5. Сварка в XXI веке

Специалисты ведущих стран мира уделяют большое внимание оценке достижений науки и техники в области сварки в прошедшем столетии, а также прогнозу приоритетных и перспективных направ­лений развития сварки и родственных технологий в интересах про­мышленного производства в начале XXI века. В последние годы это­му посвящены международные и национальные конференции, мно­гочисленные публикации ведущих учёных и специалистов. Расши­ряется практика проведения рабочих встреч экспертов по выработке стратегии развития науки и производства в области сварки.

Некоторые наиболее актуальные темы по вышеназванной тема­тике затрагиваются в настоящей главе.

5.1. ПРОБЛЕМЫ СВАРКИ НА РУБЕЖЕ ВЕКОВ

Можно с уверенностью сказать, что на пороге третьего тысячеле­тия сварка - один из ведущих технологических процессов. До 2/3 мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений. Сварке подвергаются практи­чески любые металлы и неметаллы в любых условиях - на земле, в морских глубинах и в космосе. Толщина свариваемых деталей ко­леблется от микрометров до метров, масса сварных конструкций — от долей грамма до сотен и тысяч тонн. Зачастую сварка является единственно возможным или наиболее эффективным способом со­здания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения заготовок, максимально приближенных к оптимальной форме готовой детали или конструкции.

Более половины валового национального продукта промышленно развитых стран создается с помощью сварки и родственных техно­логий, к которым мы относим наплавку, пайку, резку, нанесение по­крытий, склеивание различных материалов. Научно-техническое по­нятие «сварка» охватывает такие смежные направления, как заготовка и сборка, диагностика и неразрушающий контроль, техника без­опасности и экология процессов сварки.

В различных странах в сварочном производстве заняты не менее 5 млн. человек, из них 70-80 % выполняют электродуговые процессы. К началу XXI века лидирующее положение на рынке сварочного обо­рудования заняла аппаратура для дуговой сварки. Объемы ее произ­водства и дальше будут возрастать в основном за счет аппаратуры для сварки порошковой и сплошной проволоками при сокращении доли оборудования для ручной дуговой сварки покрытыми электро­дами.

Машины для контактной сварки прочно удерживают второе мес­то на рынке сварочного оборудования, объемы их применения также имеют тенденцию к росту. Доля оборудования для газовой сварки и резки сокращается, но остается достаточно большой.

Ощутимые изменения наблюдаются на мировом рынке свароч­ных материалов. И здесь 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.

За последние 20 лет в промышленно развитых странах доля ме­талла, наплавляемого ручной дуговой сваркой, снизилась почти в три раза и составляет сейчас 20-30 %. Есть основания полагать, что в обозримом будущем доля ручной дуговой сварки (по наплавлен­ному металлу) в промышленных странах стабилизируется на уров­не 15-25 %, а в остальных странах снижение будет менее интен­сивное.

Основой сварочного производства останется сварка плавлением. Будут совершенствоваться техника и технология этого процесса. Одним из примеров в этой области является создание у нас способа дуговой сварки по активирующему флюсу, который за рубежом по­лучил название А-ТИГ.

Безусловно, будут расширяться области применения лазерных технологий как наиболее универсальных в арсенале сварки и род­ственных процессов. В 90-х годах только в мировой автомобильной промышленности уже эксплуатировалось более 4000 лазерных сис­тем для резки и сварки. Перспективно использование для сварки мощных диодных лазеров, имеющих более высокий КПД.

Уникальны возможности применения электронно-лучевой свар­ки, позволяющей сваривать за один проход металлы толщиной до 200-300 мм. Значительно увеличить габариты свариваемых из­делий можно с помощью электронно-лучевой сварки в локальном вакууме.

Способ электрошлаковой сварки имел большое значение для раз­вития тяжелого машиностроения. Исследования, выполненные в на­шем институте, установили, что скорость электрошлаковой сварки можно существенно увеличить (в 4—5 раз) и тем самым уменьшить перегрев металла. Это дает основание предполагать, что в ближай­шие годы электрошлаковая сварка в новом варианте займет достой­ное место в процессе производства крупногабаритных толстостен­ных изделий.

