ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ СВАРКИ

Специалисты в области сварки из Немецкого сварочного обще­ства Д. фон Хоффе и К. Мидделдорф на основании анализа публика­ций последних лет в промышленно развитых странах выделяют сле­дующие аспекты перспектив развития технологий сварки.

Люди - Технология - Окружающая среда - Качество. Все возра­стающее внимание общества к охране окружающей среды, особен­но в регионах проживания и работы, вполне естественно. Наряду с приоритетностью решения технических задач (совершенствование оборудования, материалов, механических и технологических свойств соединений) в последние годы большое значение приобрели охрана окружающей среды, экономный подход к потреблению энергии и рас­ходованию сырья.

В области сварки и смежных процессов намечается тенденция к удовлетворению требований потребителей в приобретении свароч­ного оборудования, различных приспособлений, присадочных и элек­тродных материалов через сеть дилеров-поставщиков (так называе­мые «магазины инструментов»).

Согласно общему мнению Американского и Немецкого свароч­ных обществ, процессы сварки, резки и нанесения покрытий в буду­щем станут наиболее предпочтительными и распространенными спо­собами создания самого широкого ассортимента конкурентоспособ­ных материалов и изделий. Возможность применения технологий соединения будет учитываться на всех стадиях производства — от проектирования до изготовления изделий.

Неотъемлемой частью производственного процесса становятся новые экономичные технологии, обеспечивающие сочетание высо­кой производительности и качества. Оптимальные решения можно обеспечить путем подбора наилучших вариантов возможных посто­янно автоматизирующихся технологических процессов. В будущем неотъемлемой составной частью проектирования технологий станет применение методов моделирования Новые разработки в области информатики сделают возможным моделирование полного цикла производства в удобной для пользо­вателя форме («включай и работай»). Решающую роль при этом бу­дут играть широкие возможности виртуального пространства. Цик­лы разработки изделий станут короче, сохранятся существующие и откроются новые перспективные области применения технологий соединения. Выполнение высококачественных швов и покрытий, не требующих последующей проверки и контроля, а также использо­вание точных методов прогнозирования срока службы конструкций и изделий придадут изделиям статус безопасных и надежных.

Большое значение будут иметь профессионализм и квалифика­ция персонала, неразрывно связанные с экономической жизнеспособ­ностью производства и качеством изделий. Наряду с современными устройствами и установками, а также с оптимизированными конст­рукторскими решениями квалифицированный персонал станет од­ним из основных факторов производства.

Разработка материалов. Создание материалов для новых облас­тей применения, несомненно, является одной из наиболее стратеги­чески важных технологических задач нашей экономики. Предпола­гается, что к 2020 г. в промышленности потребуется заменить до 95 % материалов, которые сейчас используются в производстве. Но­вые материалы - это важный структурный элемент, позволяющий экономить ресурсы, энергию и не вредить окружающей среде.

Научные исследования в области материал о ведения направлены не только на создание материалов с наилучшим сочетанием различ­ных свойств (повышенные прочность и вязкость, высокая коррози­онная стойкость, повышенная электропроводность), но и на разра­ботку так называемых спроектированных материалов, т. е. материа­лов с заранее заданными свойствами.

Выдвигаются требования повторного использования и утилиза­ции материалов.

Одним из основных критериев выбора (разработки) материала для данной конструкции является его свариваемость при использовании существующих или новых сварочных процессов и (или) альтерна­тивных способов соединения.

Сталь в будущем по-прежнему останется наиболее важным конструкционным материалом. С конца 90-х годов на рынке появи лось около 1000 марок сталей. Основные области их применения в Германии следующие: на первой стадии промышленной обработки 40 %, изготовление транспортных средств и машиностроение — со­ответственно 15 и 10%, строительство и производство стальных конс­трукций 12 %.

Сталь применяется в различных областях энергетики, транспорта и медицины. Во многих случаях основные детали, определяющие эффективность работы всей установки в целом, изготовляют из ста­ли. Например, длительная прочность при повышенных температу­рах лопаток в первом контуре паровых турбин (сейчас эти лопатки производятся из специальных сталей или суперсплавов) является решающим фактором эффективности работы всего турбогенерато­ра. Особые преимущества применения сталей заключаются в воз­можности многократного их использования, разнообразии проект­ных возможностей (с учетом эстетических аспектов); хорошей обра­батываемости.

