Перспективи розвитку технології зварювання металів
Секція технології машинобудування
УДК 669.018.62
В.В. Невмивако, студент 1-го курсу
А.М. Шпилька, старший викладач
Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка
Перспективи розвитку технології зварювання металів
В другій половині ХХ ст. стався перехід від машинно-технічної революції до науково-технічної, яка характеризується широким використанням наукоємних технологій. На початку третього тисячоліття зварювання є одним з провідних технологічних процесів створення матеріальної основи сучасної цивілізації. Більше половини валового національного продукту промислово розвинених країн створюється за допомогою зварювання і близьких технологій. До 2/3 світового сталевого прокату йде на виробництво зварних конструкцій і споруд. У багатьох випадках зварювання є єдино можливим або найбільш ефективним способом створення нероз'ємних з'єднань конструкційних матеріалів і здобуття ресурсозберігаючих заготовок, максимально наближених по геометрії до оптимальної форми готової деталі або конструкції. Безперервне зростання наукоємного зварювального виробництва сприяє підвищенню якості продукції, її ефективності і конкурентоспроможності.
Сьогодні зварювання застосовується для нероз'ємного з'єднання щонайширшої гамми металевих, неметалевих і композиційних конструкційних матеріалів в умовах земної атмосфери, Світового океану і космосу. Не дивлячись на використання, що безперервно збільшується, в зварних конструкціях і виробах легких сплавів, полімерних матеріалів і композитів, основним конструкційним матеріалом залишається сталь. Саме тому світовий ринок зварювальної техніки і послуг зростає пропорційно зростанню світового вжитку сталі. На початок ХХI ст. він оцінюється приблизно в 40 млрд. доларів, з яких близько 70 % доводиться на зварювальні матеріали і близько 30 % – на зварювальне устаткування.
Відмічені особливості визначають загальну позитивну тенденцію зростання світового виробництва зварних конструкцій, динамічного розвитку світового і регіонального ринків зварювальної техніки і матеріалів, а також об'ємів наукових досліджень і розробок по вдосконаленню зварювання і близьких технологій. Ґрунтуючись на аналізі, проведеному академіком Б.Е. Патоном, виділимо основні напрями розвитку зварювання і близьких технологій в ХХI ст. Спочатку декілька слів про загальні тенденції стосовно нашої країни. Дугове і контактне зварювання залишаться як і раніше домінуючими способами з'єднання металів. Передбачається, що доля ручного дугового зварювання покритими електродами до 2010 р. складе 20 – 25 % від загального об'єму зварювання. Доля механізованих і автоматичних способів зварювання в захисних газах, що замінює ручне дугове, складе в майбутньому 50 – 55 % загального від всього об'єму.
Розвиток зварювання під флюсом, доля якої до 2010 р. складе ~ 17 % загалом її об'єму, пов'язано із створенням досконалішого устаткування. Враховуючи світові тенденції розширення сфери застосування прогресивних ресурсозберігаючих технологій можна передбачити, що доля лазерної технології в зварювальному виробництві в майбутнє десятиліття істотно збільшиться і досягне 6– 8% загального об'єму зварювальних робіт. Такі способи зварювання, як електронно-променеве, дифузійне і високочастотне, займають важливе місце в загальних технологічних процесах обробки металів і розвиватимуться залежно від потреб і запитів промисловості.
Лідируюче положення на ринку займатиме устаткування для дугового зварювання, частка якого лише зростатиме в основному за рахунок устаткування для зварювання порошковим і суцільним дротом при скороченні долі устаткування для ручної дугового зварювання покритими електродами. Розвиток дугового зварювання багато в чому визначається технічним прогресом і розробками нових джерел живлення, напівавтоматів і автоматів. Знайдуть широке застосування джерела живлення, що дозволяють забезпечити гнучке формування зовнішніх і динамічних характеристик. Нові подаючі механізми повинні мати спеціальні пристрої для програмного управління параметрами режиму зварювання.
