на вопросы: как будут чувст­вовать себя танки в бою, при попадании снарядов прямо в шов с уменьшенным содержанием углерода? Можно ли допустить в «работу» танки, сваренные швом более мягким и менее твердым, чем броня?

Е.О. Патон до испытания ответил на эти вопро­сы: поскольку диаметр снаряда больше ширины шва, то снаряд, попавший точно в шов, все равно встретится с бронёй и заклинится между кромками в мягком шве. Бездефектный вязкий шов должен хорошо принимать на себя ударные нагрузки при та­ране. На полигоне подтвердилось: ученый прав.

На испытательный полигон доставили корпус танка, один борт которого был сварен старым спо­собом — вручную, а другой — автоматом под флю­сом. От бронебойных и фугасных снарядов «ручные» швы быстро разрушались. «Автоматные» швы про­должали держать изуродованные броневые плиты после жесточайшего обстрела, немыслимого в реаль­ных условиях.

Танковый конвейер

Технология автоматической сварки корпусов танков быстро внедрялась на заво­дах Урала, Сибири, Поволжья.

На Уральском вагоностроительном заводе установки автоматической сварки появились ещё до войны — весной 1941 года. Они использовались для сварки длинных вагонных швов. После начала войны эвакуированные сотрудники Института электросварки Академии наук УССР к октябрю 1941 года смогли переналадить установки Р-70 вагонного производства для сварки бортов танков из легированных сплавов, что в мировой практике считалось невозможным.

Научные сотрудники Института электросварки из лаборатории перебра­лись в цеха, стали инструкторами-наставниками, мастерами, технологами. Конструкторская группа в кратчайшие сроки спроектировала специализиро­ванные установки для изготовления различных уз­лов боевых машин, в том числе для сварки кольце­вых швов, которыми приваривались командирские башенки. Скоростная сварка заставила улучшить весь процесс изготовления корпусов. В цехе был из­менен порядок рабочих мест, из вагонеток был со­оружен конвейер для сборки и сварки танковых кор­пусов. Теперь уже заготовки в строгой последова­тельности поступали на сборочно-сварочные места, где из них формировались узлы и корпуса боевых машин.

Производительность нового способа сварки пре­взошла возможности сварки покрытыми электрода­ми. Например, чтобы приварить днище подкрылка к борту старым способом сварки, высококвалифици­рованному сварщику нужно было затратить около 20 часов. Новичок после 5 — 10 дней обучения варил эти швы новым способом сварки за 2 часа. Ввод одной ав­томатической сварочной установки освобождал 7 сварочных трансформаторов и 8 дросселей-регуля­торов, обеспечивал экономию 42% электроэнергии. Но главное — это высокое качество и необходимое количество танков.

О работе Е.О. Патона в то время была сложена легенда. Танкисты, ездившие на заводы получать танки, рассказывали своим товарищам, что ходит по цехам высокий седоусый профессор-академик, спе­циально приехавший с Украины, выстукивает моло­точком и выслушивает каждый танк. И если уж он дает «добро», за машину можно не беспокоиться — снаряд не сможет пробить ее броню.

К лету 1942 года на танкостроительных заво­дах СССР для производства танков Т-34 работало уже несколько десятков автосварочных установок. Советский Союз выиграл промышленную битву с германскими концернами.

А сварщики уже разрабатывали технологию соединения броневых плит толщиной 90 и 120 мм для тяжелых танков и самоходных установок се­рии «ИС» («Иосиф Сталин»).

Но не только технология сварки была в центре внимания руководителя Института электросварки. Во многом ка­чество сварки зависело от аппаратуры.

Сварочная головка повышенной надёжности

Сконструированная в мирное время, рассчитанная на спокойную эксплуатацию, сварочная двухмотор­ная головка с обратной связью оказалась теперь не­достаточно надежной. Моторы для подачи элект­родной проволоки в условиях военного времени ра­ботали плохо. Колебания напряжения в сети влия­ли на число оборотов двигателя постоянного тока, а следовательно, и на скорость подачи проволоки. Нарушение режима сварки неизбежно приводило к браку.

В настоящее время сварщики, используя достиже­ния электроники, создали аппаратуру с надежными стабилизирующими системами, с системами, регу­лирующими различные параметры дуги. При по­мощи этой аппаратуры можно управлять процессом сварки, программировать изменения параметров и т. д. В военное время даже стабилизация напря­жения была почти неосуществимой технической проблемой.

Вторым недостатком довоенной головки была сложность ее механической части, основанной на использовании специального дифференциала. В мир­ное время на эту сложность никто и внимания не обращал, но в условиях военного времени, когда запасы комплектующих деталей кончились, выпуск сварочных головок оказался под угрозой срыва.

Евгений Оскарович Патон давно заметил недостатки двухмо­торных головок и принимал все меры, чтобы упростить конструкцию, повысить надежность их работы. И все же наилучшим решением оказалась разработка принципиально нового аппарата. Новая головка была сконструирована с учетом свойства саморегулирования дуги, открытого в Институте электросварки в 1942 году.

