Всё для надежной сварки
Печатная версия материала с сайта svarkainfo.ru - портала о сварке. При использовании материалов с сайта, пожалуйста, всегда указывайте источник или гиперссылку.
показать меню

Главная / Библиотека / История сварки / Перспективы развития сварки в XXI веке

История сварки

Перспективы развития сварки в XXI веке

Во второй половине ХХ в. произошел переход от машинно-технической революции к научно-технической, которая характеризуется широким использованием наукоемких технологий. В начале третьего тысячелетия сварка является одним из ведущих технологических процессов создания материальной основы современной цивилизации.

Более половины валового национального продукта промышленно развитых стран создается с помощью сварки и родственных технологий. До 2/3 мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений. Во многих случаях сварка является единственно возможным или наиболее эффективным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения ресурсосберегающих заготовок, максимально приближенных по геометрии к оптимальной форме готовой детали или конструкции. Непрерывный рост наукоемкости сварочного производства способствует повышению качества продукции, ее эффективности и конкурентоспособности.

Сегодня сварка применяется для неразъемного соединения широчайшей гаммы металлических, неметаллических и композиционных конструкционных материалов в условиях земной атмосферы, Мирового океана и космоса. Несмотря на непрерывно увеличивающееся применение в сварных конструкциях и изделиях легких сплавов, полимерных материалов и композитов, основным конструкционным материалом остается сталь. Именно поэтому мировой рынок сварочной техники и услуг возрастает пропорционально росту мирового потребления стали. К началу ХХI в. он оценивается примерно в 40 млрд. долларов, из которых около 70 % приходится на сварочные материалы и около 30 % – на сварочное оборудование.

Отмеченные особенности определяют общую положительную тенденцию роста мирового производства сварных конструкций, динамичного развития мирового и регионального рынков сварочной техники и материалов, а также объемов научных исследований и разработок по совершенствованию сварки и родственных технологий. Основываясь на анализе, проведенном академиком Б.Е. Патоном, выделим основные направления развития сварки и родственных технологий в ХХI в. Сначала несколько слов об общих тенденциях применительно к нашей стране.

Дуговая и контактная сварка останутся по-прежнему доминирующими способами соединения металлов. Предполагается, что доля ручной дуговой сварки покрытыми электродами к 2010 г. составит 20 – 25 % от общего объема сварки.

Доля механизированных и автоматических способов сварки в защитных газах, заменяющих ручную дуговую, составит в будущем 50 – 55 % общего ее объема.

Развитие сварки под флюсом, доля которой к 2010 г. составит ~ 17 % в общем ее объеме, связано с созданием более совершенного оборудования. Учитывая мировые тенденции расширения области применения прогрессивных ресурсосберегающих технологий можно предположить, что доля лазерной технологии в сварочном производстве в предстоящее десятилетие существенно увеличится и достигнет 6 – 8 % общего объема сварочных работ.

Такие способы сварки, как электронно-лучевая, диффузионная и высокочастотная, занимают важное место в общих технологических процессах обработки металлов и будут развиваться в зависимости от нужд и запросов промышленности.

Оборудование. Лидирующее положение на рынке будет занимать оборудование для дуговой сварки, доля которого будет только возрастать в основном за счет оборудования для сварки порошковой и сплошной проволокой при сокращении доли оборудования для ручной дуговой сварки покрытыми электродами. Развитие дуговой сварки во многом определяется техническим прогрессом и разработками новых источников питания, полуавтоматов и автоматов. По-видимому, найдут широкое применение источники питания, позволяющие обеспечить гибкое формирование внешних и динамических характеристик. Новые подающие механизмы должны иметь специальные устройства для программного управления параметрами режима сварки.

Схемы управления целесообразно выполнять на основе модульных решений с широким применением микропроцессорной техники. В ближайшие годы будет создано унифицированное оборудование нового поколения на блочно-модульной основе для дуговой сварки. В частности, находятся в разработке автомат для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом с синергетическим управлением, полуавтоматы для плазменной сварки и наплавки и другое современное оборудование с возможностями активного контроля качества сварки. При этом важно совершенствовать системы слежения за стыком, автоматизировать подачу, удержание и уборку флюса, разрабатывать формирующие устройства.

Основным направлением совершенствования оборудования для электронно-лучевой сварки будет являться реализация возможности получения изделий пространственно сложной формы за счет компьютерного управления всеми подсистемами установки и ходом технологического процесса. Оборудование для контактной сварки будет относительно долго удерживать второе место на рынке сварочного оборудования. Доля его в ближайшие годы будет несколько возрастать.