Схеми управління доцільно виконувати на основі модульних рішень з широким впровадженням мікропроцесорної техніки. Найближчими роками буде створено уніфіковане устаткування нового покоління на блоково-модульній основі для дугового зварювання. Зокрема, знаходяться в розробці автомат для імпульсно-дугового зварювання плавким електродом з синергетичним управлінням, напівавтомати для плазмової зварювання і наплавлення і інше сучасне устаткування з можливостями активного контролю якості зварювання. При цьому поважно удосконалювати системи стеження за стиком, автоматизувати подачу, утримання і прибирання флюсу, розробляти формуючі пристрої.
Основним напрямом вдосконалення устаткування для електронно-променевго зварювання буде реалізація можливості здобуття виробів просторово складної форми за рахунок комп'ютерного управління всіма підсистемами установки і ходом технологічного процесу. Устаткування для контактного зварювання буде відносно довго утримувати друге місце на ринку зварювальної техніки. Доля його найближчими роками буде дещо зростати. В даний час існує дві проблеми, пов'язані із застосуванням контактного зварювання опором. Перша полягає в зниженні вірогідності появи дефектних з'єднань. Вона вирішуватиметься шляхом створення ефективніших систем автоматичного управління, а в області мікрозварювання – також за рахунок вживання нових систем живлення. Друга проблема – підвищення енергетичних показників потужних машин – вирішуватиметься за допомогою розробки досконаліших перетворювачів числа фаз, що забезпечують підвищення ККД і коефіцієнта потужності.
Розвиток контактного зварювання оплавленням пов'язаний з подальшим вдосконаленням систем автоматичного управління і живлення потужних машин. Це дозволить вирішити багато технічних проблем, особливо при зварюванні виробів з великим поперечним перетином з різних металевих матеріалів. Зокрема, перспективно можливим є в 2-3 рази зменшити час зварювання, понизити втрати металу і споживану потужність. При цьому досягається високотемпературний нагрів металу, необхідний при зварюванні високоміцних сталей і сплавів. Вказані системи забезпечують не лише багатофакторне управління процесом зварювання, але і одночасне діагностування якості з'єднань. Розвиватиметься контактне шовне зварювання для з'єднання рулонованих смуг відносно малої товщини і великої ширини. Велика увага буде приділена розробкам серійного високопродуктивного устаткування для контактного зварювання на основі уніфікованих, модульних блоків, оснащеного засобами механізації допоміжних операцій і легко вбудовуваного в складально-зварювальні лінії. Можливо, контактне зварювання дещо потіснить лазерне зварювання. При цьому можна виділити наступні напрями вдосконалення устаткування і систем управління. Простим удосконаленням стандартного процесу лазерного зварювання є використання пристрою для прецизійної подачі присадного дроту в зазор. Це забезпечує цілеспрямовану дію на металургійні процеси в металі шва, придатність лазерного зварювання для матеріалів, схильних до утворення тріщин, а також для виконання з'єднань різних матеріалів з проміжними шарами.
Створення пристроїв для дистанційного наведення променя лазера. Принцип дистанційного наведення полягає в наступному: відхилення променя лазера здійснюється за допомогою одного або двох дзеркал, а позиціювання у вертикальному напрямі – шляхом переміщення довгофокусної лінзи уздовж оптичної осі. Реалізація зварювання з дистанційним наведенням лазерного променя стала можливій лише з появою лазерів нового покоління. Вдосконалення конструкції лазерів.