В последние годы мировое сварочное производство характеризу­ется массовым применением источников питания инверторного типа для дуговой сварки. Главное преимущество этих источников состо­ит в широчайших возможностях, которые открываются для автома­тического управления всеми стадиями сварочного процесса, вклю­чая перенос электродного металла, движение металла в сварочной ванне, кристаллизацию шва и его дегазацию, придание необходимой формы и качества поверхности шва.

Контактная сварка сопротивлением (точечная, рельефная и роли­ковая) относится к числу наиболее распространенных способов. Воз­можно, контактную сварку немного потеснит лазерная, в особеннос­ти там, где используется металл с покрытиями.

Еще далеко не исчерпаны возможности контактной сварки оплав­лением. Несомненно, что дальнейшее совершенствование автомати­ческого управления и систем питания мощных машин позволят ус­пешно решить многие технические проблемы, особенно при производстве изделий с большим поперечным сечением из различ­ных металлических материалов.

Бурное развитие приборостроения и особенно электронной тех­ники привело к созданию ряда способов сварки в твердой фазе: диф­фузионной, компрессионной и ультразвуковой. Несомненно, появятся и другие способы сварки в твердой фазе, основанные на нагреве и иных способах активации соединяемых поверхностей. Подлежат разрешению сложные проблемы неразрушающего контроля соединений, полученных в твердой фазе, а также диагностики таких со­единений непосредственно в процессе сварки по косвенным призна­кам, фиксируемым автоматически.

Не утратит своего значения и ремонтная сварка. Внимание к ней со стороны специалистов не всегда соответствует ее значению. Нуж­но совершенствовать технику и средства подготовки изделий к ре­монту, создавать специализированное сварочное оборудование, но­вые материалы, обеспечивающие получение соединений высокого качества в сложных условиях, создавать технологии ремонта без пред­варительного нагрева изделий.

Одной из важнейших составных частей сварочного производства является наплавка. Из общего объема сварочных материалов для на­плавки используется 8-10 % электродов и сплошных проволок, до 30 % порошковых проволок и практически все спеченные и порош­ковые ленты. В общих объемах наплавочных работ весьма велика доля восстановительной наплавки. Одна из актуальных задач — по­вышение уровня механизации наплавочных работ. Хорошие перспек­тивы имеют способы наплавки, обеспечивающие минимальное проплавление основного металла: электрошлаковая (лентами), плазменно-порошковая, лазерная, микроплазменная.

В последнее время прогрессирует технология нанесения защит­ных и специальных покрытий методами газотермического, плазменно-дугового и детонационного напыления, электронно-лучевого ис­парения и парофазной конденсации материалов в вакууме.

Остается актуальной проблема сварки новых материалов: спла­вов на основе железа, никеля, меди, алюминия, титана и многих ин­терметаллидов. Обширна и непрерывно увеличивается область при­менения полупроводниковых материалов, использование которых неразрывно связано с проблемой их соединения с металлическими материалами.

Во всем мире широким фронтом ведутся исследования, направ­ленные на улучшение свариваемости высокопрочных алюминиевых сплавов, увеличение прочности и других служебных характеристик сварных соединений. ИЭС им. Е. О. Патона совместно с Институтом проблем материаловедения НАН Украины нашли принципиально новое решение улучшения свариваемости перспективных сплавов алюминия, в частности создав новые сварочные проволоки из алюминиевых сплавов, содержащих повышенное количество скан­дия (0,5-0,8 %). При добавках скандия повышается сопротивление разрушению сварных соединений высокопрочных алюминиевых сплавов.

Проводимые в течение многих лет фундаментальные исследова­ния проблем металлургии сварки титана и его сплавов позволили создать эффективные технологии, обеспечивающие получение свар­ных соединений с элементами толщиной 0,5-1000 мм.

