Тенденции развития и пути повышения производительности сварки плавлением

Существенное значение имеет прогнозирование развития сварочной науки и техники, сварочного производства на длительный период. Попытаемся оценить тенденции развития сварки плавлением на ближайшее десятилетие и наметить основные пути повышения производительности труда при этом виде сварки. Анализ современного состояния сварочного производства свидетельствует о том, что сварка плавлением занимает ведущие позиции во всех промышленно развитых странах. В дальнейшем роль этого вида сварки будет уменьшаться вследствие интенсивного развития сварки в твердой фазе. Однако еще долгое время сварка плавлением будет оставаться основным видом сварки металлов. Постоянное стремление к повышению производительности и эффективности сварки плавлением проявилось в непрерывном повышении мощности источников сварочного нагрева и увеличении концентрации энергии в зоне плавления металла. Появление и развитие плазменно-дуговой и электроннолучевой сварки служит иллюстрацией к сказанному. Но радикальные изменения коснулись и классического способа—сварки электрической дугой.

Самый распространенный способ механизированной сварки сталей и сплавов под флюсом в ряде случаев уступает позиции сварке в углекислом газе. Абсолютные цифры, характеризующие объемы применения сварки под флюсом, правда, постоянно возрастают. Полуавтоматическая сварка в углекислом газе развивается поистине стремительно благодаря простоте и эффективности этого технологического процесса.

Применение порошковой проволоки открыло новые возможности перед способами сварки в защитных газах. Немаловажное значение имеет и тот факт, что сварочная дуга, горящая в потоке газов, вновь стала видимой. (Это звучит, может быть, парадоксально, но при всех преимуществах погруженной во флюс закрытой дуги проявляется и ее недостаток — затруднительность ведения дуги вдоль линии сварки, особенно при выполнении криволинейных швов). Упрощается и техника выполнения вертикальных и горизонтальных швов без принудительного формирования, совершенно необходимого при сварке под флюсом. Со сваркой в защитных газах в ряде случаев конкурирует сварка порошковой и сплошной проволокой незащищенной дугой. Это особенно важно для выполнения сварочных работ в полевых условиях. У процесса сварки порошковой проволокой большое будущее.

Однако возможности сплошной сварочной проволоки еще далеко не исчерпаны. В частности, использование редкоземельных элементов открыло большие перспективы создания новых композиций проволок для сварки в защитных газах и без дополнительной защиты дуги.

За истекшие годы, казалось бы, вполне устоялись наши представления о возможностях электрошлаковой сварки толстого металла. Немало было сделано в нашей стране и за рубежом, в частности в Великобритании, для устранения основного препятствия на пути этого прогрессивного способа сварки — необходимости нормализации сварного соединения. К сожалению, будучи довольно эффективными в применении к нелегированным сталям, все эти средства оказались недостаточными в случае легированных сталей, для которых неизбежное разупрочнение металла околошовной зоны требует восстановления его свойств высокотемпературной термообработкой.

Новое направление применения электрошлаковой сварки — укрупнение заготовок под ковку или прессование Если заготовка, сваренная электрошлаковым способом, подвергается ковке или прессованию, нет необходимости заботиться о снятии последствий перегрева в околошовной зоне или о нежелательных деформациях. Шов, полученный электрошлаковым способом, после деформирования становится совершенно неотличимым от свариваемого металла.

Прогресс, естественно, коснулся и сварки под флюсом — повысились скорости и производительность процесса благодаря многоэлектродным аппаратам, комбинированию дуг постоянного и переменного тока, предварительному подогреву вылета электрода или присадочной проволоки, введению железного порошка в разделку или сварочный зазор. Замена проволочных электродов ленточными оказалась весьма эффективной при выполнении наплавочных, а иногда и сварочных работ. Есть ли будущее у сварки под флюсом в условиях конкуренции со сваркой в защитных газах? Несомненно, есть и в первую очередь при выполнении достаточно протяженных швов, в производстве наплавочных работ.

