Билет 17. Роль сварки в развитии научно-технического процесса

Технологии. Сварка и родственные технологии продолжают активно и всесторонне развиваться как вглубь, так и вширь. Создаются теоретические и технологические предпосылки изготовления новых изделий в традиционных областях сварочного производства, а также освоения все более широких сфер применения, которые раньше считались «экзотическими». Отметим ряд достижений в области совершенствования существующих технологических сварочных процессов, которые могут быть развиты в ХХI в.

Для соединения деталей больших толщин разработан новый процесс электродуговой сварки с использованием специального закладного электрода, предварительно введенного в узкий зазор между свариваемыми деталями и покрытого тонким слоем (около 1 мм) изолирующего покрытия. Сварку выполняют в вертикальном положении за один проход. При этом не требуется устройств, обеспечивающих перемещение электрической дуги. Последняя движется самостоятельно по торцу плоского электрода в пределах всей ширины зазора, обеспечивая необходимое проплавление кромок.

Сварка закладным электродом выполняется в автоматическом режиме. По сравнению с другими видами сварки толстого металла она имеет следующие преимущества: возможность сварки в монтажных условиях и труднодоступных местах с обеспечением высокой производительности. Большие возможности в совершенствовании сварки в защитных газах открывает применение тонкой проволоки диаметром 0,6 – 1,6 мм. Одним из перспективных направлений развития сварки является активация процессов в сварочной ванне и дуге, горящей в инертных газах, введением микродоз редкоземельных химических элементов и их соединений.

Исследования показали, что глубина проплавления при этом возрастает в 2-4 раза, т.е. активация создает предпосылки для осуществления сварки в инертных газах на пониженных погонных энергиях. Использование смесей газов при пониженном напряжении дуги обеспечивает уменьшение разбрызгивания металла электродной проволоки, повышение производительности процесса и улучшение формирование шва.

Увеличение толщины свариваемых металлов и тенденции к повышению скорости сварки приводят к необходимости исследования технологии и режимов сварки в углекислом газе в узкую щелевую разделку, а также под флюсом составным электродом. В ходе выполненных в Институте электросварки им. Е.О. Патона исследований установлено, что скорость электрошлаковой сварки можно увеличить в 4-5 раз и тем самым уменьшить перегрев металла. При этом отпадает необходимость в проведении последующей термической обработки изделий для получения комплекса эксплуатационных характеристик. Эффект достигается благодаря интенсификации гидродинамических явлений, происходящих в сварочной ванне.

Есть все основания предполагать, что в ближайшие годы электрошлаковая сварка в новом варианте займет достойное место в производстве толстостенных изделий. Несомненно, будут модернизированы существующие и разработаны новые виды сварки в твердой фазе, основанные на нагреве и иных способах активации соединяемых поверхностей. Соответственно подлежат разрешению сложные проблемы неразрушающего контроля соединений, полученных в твердой фазе, а также диагностика таких соединений непосредственно в процессе сварки по косвенным признакам, фиксируемым автоматически. В последние годы сформировалось новое направление в создании наукоемких технологий – гибридные способы сварки.

Данные способы являются комбинацией лазерного пучка и плазменного или дугового процесса в одной общей зоне сварки. Совместное воздействие на металл двух источников тепла позволяет существенно повысить эффективность использования каждого из них. За счет этого достигается глубокое проплавление и хорошее качество формирования сварного шва. Перспективным направлением использования плазменной обработки представляется развитие комбинированных процессов, сочетающих плазменный нагрев с дополнительными операциями, например вырезка по контуру, совмещенная со штамповкой; применение роботов со сменным плазменным и дуговым инструментом; напыление в динамическом вакууме; нанесение покрытий и слоев с различными составами и свойствами. Не утратит в будущем своего огромного значения ремонтная сварка.

Между тем технология ремонтной сварки развивается слабо. Нужно совершенствовать технику и средства подготовки изделий к ремонту, создавать специализированное сварочное оборудование, в том числе и механизированное, новые сварочные материалы, обеспечивающие получение соединений высокого качества в сложных условиях, создавать технологию ремонта без предварительного нагрева изделий и решать множество других технологических задач. Дальнейшее развитие должны получить методы нанесения покрытий: наплавка и напыление. Здесь существует очень большое поле для деятельности главным образом в материаловедческом плане, а также в поиске наиболее эффективных технологий получения в наплавленном слое интерметаллидных и других особо твердых включений в прочной и пластичной матрице.