Перш за все слід зазначити твердотілі лазери з діодним накачуванням. Основними перевагами цього типу лазерів є тривалий термін служби діодів (більше 10000 годин), вищий ККД перетворення електричної енергії в лазерне випромінювання і високу якість випромінювання. Іншим напрямом розвитку устаткування є використання активних елементів на основі волоконної оптики з діодним накачуванням. Устаткування цього типу забезпечує високу якість променя, ККД перетворення електроенергії – до 20 %, можливість розробки надійної і компактної конструкції лазера за рахунок виключення оптичних пристроїв, що потребують юстирування. Виробники цієї апаратури досить швидко збільшують потужність волоконних лазерів, яка в даний час складає близько 6,5 кВт, а найближчою метою розробників є досягнення 25 кВт.
Оскільки волоконні лазери працюють на довжині хвилі, порівняною з довжиною хвилі твердотілих лазерів, вони мають всі переваги своїх прототипів, що особливо виявляється при зварюванні легких сплавів. У перспективі можливе ефективне використання для зварювання потужних діодних лазерів, перевагами яких, в порівнянні з газорозрядними і звичайними твердотілими, є вищий ККД (до 30%) і компактність конструкції, що дозволяє легко вбудовувати їх в автоматизовані промислові комплекси. Фокусна пляма потужних діодних лазерів зазвичай є прямокутником з довжиною сторони в декілька міліметрів. Тому ці лазери зазвичай використовують для поверхневої термічної обробки, напилення порошкових матеріалів і зварювання в режимі проплавлення теплопровідністю. Випромінювання лазерів цього типу на довжині хвилі в ближньому інфрачервоному діапазоні дозволяє використовувати їх як для зварювання як металів, так і пластмас.
Об'єм устаткування для газового зварювання і різання скорочуватиметься, хоча доля його залишиться значною. Створення гнучких модулів для плазмових зварювання, різання і нанесення покриттів, автоматизація процесів плазмової обробки є найважливішими напрямами робіт інженерів і конструкторів. Підвищення якості і працездатності зварних конструкцій безперервно пов'язане з вдосконаленням такого важливого і трудомісткого процесу, як неруйнівний контроль якості зварних з'єднань. Тому повинні отримати подальший розвиток роботи із створення сучасної апаратури для неруйнівного контролю якості як в заводських умовах, так і на монтажі. Особливо актуальна робота із створення портативної апаратури для ультразвукового контролю, яка дозволила б з великою достовірністю визначати і описувати дефекти в трьохкоординатній плосщині в автоматичному режимі.
Для контролю стану зварних конструкцій в процесі їх експлуатації необхідний подальший розвиток засобів технічної діагностики. В даний час усе більш широке розповсюдження знаходить технологія акустично-емісійної діагностики, заснованої на аналізі сигналів, що виникають при деформації матеріалів конструкції. Вона забезпечує можливість експлуатації конструкцій по фактичному стану. Успішно пройшов промислові випробування електромагнітно-акустичний дефектоскоп. Збудження ультразвукових хвиль здійснюється за допомогою електромагнітно-акустичного перетворювача, що не вимагає контактної рідини. Тому цей метод контролю не вимагає спеціальної підготовки поверхні труби і зварного шва. Метод забезпечує ідентифікацію типу, розмірів і місць розташування внутрішніх дефектів в зварних швах і в матеріалі труби. Відзначимо створені останніми роками компактні голографічні прилади, за допомогою яких здійснюється діагностика конструкцій з неметалічних і композиційних матеріалів. Нові інформаційні системи неруйнівного контролю і діагностики зварних конструкцій розробки МГТУ ім. Н.Е. Баумана дозволяють отримувати дані не лише про дефекти, але і про внутрішню структуру виробу. Акустично-емісійні системи дозволяють ідентифікувати такі небезпечні джерела, як втрата пластичності, зародження і розвиток тріщини, корозійні пошкодження. Ультразвуковий томограф реєструє інформацію про конфігурації, розміри, орієнтацію дефектів. Для виміру об'ємної двовісної напруги пропонується використовувати спектрально-акустичні системи контролю.