Саморегулирование дуги проявляется при сварке плавящимся электродом при достаточно больших плотностях тока. При этом устойчивый режим сварки характеризуется равенством скорости подачи электрода в зону дуги и скорости его плавления. Скорость подачи задают постоянной. В соответствии с ней устанавливается и скорость плавления, кото­рая прямо пропорциональна коэффициенту плавле­ния электрода и сварочному току. Чем больше ско­рость подачи, тем больше и сварочный ток, тем ско­рее плавится электрод.

Все это происходит при постоянной скорости по­дачи. Значит, в сварочных головках можно устано­вить один двигатель, независимый от напряжения дуги!

На головки начали монтировать трехфазные асинхронные двигатели небольшой мощности (око­ло 100 Вт) с постоянным числом оборотов.

Отпала необходимость в дефицитных купроксных выпрямителях, вместо дифференциала применили обычные шестерни. Упростилась электросхема. Для изменения скорости подачи ввели сменную пару шестерен. Простота в изготовлении и надежность работы новых сварочных головок были неоспоримы. И с декабря 1942 года мастерские Института электро­сварки полностью перешли на их выпуск.

Флюс из доменного шлака

В разгар внедрения нового способа сварки в адрес Института электро­сварки начали поступать тревожные сообщения: «Кончаются запасы флюса!»

Стекольный завод, на котором перед войной был выплавлен флюс, остался на оккупированной тер­ритории. На Урале таких заводов не было. Необхо­димо было срочно ответить на вопросы: где получить флюс? Можно ли наладить его производство соб­ственными силами?

Перед технологическими группами института, приступившими к поиску флюса-заменителя, возник­ла очень сложная задача — сделать флюс из местного сырья. Основываясь на опыте, накопленном при разработке сварки под флюсом, удалось рас­считать требующееся количество отдельных ком­понентов. Были найдены местные минералы, содер­жащие необходимые элементы.

Началась экспериментальная проверка. Различ­ные минералы дробили, просеивали, тщательно взве­шивали, перемешивали, засыпали в электропечь. После 2 — 3 часов варки при температуре около 1600°С расплав гранулировали (выливали) в воду, высушивали, размельчали, просеивали. Флюс испытывали сразу непосредственно на сварке. Требования были высокие.

При сварке дуга должна гореть устойчиво, с незначительными колебаниями тока и напряжения, пламя не должно прорываться через флюс, шов должен быть ровным, поверхность блестящая, с мелкими чешуйками, шлак должен свободно от­деляться при легком ударе, никаких трещин и де­фектов не допускается…

Одни составы были забракованы сразу, над дру­гими продолжали работать, корректируя с точностью до 1 — 2% содержание компонентов. Последним кри­терием пригодности флюса были механические ис­пытания сварных соединений и металла шва. Во время этих испытаний определяли сопротивление разрыву, предел текучести, относительное удлине­ние, ударную вязкость, относительное сужение, выносливость при повторных нагрузках.

Новый флюс назвали АН-2. Его удалось составить всего из четырех минералов: песка, известняка, мар­ганцевой руды и небольшого количества плавиково­го шпата. При сплавлении их в стекловидную массу происходили некоторые химические превращения: флюс раскислялся, освобождаясь от закиси железа и высших окислов марганца (имевшихся в марган­цевой руде, песке), дегазировался.

Оставалось наладить его промышленный выпуск. Потребности промышленности во флюсе настолько возросли, что для его производства необходимо было построить завод наподобие стекольного. А чтобы снабжать его сырьем, необходимо было открыть но­вые карьеры. Нереальные в военные годы требова­ния.

Е.О. Патон предложил использовать в качестве флюса доменный шлак, но он отличался повышен­ным содержанием серы, что для флюса не допуска­лось. Поэтому начали исследовать шлаки старых доменных печей, работавших на древесном угле, в котором не было серы. Шлак Ашинских домен вблизи Уфы оказался похожим на флюс АН-2. В нем недоставало только 10% окиси марганца.

Металлурги добавили марганцевую руду в до­менную шихту, и к лету 1942 года разработка «шла­кового» флюса, получившего индекс АШ, была за­кончена. Новый флюс давал возможность сваривать как броню, так и конструкционные стали.

За выдаю­щиеся заслуги в разработке скоростной сварки бро­ни и ускорении выпуска боевой техники Евгений Оскарович Патон в марте 1943 года был удостоен высокого звания Героя Социалистического Труда. В короткий срок, в сложных условиях военного времени коллектив Института электросварки разработал оборудование и технологию автоматической дуговой сварки бронекорпусов и других видов вооружения и боепри­пасов. В США только в 1944 году освоили сварку брони под флюсом, а в 1953 году была выпущена пер­вая сварочная головка с постоянной скоростью пода­чи электродной проволоки. В Германии до конца вой­ны сваривали танки вручную.

Продолжение темы: Внедрение сварки в отечественное судостроение.

Литература:

Б.Е. Патон, А.Н. Корниенко. Огонь смешивает металл.- М.: Педагогика, 1980