За истекшие годы в нашей стране и за рубежом достаточно большое развитие получила электроннолучевая сварка. Этим способом в первую очередь выполняют различные соединения тонкого металла в электронной промышленности, приборостроении, а также в авиа- и ракетостроении. Интенсивно ведутся работы по освоению электроннолучевой сварки сравнительно толстых трудно свариваемых сталей и сплавов. Дальнейшее развитие электроннолучевой сварки будет, по-видимому, идти по пути повышения ускоряющего напряжения (вплоть до 150 кВ) и увеличения единичной мощности электронных пушек (до 30— 50 кВт). Все большее внимание будет уделено сварке в форвакууме. Расширится применение различных накидных камер для создания местного вакуума. Будут разработаны подлинные станки-автоматы с использованием сварки электронным лучом.

Вместе с тем широкое распространение получат и установки с большими и сверхбольшими камерами, что обусловлено созданием и освоением промышленного выпуска надежных вакуумных насосов чрезвычайно высокой производительности. Таким образом, перспективы электроннолучевой сварки — сварка толстого металла в изделиях самого ответственного назначения: роторах турбин и генераторов, сосудах высокого давления и т. п.

В ближайшие годы целесообразно резко усилить исследования в области физики сварочной дуги, источников питания и управления. Здесь еще скрыты большие резервы и возможности, о чем убедительно свидетельствует опыт разработки и применения плазменно-дуговых источников нагрева.

Создание оборудования и технологии микроплазменной дуговой сварки тонкого металла является одним из важных достижений последних лет. За короткий срок наша промышленность освоила около тысячи комплектов аппаратуры для этого способа, и спрос на нее неудержимо растет. Микроплазменная дуга успешно соединяет тонколистовую сталь, алюминиевые сплавы. Сварка микроплазмой вытесняет электроннолучевую при выполнении соединений металла толщиной 1 мм и менее. Однако пока еще не определились рациональные области распространения плаз-меннодуговой сварки с использованием достаточно мощных плазмотронов. Видимо, вскоре появятся способы рационального использования плазменной дуги с высокой концентрацией энергии.

Новый способ сварки когерентным световым лучом используется пока ограниченно, прежде всего в электронной промышленности Еще продолжаются поисковые работы по определению рациональных областей применения этого способа Однако интенсивное развитие исследований с целью создания все более мощных лазеров, импульсных и непрерывного действия, может в короткое время привести к совершенно новым решениям, к применению сварки световым лучом в достаточно прозаических, по нынешним представлениям, областях промышленности.

Истекшие годы характерны тем, что некоторые так называемые старые способы сварки плавлением получили в сегодняшних условиях вторую жизнь, так, например, гравитационная сварка, исключительно быстро получившая широкое распространение в Японии. Речь идет о сварке наклонным электродом методом А. Силина, предложенным в СССР еще в начале 30-х годов. Нечто подобное происходит и со сваркой лежачим электродом.

На новой ступени развития сварочного производства может найти применение и оказаться целесообразной так называемая многоголовочная сварка. На заре механизации наплавочных и сварочных работ предлагались аппараты и установки с несколькими головками, затем с появлением сварки под флюсом и резким повышением скорости перемещения дуги идея эта была в значительной степени забыта Теперь, когда трудно рассчитывать на дальнейшее существенное повышение скорости сварки под флюсом металлов средних толщин, следует вспомнить о многоголовочной сварке. Нетрудно увидеть, что разбив, например, продольный шов трубы длиной 12 м на четыре участка и поставив на каждом из них по аппарату, можно сварить трубу вчетверо скорее, чем это делается в настоящее время одним аппаратом.

Для реализации этого способа повышения производительности сварки требуется решить, по крайней мере, три задачи: синхронизации возбуждения равноудаленных дуг, точного направления по стыку нескольких дуг, стабилизации режима горения каждой из них и, наконец, бездефектного перекрытия каждой последующей дугой начальной части шва, выполненного предыдущей головкой, с надежной заваркой кратера. Возможно, в таких массовых отраслях промышленности, как трубная, судо- и вагоностроительная, резервуаростроение, многоголовочная сварка окажется в недалеком будущем достаточно эффективным средством повышения производительности труда. В нашей стране разработаны новые типы высокопроизводительных и универсальных электродов; за истекшие 10 лет построены современные высокомеханизированные заводы, выпускающие ежегодно сотни тысяч тонн высококачественных электродов общего назначения; созданы и выпускаются промышленностью низкотоксичные электроды, обеспечивающие высокую производительность сварки. Качество швов, выполненных отечественными электродами общего назначения, существенно превышает требования международной классификации мис.