Дальнейшее совершенствование технологии наплавки в первую очередь необходимо для ремонта множества деталей машин и механизмов, подвергающихся абразивному износу. Также должно произойти расширение сферы применения изготовительной наплавки. Она позволяет многократно увеличивать срок службы быстроизнашивающихся и тяжелонагруженных деталей, избавляет промышленность от производства большого количества запасных частей, повышает надежность и работоспособность машин и механизмов. В будущем хорошие перспективы имеют способы наплавки, обеспечивающие минимальное проплавление основного металла: электрошлаковая, плазменно-порошковая, лазерная и микроплазменная.

Должна совершенствоваться технология наплавки рабочих поверхностей восстанавливаемых узлов, эксплуатируемых в различных агрессивных средах. В последние годы успешно прогрессирует технология нанесения покрытий напылением с использованием газового пламени, плазмы, детонации, а также на основе электронно-лучевого испарения и конденсации материалов в вакууме. Напыление удачно дополняет наплавку и конкурирует с ней в отдельных областях. Особое значение приобретают технологии пайки и склеивания.

Дальнейшие разработки в области склеивания должны решить проблемы повышения прочности, надежности и долговечности клеевых и клеесварных соединений при различных условиях эксплуатации. Разработки в области пайки будут направлены на создание новых технологий, в которых применяются материалы (флюсы и припои), позволяющие получить высокую прочность соединений, близкую к прочности основного материала.

Исследования. Конечным продуктом сварочного производства являются сварные конструкции. Создание надежных и долговечных конструкций, работающих в различных условиях эксплуатации, остается важнейшей научно-технической проблемой. Исторически сложилось так, что большое количество эксплуатирующихся в настоящее время ответственных сварных конструкций приближается к своему критическому возрасту или уже отработало нормативный срок. По оценкам специалистов, исчерпание ресурса оборудования и машин в странах СНГ превышает 50 %. П

оэтому весьма актуально развитие научно-технических подходов к достоверной оценке остаточного ресурса эксплуатируемых сварных конструкций машин и оборудования и его гарантированному продлению. Такие подходы должны базироваться на комплексном анализе всех стадий жизненного цикла конструкций. Не исключено, что в будущем, благодаря успехам в различных областях физики, будут созданы новые средства нагрева металла, пригодные для сварки плавлением. В частности, был бы целесообразным поиск средств нагрева, в которых поверхностное выделение энергии сочеталось бы с объемным. Несомненно, и далее будут продолжаться поиски более совершенных способов и средств защиты расплавленного металла от влияния окружающей среды для использования их при рафинировании и легировании металла шва, а также формирования соединения.

Все это требует развития теоретических основ нестационарного взаимодействия жидкого металла с окружающей средой. Необходимо развивать представления о процессе образования сварного соединения, изучать гидродинамику ванны с учетом множества внешних внутренних факторов.

Очевидно, что в ближайшем будущем одной из основных задач в области теории сварочных процессов будет доведение и взаимная увязка математических моделей, описывающих многообразие явлений, до той степени совершенства, при которой проведение эксперимента с металлом станет не правилом, а особым исключением. Увеличение номенклатуры материалов, областей их применения, повышение требований к прочности и долговечности соединений требует существенного углубления знаний в этой сфере и углубления исследований, в том числе дальнейшего совершенствования подходов к конструированию узлов и соединений, к учету особенностей их работы при различных условиях нагружения.

Развитие вычислительной техники и удорожание экспериментальных исследований значительно повысили интерес к компьютеризации инженерной деятельности в различных отраслях производства, в том числе в области сварки и родственных технологий (наплавка, пайка, нанесение покрытий, спецэлектрометаллургия). Проводимые работы по этой проблеме в настоящее время можно условно разделить на пять направлений компьютеризации (рис.17):

- научные исследования;
- проектирование сварных соединений и узлов;
- проектирование технологий;
- управление технологическими процессами;
- контроль сварных конструкций во время эксплуатации.

Основу каждого направления составляет информационное обеспечение, поэтому компьютеризации информационных потоков путем создания соответствующих библиографических и фактографических банков и баз данных и знаний уделяют и будут уделять большое внимание во всех крупных сварочных центрах мира.