Відчутні зміни спостерігаються на світовому ринку зварювальних матеріалів. Матеріали для механізованих видів зварювання, в першу чергу порошкові і суцільні дроти, упевнено тіснять по об'ємах продажів на ринку покриті електроди для ручного дугового зварювання. Ці тенденції повинні зберегтися, що в осяжному майбутньому приведе до стабілізації вживання покритих електродів на рівні 15-25 % замість 20-30 % в даний час.
Основні напрями – розробка зварювальних матеріалів спеціального призначення, що забезпечують з'єднання високоміцних сталей і сплавів, різнорідних, багатошарових і композиційних матеріалів. Крім того, актуальним є завдання створення зварювальних матеріалів, оптимальних як по кількісному вмісту компонентів, так і за економічними показниками. Також повинні враховуватися гігієнічні характеристики зварювальних аерозолів, що виділяються. У зв'язку з цим виникає необхідність обґрунтування введення нових компонентів в шихту з врахуванням висловлених вище вимог і оцінки діапазону їх концентрацій.
Відомо, що для зварних конструкцій потрібні добре зварювані матеріали. Раціональне використання нових конструкційних матеріалів з високими показниками механічних властивостей дозволяє ефективно вирішувати проблеми зниження металоємності, підвищення надійності і довговічності зварних конструкцій. Безперервно розширюватиметься вживання високоміцних сталей у відповідальних зварних конструкціях. Усе більш широке застосування знаходять високоміцні алюмінієво-літієві сплави, сплави з гранично високим легуванням, а також сплави, які містять в своєму складі ефективні модифікатори – скандій, цирконій, одночасно поліпшуючі зварюваність матеріалів і механічні властивості зварних з'єднань. Ведуться роботи із створення нових конструкційних, таких, що добре зварюються титанових сплавів, що володіють високою міцністю і корозійною стійкістю.
У останні десятиліття як конструкційний матеріал всю більшу увагу привертають полімери і композити на їх основі. Вигідно відрізняючись рядом властивостей, вони успішно конкурують з традиційними матеріалами, а в деяких областях є практично незамінними. Активно проводяться дослідження по створенню нових композиційних матеріалів на основі полімерних або металевих матриць з наповнювачами, що істотно підвищують показники міцності і жорсткості вказаних матеріалів. Особливості різних типів композиційних матеріалів (волокнистих, шаруватих, дисперсійно-зміцнених) практично виключають вживання традиційних видів зварювання.
Зварювання і близькі технології продовжують активно і всебічно розвиватися. Створюються теоретичні і технологічні передумови виготовлення нових виробів в традиційних областях зварювального виробництва, а також освоєння усе більш широких сфер вживання, які раніше вважалися «екзотичними». Відзначимо ряд досягнень в області вдосконалення існуючих технологічних зварювальних процесів, які можуть бути розвинені в ХХI ст.
Для з'єднання деталей великих товщини розроблений новий процес зварювання електродугою з використанням спеціального заставним електроду, заздалегідь введеного у вузький зазор між зварюваними деталями і покритого тонким шаром (близько 1 мм) ізолюючого покриття. Зварювання виконують у вертикальному положенні за один прохід. При цьому не потрібні пристрої, що забезпечують переміщення електричної дуги. Остання рухається самостійно по торцю плоского електроду в межах всієї ширини зазору, забезпечуючи необхідне проплавлення кромок. Зварювання заставним електродом виконується в автоматичному режимі. В порівнянні з іншими видами зварювання товстого металу вона має наступні переваги: можливість зварювання в монтажних умовах і важкодоступних місцях із забезпеченням високої продуктивності. Великі можливості у вдосконаленні зварювання в захисних газах відкриває вживання тонкого дроту діаметром 0,6 – 1,6 мм.
Одним з перспективних напрямів розвитку зварювання є активація процесів в зварювальній ванні і дузі, що горить в інертних газах, введенням мікродоз рідкоземельних хімічних елементів і їх з'єднань. Дослідження показали, що глибина проплавлення при цьому зростає в 2-4 рази, тобто активація створює передумови для здійснення зварювання в інертних газах на знижених енергіях. Використання сумішей газів при зниженій напрузі дуги забезпечує зменшення розбризкування металу електродного дроту, підвищення продуктивності процесу і поліпшення формування шва.