В настоящее время существует две проблемы, связанные с применением контактной сварки сопротивлением.

Первая заключается в снижении вероятности появления дефектных соединений. Она будет решаться путем создания более эффективных систем автоматического управления, а в области микросварки – также за счет применения новых систем питания.

Вторая проблема – повышение энергетических показателей мощных машин – будет решаться с помощью разработки более совершенных преобразователей числа фаз, обеспечивающих повышение КПД и коэффициента мощности.

Развитие контактной сварки оплавлением связано с дальнейшим совершенствованием систем автоматического управления и питания мощных машин. Это позволит решить многие технические проблемы, особенно при сварке изделий с большим поперечным сечением из различных металлических материалов. В частности, представляется возможным в 2-3 раза уменьшить время сварки, снизить потери металла и потребляемую мощность.

При этом достигается высокотемпературный нагрев металла, необходимый при сварке высокопрочных сталей и сплавов. Указанные системы обеспечивают не только многофакторное управление процессом сварки, но и одновременное диагностирование качества соединений. Будет развиваться контактная шовная сварка для соединения рулонированных полос относительно малых толщин и большой ширины. Большое внимание будет уделено разработкам серийного высокопроизводительного оборудования для контактной сварки на основе унифицированных, модульных блоков, оснащенного средствами механизации вспомогательных операций и легко встраиваемого в сборочно-сварочные линии.

Возможно, контактную сварку несколько потеснит лазерная сварка. При этом можно выделить следующие направления совершенствования оборудования и систем управления. Простейшим усовершенствованием стандартного процесса лазерной сварки является использование устройства для прецизионной подачи присадочной проволоки в зазор. Это обеспечивает целенаправленное воздействие на металлургические процессы в металле шва, пригодность лазерной сварки для мате-риалов, склонных к образованию трещин, а также для выполнения соединений различных материалов с промежуточными слоями. Создание устройств для дистанционного наведения луча лазера.

Принцип дистанционного наведения заключается в следующем: отклонение луча лазера осуществляется с помощью одного или двух зеркал, а позиционирование в вертикальном направлении – путем перемещения длиннофокусной линзы вдоль оси луча. Реализация сварки с дистанционным наведением лазерного луча стала возможной только с появлением лазеров нового поколения. Совершенствование конструкции лазеров.

Прежде всего следует отметить твердотельные лазеры с диодной накачкой. Основными преимуществами этого типа лазеров являются длительный срок службы диодов (более 10000 часов), более высокий КПД преобразования электрической энергии в лазерное излучение и высокое качество излучения. Другим направлением развития оборудования является использование активных элементов на основе волоконной оптики с диодной накачкой. Этот тип оборудования обеспечивает высокое качество луча, КПД преобразования электроэнергии – до 20 %, возможность разработки надежной и компактной конструкции лазера за счет исключения нуждающихся в юстировке оптических устройств. Изготовители этой аппаратуры достаточно быстро увеличивают мощность волоконных лазеров, которая в настоящее время составляет около 6,5 кВт, а ближайшей целью разработчиков является достижение 25 кВт.

Поскольку волоконные лазеры работают на длине волны, сопо-ставимой с длиной волны твердотельных лазеров, они имеют все преимущества своих прототипов, что особенно проявляется при сварке легких сплавов. В перспективе возможно эффективное использование для сварки мощных диодных лазеров, преимуществами которых, по сравнению с газоразрядными и обычными твердотельными, являются более высокий КПД (до 30 %) и компактность конструкции, что позволяет легко встраивать их в автоматизированные промышленные комплексы. Фокусное пятно мощных диодных лазеров обычно представляет собой прямоугольник с длиной стороны в несколько миллиметров.

Поэтому эти лазеры обычно используют для поверхностной термической обработки, напыления порошковых материалов и сварки в режиме проплавления теплопроводностью. Излучение лазеров этого типа на длине волны в ближнем инфракрасном диапазоне позволяет использовать их как для сварки металлов, так и пластмасс.

Объем оборудования для газовой сварки и резки будет сокращаться, хотя доля его останется значительной. Создание гибких модулей для плазменных сварки, резки и нанесения покрытий, автоматизация процессов плазменной обработки являются важнейшими направлениями работ инженеров и конструкторов. Повышение качества и работоспособности сварных конструкций непрерывно связано с совершенствованием такого важного и трудоемкого процесса, как неразрушающий контроль качества сварных соединений.