Успехи в разработке и изготовлении электродов привели к тому, что по производительности ручная сварка зачастую не уступает полуавтоматической под флюсом и в углекислом газе. Создается положение, аналогичное существовавшему в 30-х годах перед разработкой способа сварки под флюсом, когда автоматическая сварка покрытой электродной проволокой в ряде случаев не могла конкурировать со сваркой штучными электродами.

Какой же выход, как добиться повышения эффективности механизированной сварки? Мы не видим путей резкого повышения производительности собственно полуавтоматической дуговой сварки. Поэтому нужно стремиться к расширению областей применения автоматов с тем, чтобы один сварщик мог обслуживать несколько постов. При этом скорость сварки каждым из аппаратов может быть равна скорости сварки штучными электродами. Суммарная же производительность труда будет выше, чем при ручной сварке, в число раз, равное числу обслуживаемых аппаратов. Такой путь вполне приемлем в судостроении и вагоностроении, сельскохозяйственном машиностроении, при заводском изготовлении некоторых строительных металлоконструкций, труб большого диаметра.

Наметившаяся еще до второй мировой войны тенденция механизации сварки стала основным направлением развития сварочного производства во всех индустриальных странах. Суммарный уровень механизации сварки в СССР достиг к 1971 г. 57,3% (по трудоемкости) и будет неуклонно повышаться дальше.

В предстоящем десятилетии огромное внимание будет уделено созданию новых специализированных аппаратов, установок, машин для сварки, собираемых из унифицированных, надежных, проверенных узлов. Известно, что квалифицированный сварщик, накладывая шов, выполняет сложный комплекс движений, управляя формой сварочной ванны и кристаллизацией сварного шва. Фактически из этих элементов манипулирования электродом в наших сварочных аппаратах реализованы только два —• подача эутектрода в дугу и поступательное равномерное перемещение его вдоль стыка. Изредка осуществляется поперечное колебание конца электрода. Между тем современные достижения в области автоматического управления позволяют полностью воспроизводить весь цикл операций, выполняемых опытным сварщиком, Над созданием таких аппаратов работают специалисты многих стран.

В последние годы удалось осуществить управление переносом металла в дуге посредством наложения периодических импульсов на сварочный ток. Но это только первый шаг. На очереди создание новых слоем, которые позволят надежно управлять как переносом металла, так и формой шва, а в некоторых случаях и ходом физико-химических реакций в плавильной зоне. Все сказанное в равной мере относится к сварке под флюсом и в защитных газах. Следовательно, мы вправе ожидать появления аппаратов, которые смогут успешно решать задачу оптимизации всех операций, связанных с дуговой сваркой.

В Советском Союзе неизменно увеличивается производство сварных конструкций, а также увеличивается доля используемого для этого металла в общем объеме выплавки стали. Эта тенденция будет наблюдаться и в будущем. Все больше стали, алюминия, титана и их сплавов будет применяться в виде сварных конструкций из листов, труб, прокатных и гнутых профилей.

Нет сомнений, что значительная доля общего выпуска сварных конструкций по-прежнему будет приходиться на единичное производство. Позиции ручной дуговой сварки здесь очень прочны. Правда, за последние годы ее удалось немного потеснить с помощью полуавтоматов для сварки в защитных газах. Но далеко не всегда сравнение здесь в пользу полуавтомата. Только качественный скачок может в корне изменить сложившуюся ситуацию. Этот скачок станет возможным, если будет создан новый способ получения сварного соединения, основанный, вероятно, на использовании нового мощного концентрированного источника тепловой энергии, более эффективного, чем нынешняя сварочная дуга. В случае разработки такого способа будет решена задача существенного повышения производительности труда в единичном производстве, а также при выполнении строительно-монтажных работ в полевых условиях.