Збільшення товщини зварюваних металів і тенденції до підвищення швидкості зварювання приводять до необхідності дослідження технології і режимів зварювання у вуглекислому газі у вузьке щілинне оброблення, а також під флюсом складеним електродом. В ході виконаних в Інституті електрозварювання ім. Е.О. Патона досліджень встановлено, що швидкість електрошлакового зварювання можна збільшити в 4-5 разів і тим самим зменшити перегрів металу. При цьому зникає необхідність в проведенні подальшої термічної обробки виробів для здобуття комплексу експлуатаційних характеристик. Ефект досягається завдяки інтенсифікації гідродинамічних явищ, що відбуваються в зварювальній ванні.
Є всі підстави передбачати, що найближчими роками електрошлакове зварювання в новому варіанті займе гідне місце у виробництві товстостінних виробів. Поза сумнівом, будуть модернізовані існуючі і розроблений новий вигляд зварювання в твердій фазі, засновані на нагріві і інших способах активації поверхонь, що сполучаються. Відповідно підлягають вирішення складні проблеми неруйнівного контролю з'єднань, отриманих в твердій фазі, а також діагноста таких з'єднань безпосередньо в процесі зварювання по непрямих ознаках, що фіксуються автоматично. Останніми роками сформувався новий напрям в створенні наукоємних технологій – гібридні способи зварювання.
Дані способи є комбінацією лазерного пучка і плазмового або дугового процесу в одній загальній зоні зварювання. Спільна дія на метал двох джерел тепла дозволяє істотно підвищити ефективність використання кожного з них. За рахунок цього досягається глибоке проплавлення і хороша якість формування зварного шва. Перспективним напрямом використання плазмової обробки представляється розвиток комбінованих процесів, що поєднують плазмовий нагрів з додатковими операціями, наприклад вирізка по контуру, поєднана з штампуванням; вживання роботів із змінним плазмовим і дуговим інструментом; напилення в динамічному вакуумі; нанесення покриттів і шарів з різними складами і властивостями. Не втратить в майбутньому свого величезного значення ремонтне зварювання.
Технологія ремонтної зварювання розвивається слабо. Потрібно удосконалювати техніку і засоби підготовки виробів до ремонту, створювати спеціалізоване зварювальне устаткування, у тому числі і механізоване, нові зварювальні матеріали, що забезпечують здобуття з'єднань високої якості в складних умовах, створювати технологію ремонту без попереднього нагріву виробів і вирішувати безліч інших технологічних завдань. Подальший розвиток повинні отримати методи нанесення покриттів: наплавлення і напилення. Тут існує дуже велике поле для діяльності головним чином в матеріалознавчому плані, а також в пошуку найбільш ефективних технологій здобуття в наплавленому шарі інтерметалідних і інших особливо твердих включень в міцній і пластичній матриці.
Подальше вдосконалення технології наплавлення в першу чергу необхідно для ремонту безлічі деталей машин і механізмів, що піддаються абразивному зносу. Також повинне відбутися розширення сфери вживання виробничого наплавлення. Воно дозволяє багато разів збільшувати термін служби і тяжко навантажених і працюючих в умовах тертя деталей, позбавляє промисловість від виробництва великої кількості запасних частин, підвищує надійність і працездатність машин і механізмів. В майбутньому хороші перспективи мають способи наплавлення, що забезпечують мінімальне проплавлення основного металу: електрошлакова, плазмово-порошкова, лазерна і мікроплазмова.