Поэтому должны получить дальнейшее развитие работы по созданию современной аппаратуры для неразрушающего контроля качества как в заводских условиях, так и на монтаже. Особенно актуальна работа по созданию портативной аппаратуры для ультразвукового контроля, которая позволила бы с большой достоверностью определять и описывать дефекты в трехкоординатных плоскостях в автоматическом режиме.

Для контроля состояния сварных конструкций в процессе их эксплуатации необходимо дальнейшее развитие средств технической диагностики.

В настоящее время все более широкое применение находит технология акустоэмиссионной диагностики, основанной на анализе сигналов, возникающих при деформировании материалов конструкции. Она обеспечивает возможность эксплуатации конструкций по фактическому состоянию. Успешно прошел промышленные испытания электромагнитно-акустичес-кий дефектоскоп.

Возбуждение ультразвуковых волн осуществляется с помощью электромагнитно-акустического преобразователя, не требующего контактной жидкости. Поэтому этот метод контроля не требует специальной подготовки поверхности трубы и сварного шва. Метод обеспечивает идентификацию типа, размеров и мест расположения внутренних дефектов в сварных швах и в материале трубы. Отметим созданные в последние годы компактные голографические приборы, с помощью которых осуществляется диагностика конструкций из неметаллических и композиционных материалов.

Новые информационные системы неразрушающего контроля и диагностики сварных конструкций разработки МГТУ им. Н.Э. Баумана позволяют получать данные не только о дефектах, но и о внутренней структуре изделия.

Акустоэмиссионные системы позволяют идентифицировать такие опасные источники, как потеря пластичности, зарождение и развитие трещины, коррозионные повреждения. Ультразвуковой томограф регистрирует информацию о конфигурациях, размерах, ориентации дефектов. Для измерения объемных двухосных напряжений предлагается использовать спектрально-акустические системы контроля.

Материалы. Ощутимые изменения наблюдаются на мировом рынке сварочных материалов. Материалы для механизированных видов сварки, в первую очередь порошковая и сплошная проволоки, уверенно теснят по объемам продаж на рынке покрытые электроды для ручной дуговой сварки. Эти тенденции должны сохраниться, что в обозримом будущем приведет к стабилизации применения покрытых электродов на уровне 15-25 % вместо 20-30 % в настоящее время.

Основные направления – разработка сварочных материалов специального назначения, обеспечивающих соединение высокопрочных сталей и сплавов, разнородных, многослойных и композиционных материалов. Кроме того, актуальной является задача создания сварочных материалов, оптимальных как по количественному содержанию компонентов, так и по экономическим показателям. Также должны учитываться гигиенические характеристики выделяющихся сварочных аэрозолей. В связи с этим возникает необходимость обоснования введения новых компонентов в шихту с учетом высказанных выше требований и оценки диапазона их концентраций.

Известно, что для сварных конструкций требуются хорошо свариваемые материалы. Рациональное использование новых конструкционных материалов с высокими показателями механических свойств позволяет эффективно решать проблемы снижения металлоемкости, повышения надежности и долговечности сварных конструкций.

Будет непрерывно расширяться применение высокопрочных сталей в ответственных сварных конструкциях. Все более широкое применение находят высокопрочные алюминиево-литиевые сплавы, сплавы с предельно высоким легированием, а также сплавы, которые содержат в своем составе эффективные модификаторы – скандий, цирконий, одновременно улучшающие свариваемость материалов и механические свойства сварных соединений. Ведутся работы по созданию новых конструкционных, хорошо сваривающихся титановых сплавов, обладающих высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

В последние десятилетия в качестве конструкционного материала все большее внимание привлекают полимеры и композиты на их основе. Выгодно отличаясь рядом свойств, они успешно конкурируют с традиционными материалами, а в некоторых областях являются практически незаменимыми. Активно проводятся исследования по созданию новых композиционных материалов на основе полимерных или металлических матриц с наполнителями, существенно повышающими показатели прочности и жесткости указанных материалов.

Особенности различных типов композиционных материалов (волокнистых, слоистых, дисперсионно-упрочненных) практически исключают применение традиционных видов сварки.

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.

Рис. 17. Основные направления компьютеризации инженерной деятельности в сварке и родственных технологиях

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.

Источник: М.П. Шалимов, В.И. Панов "Сварка Вчера, Сегодня, Завтра". Екатеринбург, 2006