В последние десятилетия познания в области металлургии и ме­таллографии значительно расширились. Созданы стали практичес­ки для всех случаев применения и типов напряженного состояния. Подтверждение этого — разработка высокопрочных мелкозернистых конструкционных сталей для автомобильной промышленности, дуп­лексных и супердуплексных сталей для аппарате- и машинострое­ния, жаропрочных сталей для оборудования электростанций, мате­риалов с покрытиями, спеченных и металлических пеноматёриалов, а также материалов для создания многослойных конструкций для самолёто- и ракетостроения.

Разработка новых материалов дает импульс для создания новых технологий соединения. Например, для соединения высокопрочных мелкозернистых конструкционных сталей и жаропрочных ферритных хромистых сталей разработаны экономичные процессы дуговой сварки в защитном газе и под флюсом с использованием соответ­ствующих электродных и присадочных материалов.

Легкие металлы и сплавы становятся все более распространенными материалами во всем мире. Разнообразны их возможности и области применения - от автомобильной и авиаци­онной промышленности до медицины.

В Германии алюминиевые сплавы используются достаточно ши­роко. Примером могут служить свариваемые алюминиевые сплавы систем Al-Mg-Si, Al-Mg-Li-Sc, Al-Li-Cu, недавно разработанные для самолетостроения. В категорию новых алюминиевых материа­лов входят металлические пеноматериалы. Для наполнения многослойного материала из пенистого алюминия (AFS) алюминиевый порошок с низкой температурой плавления равномерно смешивается с гидридом титана. Высокая прочность пеноматериа-лов и их небольшая масса позволяют создавать конструкции нового типа.

Алюминий и его сплавы играют доминирующую роль при изго­товлении подвижного состава железных дорог: пассажирские ваго­ны на 80 % изготовлены из этого легкого металла. Незаменимым он становится и при строительстве быстроходных морских паромов.

С внедрением алюминиевых сплавов в крупномасштабное про­изводство ряда отраслей промышленности возросли требования к сварочным процессам. Для алюминиевых сплавов преимущественно применяется сварка MIG, как наиболее высокопроизводительный процесс. Кроме того, он может быть полностью механизирован. В последние годы разработан процесс сварки трением с перемеши­ванием, применение которого существенно расширяет возможнос­ти использования алюминиевых сплавов (сплавы, которые не­возможно сварить дуговой сваркой плавлением, будут соединяться этим способом).

Большое значение имеет использование магниевых сплавов, осо­бенно сплавов высокой чистоты с повышенной коррозионной стой­костью. Они применяются в авиационной и космической про­мышленности (зачастую одновременно с соответствующими покры­тиями). Производятся также сплавы с добавками иттрия и неодима, которые по прочности и вязкости эквивалентны высокопрочным алю­миниевым сплавам. Износостойкость этих сплавов может быть по­вышена при введении в них твердых керамических частиц. Магние­вые сплавы широко применяются в автомобильной промышленнос­ти при производстве деталей коробок передач, балансирных крышек, приборных панелей, рулевых колес, карбюраторов и ободов колес автомобилей.

Необходимо проводить дальнейшие исследования в области сва­риваемости магниевых сплавов. Для этих сплавов следует приме­нять не только дуговую и плазменную сварку в защитном газе (про­цессы TIG), но и лазерную сварку, что должно обеспечить такой же уровень качества, как и при сварке алюминиевых сплавов.

Материалы на основе интерметаллидов титана с высокой темпе­ратурной стабильностью содержат 45-48 % алюминия и других металлических добавок. Такие детали, как клапаны двигателей, ло­патки турбин, изготовленные из алюминидов титана, имеют суще­ственные преимущества перед сплавами никеля и железа, которые используются для этой цели в настоящее время. Они на 50 % легче их, более прочны при высоких температурах.

Для соединения материалов этой группы применяют плазменную сварку и сварку трением с перемешиванием. Сплавы титана, имею­щие большое значение для авиационной промышленности, могут свариваться также механизированной дуговой сваркой неплавящимся электродом в аргоне.

Композитные материалы с матрицей из лег­ких металлов. Некоторые группы материалов на алюминиевой, магниевой и титановой основах также имеют большое значение как матричные составляющие для соответствующих композитных мате­риалов, которые используются в тех областях, где приоритет отдает­ся снижению массы деталей при обеспечении необходимого комплек­са прочностных показателей: высоких значений ударной вязкости и временного сопротивления, а также текучести при комнатной и по­вышенных температурах; высокого уровня сопротивления ползуче­сти и усталостной прочности при повышенных температурах; высо­кого значения сопротивления термической усталости.