Повинна удосконалюватися технологія наплавлення робочих поверхонь відновлюваних вузлів, експлуатованих в різних агресивних середовищах. Останніми роками успішно прогресує технологія нанесення покриттів напиленням з використанням газового полум'я, плазми, детонації, а також на основі електронно-променевого випару і конденсації матеріалів у вакуумі. Напилення вдало доповнює наплавлення і конкурує з нею в окремих областях. Особливого значення набувають технології паяння і склеювання.
Подальші розробки в області склеювання повинні вирішити проблеми підвищення міцності, надійності і довговічності клейових і клеєзварних з'єднань за різних умов експлуатації. Розробки в області паяння будуть направлені на створення нових технологій, в яких застосовуються матеріали (флюси і припої), що дозволяють отримати високу міцність з'єднань.
Кінцевим продуктом зварювального виробництва є зварні конструкції. Створення надійних і довговічних конструкцій, що працюють в різних умовах експлуатації, залишається найважливішою науково-технічною проблемою. Історично склалося так, що велика кількість відповідальних зварних конструкцій, що експлуатуються в даний час, наближається до свого критичного віку або вже відпрацювало нормативний термін. По оцінках фахівців, вичерпання ресурсу устаткування і машин в країнах СНД перевищує 50 %. Тому вельми актуальний розвиток науково-технічних підходів до достовірної оцінки залишкового ресурсу експлуатованих зварних конструкцій машин і устаткування і його гарантованого продовження. Такі підходи повинні базуватися на комплексному аналізі всіх стадій життєвого циклу конструкцій. Не виключено, що в майбутньому, завдяки успіхам в різних галузях фізики, будуть створені нові засоби нагріву металу, придатні для зварювання плавленням. Зокрема, був би доцільним пошук засобів нагріву, в яких поверхневе виділення енергії поєднувалося б з об'ємним. Поза сумнівом, і далі продовжуватимуться пошуки досконаліших способів і засобів захисту розплавленого металу від впливу довкілля для використання їх при рафінуванні і легуванні металу шва, а також формування з'єднання. Все це вимагає розвитку теоретичних основ нестаціонарної взаємодії рідкого металу з довкіллям. Необхідно розвивати уявлення про процес утворення зварного з'єднання, вивчати гідродинаміку ванни з врахуванням безлічі зовнішніх і внутрішніх чинників.
Очевидно, що в найближчому майбутньому одному з основних завдань в області теорії зварювальних процесів буде доведення і взаємна ув'язка математичних моделей, що описують різноманіття явищ до тієї міри досконалості, при якій проведення експерименту з металом стане не правилом, а особливим виключенням. Збільшення номенклатури матеріалів, сфер їх застосування, підвищення вимог до міцності і довговічності з'єднань вимагає істотного поглиблення знань в цій сфері і поглиблення досліджень, у тому числі подальшого вдосконалення підходів до конструювання вузлів і з'єднань, до обліку особливостей їх роботи за різних умов вантаження. Розвиток обчислювальної техніки і дорожчання експериментальних досліджень значно підвищили інтерес до комп'ютеризації інженерної діяльності в різних галузях виробництва, у тому числі в області зварювання і споріднених технологій (наплавлення, паяння, нанесення покриттів, спецелектрометалургія). Роботи, що проводяться з цієї проблеми в даний час можна умовно розділити на п'ять напрямів комп'ютеризації:
-наукові дослідження;
-проектування зварних з'єднань і вузлів;
-проектування технологій;
-управління технологічними процесами;
-контроль зварних конструкцій під час експлуатації.
Оператори ринку зварювального устаткування і матеріалів відзначають його активний розвиток – до 2012 р. його ємкість повинна перевалити відмітку в $210 млн. Вітчизняним виробникам оптимізму додає і зростання попиту на зовнішніх ринках (зокрема, в Росії). Серйозний вплив на його розвиток надасть впровадження нових технологій. Зокрема, Інститутом електрозварювання ім. Е.О.Патона (Київ) розроблені нові технології – зварювання вибухом і високошвидкісним ударом.