Разнородные материалы (алюминий - сталь, медь - алюминий, титан - сталь и др.) находят все более широкое применение в машино­строении, атомной энергетике, ракетостроении и других отраслях современной промышленности. Для получения неразъемных соеди­нений указанных материалов с уникальными физико-механически­ми свойствами наиболее перспективны такие процессы, как диффу­зионная сварка, сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка, пай­ка, склеивание, механическое (штепсельное) соединение. Особое значение приобретают технологии склеивания. В настоя­щее время создано большое количество клеевых композиций, по­зволяющих соединять металлы, сплавы, пластмассу, резину и дру­гие материалы практически в любых сочетаниях. Дальнейшее на­правление совершенствования этой технологии определяется тре­бованиями повышения прочности, надежности и долговечности кле­еных и клеесварных соединений при различных условиях эксплуа­тации.

В последние десятилетия в качестве конструкционного материа­ла все большее внимание привлекают полимеры и композиты на их основе. Созданы современные технологии для сварки труб из тер­мопластов, используемых при сооружении газопроводов, водопро­водов, коммуникационных систем. Есть несомненные успехи в об­ласти ультразвуковой сварки, сварки токами высокой частоты, тре­нием и другими способами соединения этих перспективных мате­риалов.

Одна из важнейших проблем будущего века — освоение косми­ческого пространства. В решении этой проблемы важную роль дол­жна сыграть сварка. Пока наиболее перспективным способом в ус­ловиях космического пространства мы считаем электронно-лучевую сварку. Не исключено, что в недалеком будущем будут созданы об­разцы лазерных устройств для этих целей.

Цикл экспериментов по электронно-лучевой сварке, резке и пай­ке, а также нанесении покрытий в открытом космосе, выполненных ИЭС им. Е. О. Патона совместно с НПО «Энергия», позволил изу­чить особенности получения сварных соединений и функциональ­ных покрытий в условиях вакуума и микрогравитации, оценить возможности человека в скафандре выполнять функции сварщика. Создана и эксплуатировалась на орбитальной станции «Мир» сис­тема многократного раскрытия и складывания солнечных батарей протяженностью 15 м. Конструкция оказалась весьма надежной.

В XXI веке резко расширится освоение глубин Мирового океана, что, в свою очередь, потребует создания новых сварочных техноло­гий. При современном уровне техники дуговая сварка порошковой проволокой так называемым «мокрым» способом осуществляется на глубинах нескольких десятков метров. Существуют серьезные огра­ничения по номенклатуре металлов, пригодных для сварки таким способом, и по предельным глубинам, где может быть обеспечено получение качественных соединений.

Выполнение сварки в специальных камерах («сухой» способ свар­ки) в присутствии человека имеет также немало ограничений, в том числе и по глубине, к тому же он слишком дорогостоящий. В буду­щем вполне вероятна возможность применения лазерного излуче­ния как для резки, так и для сварки в камерах на большой глубине. Не исключена возможность применения в указанных условиях кон­тактной стыковой сварки. Предварительные эксперименты подтвер­дили перспективность использования этого способа сварки под во­дой. Достаточно сказать, что созданные в нашем институте техноло­гия и оборудование, в котором камера встроена в сварочную маши­ну, впервые в мире успешно прошли опытно-промышленную про­верку при сварке реальных конструкций под водой.

Необходимы совершенствование как «мокрого», так и «сухого» способов сварки, а также разработка новых механизированных спо­собов сварки и оборудования, пригодных для использования на ки­лометровой глубине. Это не фантазия, а настоятельная потребность, связанная с неизбежностью прокладки в ближайшие годы газо- и нефтепроводов на такой глубине, а также и с добычей в будущем минерального сырья со дна Мирового океана. Создание экономичных, надежных и долговечных сварных кон­струкций, работающих на земле и под водой, при большом разбросе температур, в агрессивных средах и при интенсивном облучении, является важной научно-технической проблемой.

Исторически сложилось так, что многие из существующих ответ­ственных сварных конструкций приближаются к своему критичес­кому возрасту. Поэтому весьма актуальна проблема разработки нау­чно обоснованных подходов к оценке и продлению ресурса эксплуа­тируемых сварных конструкций. Такие подходы должны базироваться на комплексном анализе всех стадий их жизненного цикла, включая проектирование, изготовление и эксплуатацию.