Очевидно, что для этих композитных материалов требуются со­ответствующие технологии соединения, которые в большинстве слу­чаев все еще находятся в стадии разработки. Однако уже сейчас ясно, что оптимальным процессом соединения композитных материалов с матрицей из легких металлов является дуговая сварка неплавящимся и плавящимся электродами в защитных газах. *

Полимерные материалы и полимеры, упроч­ненные волокнами. Благодаря универсальности полимерных материалов области их применения постоянно расширяются. В Германии производится около 140 млн. т пластмасс, что составляет при­мерно 10 % мирового объема их производства. В настоящее время разработка полимерных материалов развивается по двум направле­ниям: создание новых типов полимеров и новых композитных мате­риалов на основе полимеров- Предполагается, что эти материалы смогут не только конкурировать со стеклом или металлами (как это было до сих пор), но и заменять ранее созданные полимеры. Доля полимеров с высокими показателями служебных характеристик, про­изводимых в Германии, составляет 15 % мирового рынка. Лидерами на рынке являются США (36 %) и Япония (31 %).

Чрезвычайно легкие, упрочненные волокнами полимеры отно­сятся к «интеллектуальным» материалам. Интеллектуальные компо­зитные материалы должны приглушать шум авиационных двига­телей, делать оптические линзы более точными, чтобы стало воз­можным распознавать в конструкциях такие повреждения, как тре­щины.

Обычно для упрочнения полимеров используют стекловолокна и углеродные волокна. Благодаря своим потенциальным возможнос­тям при изготовлении облегченных конструкций упрочненные во­локнами полимеры уже сейчас используются при производстве са­молетов, автомобилей и подвижного состава железнодорожного транспорта.

Для промышленного применения полимерных материалов и по­лимеров, упрочненных волокнами, требуются соответствующие спо­собы соединения. До настоящего времени для соединения полуфаб­рикатов и фасонных деталей из термопластов, а также упрочненных волокнами полимеров широко применялась ультразвуковая сварка. Новым направлением является сварка термопластов посредством микроволновой энергии. При соединении полимеров на основе по­ливинилхлорида применяют сварку струей горячего газа и сварку с использованием нагревательного элемента. В серийном производстве полимерных конструкций применяют кроме ультразвуковой вибра­ционную и высокочастотную сварку, а также сварку трением. В по­следнее время начинают применять сварку инфракрасными лучами и лазерную.

Керамические и наноматерналы. На мировом рынке основных материалов отмечается непрерывное увеличение производства высокоэффективных керамических материалов. Если в 1990 г. товарооборот в этой области составлял лишь 2 млрд. немецких марок, в 1992 г. - 3,2 млрд. марок, то в 2000 г. - около 5 млрд. марок. В дальнейшем прогнозируемый прирост на рынке ке­рамических материалов составит 7-10 % в год. Мировое производство и применение конструкционной керамики распределяется следую­щим образом: Япония 41 %, США 32 % и Европа 25 % (две пятых из них производится в Германии).

В таких областях, как информационные технологии, обработка данных, электроника, а также автомобиле- и самолетостроение, керамические материалы используются для производства подложек, датчиков, приводов и звуковых преобразователей.

Необходимо также упомянуть о применении керамики в медици­не, которое резко возросло за последние годы. Примерами этого яв­ляются керамические протезы тазобедренного сустава с хорошей биосовместимостью, зубные имплантаты и биоактивная, совмести­мая с костной тканью керамика.

Параллельно с разработкой керамических конструкционных ма­териалов создаются технологии их соединения. В качестве примера успешного решения проблемы соединения керамических материа­лов можно привести двухпучковую лазерную сварку керамики из оксида алюминия.

Большие потенциальные возможности заложены в применении наноматериалов. Нанотехнологии позволяют разрабатывать материалы и композиты на их основе с регулированием свойств на атомном и молекулярном уровне. Для производства конструкций из наноматериалов необходимо разработать такие процессы соедине­ния, которые не влияют или влияют незначительно на свойства этих материалов.

Во многих отраслях промышленности (например, автомобиле­строение, железнодорожный транспорт, судостроение, машино- и аппаратостроение, гражданское строительство) применение облег­ченных конструкций способствует большой экономии материалов и трудоресурсов. Заложенный здесь потенциал еще далек от полной реализации.