Говоря о перспективах развития сварочной техники на ближайшие годы, следует особо остановиться на ее применении в массовом и крупносерийном производстве. Здесь целесообразна возможно большая степень механизации и автоматизации не только собственно сварки, но и всего комплекса предшествующих и следующих непосредственно за ней технологических операций. Основная трудность в решении этой проблемы связана с отсутствием в настоящее время надежных замкнутых систем контроля качества сварных соединений.

Несмотря на известные достижения в создании физических методов неразрушающего контроля, все они еще остаются пассивными. Мы научились пользоваться автоматами для расшифровки рентгенограмм, что еще нельзя сказать об ультразвуковой дефектоскопии. Началось освоение статистических методов обработки Результатов контроля. Все это хорошо, но уже недостаточно.

Нам нужно создать замкнутые системы контроля качества сварных соединений с обратными связями.

Процесс сварки металлов представляет собой далеко не простой объект для физического моделирования и построения математических моделей. Тем не менее необходимо не откладывать решение этой сложной задачи. Следовало бы начать с разработки соответствующих датчиков, способных накапливать необходимую информацию о данном технологическом процессе сварки. Проблема обработки этой информации и, возможно, оптимизации выдаваемых решений с использованием в ряде случаев электронных вычислительных устройств должна быть решена в недалеком будущем. Если удастся создать системы управления с обратными связями, обеспечивающие контроль за геометрическими размерами швов, за ходом физико-химических реакций, тепловых процессов и усадочных явлений в зоне сварки, будет сделан шаг вперед на пути дальнейшего прогресса сварочной техники.

В наплавочной технике достаточно высок уровень механизации, создана прогрессивная технология как электродуговой, так и электрошлаковой наплавки. В частности, замена проволочных электродов ленточными при наплавке под флюсом и электродами большого сечения при электрошлаковой наплавке способствовали значительному повышению производительности труда и качества наплавочных работ. Однако пока наплавка все еще используется преимущественно в ремонтном деле. Между тем имеются вполне реальные возможности создавать готовые изделия с поверхностным слоем, обладающим заданными свойствами, например, износостойкостью, сопротивляемостью воздействию коррозионных сред и т. д. Посредством наплавки следует изготовлять износостойкий биметалл, столь необходимый для сельскохозяйственного и дорожного машиностроения, производства металлургического оборудования и т. д.

Классические методы дуговой наплавки, несомненно, будут потеснены новыми, более производительными. Среди них следует упомянуть литейные методы, основанные на нанесении слоя жидкого металла заданного состава Весьма перспективным представляется новый метод нанесения армированного твердыми частицами слоя металла. Эффективными способами нанесения металла также являются намораживание из расплава, оплавление различных паст и покрытий с помощью плазменной дуги, электронного луча или индукционного нагрева.

Все сказанное отнюдь не уменьшает значение классических методов наплавки. Использование таких достижений электрошлаковой технологии, как переплав неподвижных электродов большого сечения, специальные подвижные формирующие кристаллизаторы, бифилярная схема подключения электродов, жидкий старт и т. п., открывает новые возможности повышения эффективности наплавочных работ, выполняемых электрошлаковым способом.

Огромное внимание будет уделено сварке разнородных металлов. Сочетания соединяемых материалов значительно расширятся, все большие требования будут предъявляться к конструктивной прочности соединений. Появится необходимость выполнять соединения без так называемых переходников. Это существенно усложнит задачу.

Как это ни парадоксально, чистые стали оказались более капризными при сварке, чем загрязненные серой, фосфором и другими примесями. В связи с этим уже сейчас можно вполне определенно считать, что в недалеком будущем сварщикам и металлургам предстоит преодолеть немало трудностей, связанных с использованием в сварных конструкциях чистых сталей и сплавов. Но этот нелегкий труд окупится сторицей, ибо будет достигнута главная цель — надежность, долговечность сварных конструкций из рафинированных сталей возрастет во много раз!