Примером успешного применения облегченных конструкций яв­ляется производство ультралегкого стального кузова автомобиля

(ULSAB). Была достигнута 25%-ная экономия массы по сравнению с обычными стальными кузовами автомобилей. В дальнейшем в рам­ках проекта ULSAB-AVC планируется производство ультралегких дверей, деталей подвески, пружин и амортизаторов автомобилей (ULSAC).

В самолетостроении необходимость экономии топлива и дальней­шего уменьшения выброса вредных веществ заставляет предприни­мать интенсивные попытки снизить массу конструкции, что может быть достигнуто при использовании сверхлегких высокопрочных материалов. Интересно отметить, что разработки в авиационной про­мышленности в значительной мере нацелены на использование свар­ных конструкций. В этом случае экономия материала достигается в результате отказа от клепки и связанных с ней соединений элемен­тов конструкций внахлестку.

Новые разработки и дальнейшее развитие технологии сварки. Од­новременно с разработкой новых материалов необходимо совер­шенствовать и оптимизировать существующие сварочные процессы или разрабатывать новые. В дополнение к дальнейшему развитию традиционных процессов (ручная дуговая сварка и дуговая сварка в защитных газах) существенный прогресс был достигнут в лазерной сварке и резке, о чем свидетельствует расширение их применения во многих областях промышленности.

Вероятно, в ближайшем будущем дуговая сварка сохранит свое ведущее положение. В соответствующих отраслях промышленнос­ти должна получить дальнейшее развитие контактная сварка, хотя часть рынка у нее будет отобрана альтернативными процессами кле­евого и механического соединения (соединения с двойной отбортовкой). Для соединения новых материалов все большее значение будут приобретать специальные сварочные процессы (сварка трением с перемешиванием и диффузионная).

Сварка трением с перемешиванием разработана на основе про­цесса сварки трением с вращением деталей и выполняется без рас­плавления соединяемых материалов. Нагрев основного металла в этом случае ограничивается областью, непосредственно примыкаю­щей к сварному шву. При этом сводятся к минимуму остаточные сва­рочные напряжения и деформации, не возникает проблем при вы­полнении протяженных стыковых сварных швов. Процесс используется в судостроении и авиапромышленности для изготовления пане­лей и профилей с большими поперечными сечениями и длиной свар­ного шва до 14 м.

Хотя сварка трением с перемешиванием широко применяется для соединения алюминия, магния и их сплавов и в меньшей степени для меди, титана, цинка и свинца, возможности ее применения для сварки стали еще недостаточно изучены. Однако в будущем и в этой области ожидаются интересные результаты.

Лазер уже показал свои преимущества при сварке стальных кон­струкционных элементов в судостроении. Однако применение ла­зерной сварки не ограничивается этой областью. Мосты, вагонные тележки, резервуары, детали автомобилей - это только часть объек­тов ее применения. Новые возможности для сварки открывает ис­пользование мощных лазеров. Новейшие разработки в области ла­зерной техники позволят создать высокопроизводительное обору­дование с дистанционным управлением для сварки конструкцион­ных элементов во всех пространственных положениях. Особенно по­лезным и эффективным для сварки может быть использование сис­тем, позволяющих подводить лазерный луч к нескольким рабочим местам..

Электронно-лучевая сварка сохранит и, вероятно, даже усилит свои позиции в области соединения высокоактивных материалов.

Весьма перспективное направление - «гибридные» технологии. Примером «гибридной» технологии является использование для свар­ки алюминиевых профилей лазерного луча и микроплазменной дуги. «Гибридные» технологии применяются также для соединения хруп­ких материалов (керамика, стекло).

В будущем для технологий соединения намечаются следующие тенденции развития:

- существующие сварочные процессы частично или полностью будут заменяться новыми;

- прогресс в области микроэлектроники окажет положительное влияние на развитие периферийного оборудования для технологий соединения, например датчиков, приводов, а также систем управле­ния производственными процессами;

- в компьютерной технике с развитием технического и математи­ческого обеспечения открываются новые возможности для развития моделирования, влияние которого на технологии соединения в це­лом пока еще является весьма непредсказуемым;

- появление новых материалов и конструкторских решений со­здает необходимые предпосылки для разработки новых способов соединения;

- развитие робототехники будет способствовать дальнейшей ав­томатизации процессов соединения.

Таким образом, в будущем в промышленном производстве сварка и смежные процессы станут привилегированными технологически­ми процессами. В результате технологии соединения будут включе­ны во все стадии разработки и изготовления изделия. Технологии соединения для рынков будущего характеризуются высокой произ­водительностью на основе применения автоматизации и использо­вания процессов моделирования.

Поиск по сайту: