Современные проблемы и перспективы развития сварочной технологии, техники и науки


Скачать 176.75 Kb.
НазваниеСовременные проблемы и перспективы развития сварочной технологии, техники и науки
Дата публикации29.06.2013
Размер176.75 Kb.
ТипДокументы
userdocs.ru > Физика > Документы
ГЛАВА 5

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СВАРОЧНОЙ ТЕХНОЛОГИИ, ТЕХНИКИ И НАУКИ

5.1. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ

В арсенале сегодняшних инженеров-сварщиков десятки принципиально различных способов сварки и их разновидностей: дуговая, диффузионная, электронно-лучевая, ультразвуковая, радиочастотная и т.д. Но ни у кого не вызывает сомнения, что потребности промышленности, развитие науки и творчество инженеров приведут к появлению новых способов получения неразьемных соединений и совершенствованию уже известных.

История развития техники в целом и отдельных ее направлений свидетельствует, что наиболее революционные изменения в технике и технологии возникают на основе наиболее глубоких, фундаментальных исследований. Ярким примером может служить открытие физиками лазерного излучения, давшее толчок к созданию и развитию огромного числа приборов, установок, технологий в различных отраслях науки и техники, включая сварочную.

Современные способы сварки и резки основаны на использовании энергии практически всех известных ее видов: механической, химической, электрической, электро-механической, лучевой и др. Это, однако, не означает, что использован уже весь спектр источников энергии для целей сварки. К примеру, среди лучевых источников энергии ждут своего времени для использования такие, как пучки нейтронов, пучки ионов и т.д.

Многие схемы ускорителей элементарных частиц, используемых физиками, потенциально пригодны для создания сварочных установок с выдающимися возможностями в отношении производительности и качества изготовления конструкций, машин и аппаратов с заданными характеристиками.

Вместе с тем, наряду с перспективой использования новых, "экзотических" способов соединения материалов, остается необозримый простор для ученых и инженеров-сварщиков в деле совершенствования хорошо известных способов и видов сварки.

Многими успехами современная сварка обязана замечательному источнику нагрева - дуговому разряду. Явлению дугового разряда посвящено большое число исследований, написаны сотни статей и монографий, однако, многие закономерности протекающих в нем процессов остаются не до конца раскрытыми. Возьмем, например, так называемые приэлектродные области дуги, имеющие протяженность порядка 10-510-3 см. Здесь температура плазмы изменяется на тысячи градусов: от температуры столба дуги (51035104 С) до температуры расплавленного или нагретого металла. В них протекают процессы, резко отличающиеся от процессов в столбе дуги, а их исследование исключительно трудное как теоретически, так и экспериментально. Остаются неясными тонкие механизмы преобразования в этих зонах электрической энергии в тепловую, взаимодействие пространственных (объемных) зарядов в условиях больших градиентов напряженностей электрических и магнитных полей и др. явления и процессы.

Потенциальные возможности электрической сварочной дуги все еще остаются очень большими. Это подтверждается появлением в последние годы многочисленных изобретений, направленных на получение высокотемпературной дуговой плазмы в специальных устройствах, называемых плазмотронами. Плазменные процессы нашли достаточно широкое применение при резке, сварке, наплавке и напылении. Следует, однако, отметить, что необходимы дальнейшие исследования физических процессов плазмообразования, способов регулирования и управления плазмой. Инженерам предстоит решить сложные конструкторские задачи по созданию надежных и экономичных плазмотронов, особенно их электродных узлов.

История развития ручной дуговой сварки насчитывает десятки лет и, казалось бы, что этот процесс достиг своего предельного уровня совершенства. Действительно, что касается общих принципов осуществления ручной дуговой сварки, то здесь имеются эффективные и надежные устройства и приспособления для реализации сварки, разработаны технологические приемы выполнения сварных швов в любом пространственном положении, сконструированы экономичные источники питания и т.д. Тем не менее, предстоят еще длительные и достаточно глубокие исследования по разработке главного элемента ручной дуговой сварки - покрытого электрода. Сегодня известны сотни типов и марок электродов, позволяющие выполнять сварку практически всех известных металлов и их сплавов. Однако, далеко не все из них обладают хорошими сварочно-технологическими свойствами (легкость зажигания дуги и стабильное ее горение, отсутствие дефектов сварного шва и т.д.) и низкой токсичностью. Учитывая, что ручная дуговая сварка будет использоваться еще длительное время, актуальность совершенствования ее очевидна.

Аналогичные соображения можно высказать и по другим видам дуговой сварки: порошковой проволокой, в среде защитных газов, под флюсом и т.д.

В последние годы сформировалось новое направление в создании наукоемких технологий1 — гибридные способы сварки []. В ИЭС им. Е.О. Патона предложен новый способ сварки алюминиевых сплавов малых толщин, заключающийся в одновременном использовании лазерного пучка и микроплазменной дуги, горящей в режиме разнополярных импульсов тока. Совместное воздействие на металл двух источников тепла дает возможность существенно повысить эффективность использования энергии каждого из них. В результате эффективность использования мощности микроплазменной дуги может возрастать с 50 (при обычной микроплазменной сварке) до 75 % (в гибридном процессе).

Активно развивается электронно-лучевая сварка: совершенствуется оборудование и разрабатываются новые технологические приемы и решения. Главным направлением совершенствования оборудования является реализация возможности электронно-лучевой сварки изделий пространственно сложной формы благодаря компьютерному управлению всеми подсистемами установки и ходом технологического процесса.

Перспективное направление приобретает овладение процессом управления электронным лучём по нескольким параметрам. В частности применение импульсного воздействия электронного луча на сварочную ванну дает возможность существенно улучшить форму швов.

В связи с непрерывно увеличивающимся многообразием сочетаний трудносвариваемых разнородных материалов уделяется большое внимание фундаментальным и прикладным исследованиям в области пайки. Разрабатываются новые припои для высокотемпературной пайки высоколегированных никелевых (например, на основе системы Ni-Cr-Zr) и других сплавов. Они имеют новый качественный уровень по сравнению с традиционными и позволяют значительно расширить объем применения конструкционной и ремонтной пайки в современном двигателестроении.

Перспективность развития процессов сварки можно рассмотреть еще на одном способе, резко отличающемся от дугового - холодной сварке.

Холодная сварка, относящаяся к группе способов сварки давлением, осуществляется путем совместного пластического деформирования соединяемых материалов при комнатной температуре.

Физико-химической основой холодной сварки является образование металлических связей между атомами соединяемых чистых поверхностей путем их сближения до межатомных расстояний.

Простота принципиальной схемы холодной сварки не дает оснований для суждений о простоте физического механизма этого процесса. Действительно, как было установлено многочисленными исследованиями процесс холодной сварки может одновременно сопровождаться рядом сложных металлофизических процессов: диффузией, рекристаллизацией, ползучестью, образованием и движением дислокаций, движением вакансий и междуузельных атомов, электрическими и тепловыми явлениями в плоскости контакта и т.д. Сложность протекающих при холодной сварке процессов привела к появлению свыше десяти гипотез, отражающих представления о механизме образования соединения. Достаточно назвать некоторые из них, чтобы представить разнообразие подходов: рекристаллизационная гипотеза - объясняет создание соединения за счет рекристаллизации (т.е. образования общих кристаллитов) в плоскости контакта; диффузионная гипотеза - причину образования соединения объясняет взаимопроникновением атомов соединяемых металлов путем их диффузии; гипотеза образования "активных центров" - объясняет образование соединения путем установления металлических связей в отдельных центрах ювенильного контакта с повышенными энергетическими уровнями; "пленочная" гипотеза - объясняет возникновение соединения путем дробления твердых тонких поверхностных слоев (пленок) и выносом их, за счет пластического течения, из зоны контакта.

Приведенные гипотезы показывают, что холодная сварка металлов представляет собой сложный процесс, механизм которого окончательно не раскрыт. Именно поэтому перед сварщиками стоит сложная задача по исследованию методов и закономерностей холодной сварки многих материалов, не поддающихся сегодня успешному свариванию (сталь, дюраль и др.).

Из-за ограниченности объема тематического направления книги не представляется возможным рассмотреть, хотя бы кратко, проблемы и перспективы развития многих других способов сварки, таких, например, как лазерной, ультразвуковой, взрывом и т.д.

Отметим лишь еще один, прямо-таки фантастический путь поиска способов соединения металлов [11].

Все существующие виды сварки требуют затрат значительной энергии, поэтому усилия ученых и инженеров направлены на разработку таких процессов, которые потребляют минимум энергии. А нельзя ли соединять металлы вообще без затрат энергии, в условиях обычной комнатной температуры? Оказывается, такая возможность принципиально существует. И владеют столь ценным секретом... микробиологи.

В природе есть тысячи разновидностей бактерий, которые приспособились к самым невероятным условиям: одним необходим кислород, другие великолепно обходятся без него, третьи развиваются только при высокой температуре и т.д.

Когда-нибудь найдутся и такие что смогут при обычных условиях "пожирать" кислород, прочно связанный с металлом, то есть удастся восстанавливать чистые металлы из окислов. Есть надежда, что идею бактериальной металлургии, в частности, бактериальной сварки, удастся осуществить путем "конструирования" необходимых видов бактерий с помощью генной инженерии, достижения которой уже сегодня поражает воображение. Пока что биологическая сварка похожа на волшебство, но наука так быстро развивается, что многие волшебные сказки прошлого сегодня стали само собой разумеющимися атрибутами нашей жизни.

Развитие сварочной науки и техники, использование фантастических идей для создания новых способов сварки - не самоцель. Главной, конечной задачей сварочного производства является создание рациональных сварных конструкций заданной надежности. Эта задача чрезвычайно широка и многогранна. Разрабатываются новые материалы с заданными свойствами - композиционные, порошковые, керамические и др. Совершенствуется технология производства крупногабаритных, высоконагруженных конструкций путем замены монолитного металла многослойным, расширяется ассортимент и объем использования новых конструкционных материалов - пластмасс и т.д.

Успешное решение главной задачи сварочного производства возможно лишь при использовании механизированных и автоматизированных процессов сборки и сварки конструкций и современных средств автоматического управления.

^ 5.2. ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И РОБОТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ

В настоящее время значительная часть сварных конструкций изготавливается ручной дуговой сваркой покрытыми электродами, что объясняется универсальностью, простотой и технологической гибкостью этого способа. Основной недостаток дуговой сварки штучными электродами - использование ручного труда, требующего высокой квалификации сварщика. Замена ручной сварки полуавтоматической - самый простой и доступный путь интенсификации сварочного производства.

Одно из главных направлений дальнейшего развития сварочного производства - широкое применение механизированных и автоматизированных способов сварки.

Механизация осуществляется при использовании таких процессов, при которых с помощью специального оборудования осуществляется относительное перемещение изделия и сварочного аппарата (перемещение изделия при неподвижном аппарате или наоборот), начинается сварка (например, возбуждением дуги) и прекращается. Наиболее легко поддаются механизации дуговая сварка под флюсом и в защитных газах, электрошлаковая и электронно-лучевая, сварка трением, холодная и контактная, а также кислородная и плазменная резка.

Следует отметить, что для получения высокого эффекта от механизации необходимо механизировать не только сам процесс выполнения сварного соединения, но и все сопутствующие операции: транспортировку изделий, их установку и снятие со сборочно-сварочных приспособлений, кантовку и т.д. Поэтому необходима, так называемая, комплексная механизация сварочного производства. Конечно, комплексная механизация требует значительно больших финансовых затрат, но они, как правило, окупаются очень быстро. Успехи в разработке систем управления и регулирования с пневматическими, гидравлическими, электрическими и электронными устройствами позволили перейти к созданию автоматических сварочных установок, встраиваемых в конвейерные линии и действующих практически без участия человека. Сварщику при этом остается только запуск аппаратов и контроль за ходом сварки. Такие автоматические сварочные установки целесообразно использовать при массовом производстве, например, транспортных средств (велосипедов, мотоциклов, автомобилей и др.). Однако, скорость производственных процессов может быть настолько большой, что человек не успеет отреагировать на случайные отклонения режимов сварки или пути перемещения сварочного агрегата.

Сварочный автомат будущего должен не только воспроизводить заранее запрограммированный цикл сварки, но и корректировать его без участия человека при отклонении контролируемых параметров процесса. Создание таких систем, называемых адаптируемыми, выведет сварочную технику и технологию на принципиально новый уровень, позволяющий выполнять сварку и резку в автономном режиме в самых тяжелых и вредных для человека условиях.

В решении многих задач автоматической адаптации большое место отводится промышленным роботам, управляемым ЭВМ.

Существующие роботы с программным управлением широко используются для точечной сварки при изготовлении кузовов автомобилей на конвейерных линиях и для дуговой сварки, например, труб.

Программирование управляющего устройства, может производиться по методу обучения с предварительным прохождением всей траектории вручную. Информация о положении рабочего органа (сварочных клещей для контактной сварки или мундштука для дуговой сварки) в каждой точке пространства поступает в запоминающее устройство ЭВМ для записи, а при работе подается в виде команд на исполнительный орган.

По-видимому, наивысшая степень адаптации потребуется роботам при выполнении сварочных или резательных операций в условиях космоса, под водой, на объектах с высокой радиационной опасностью и др.

Предстоит решить много серьезных научно-технических проблем для создания космического робота-сварщика. Такой робот должен иметь достаточно мощный источник питания, обладать развитой системой приема внешней информации, позволяющей отыскать объект сварки, правильно ориентировать рабочий орган (например, электронно-лучевую установку) относительно изделия и контролировать ход процесса сварки. Система управления такого робота, базирующая на суперЭВМ, должна обеспечивать не только перемещение рабочего органа в пространстве по расчетной траектории, но и управление циклом и параметрами режима сварки.

Сварщикам предстоит создавать и "подводного" робота-сварщика. Здесь необходимо решать новые проблемы, связанные с особенностями среды.

Более 95% океана имеет глубины, недоступные водолазам-сварщикам. Даже при глубинах немногим более 100 м возникают практически неразрешимые трудности выполнения самых простых сварочных операций, например, приварку к затонувшим судам проушин для крепления грузоподъемных тросов. Поэтому, в будущем сборочно-сварочные операции на таких и больших глубинах придется выполнять подводным автономным роботам.




^ 5.3. ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ДИАГНОСТИКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Основная тенденция технического прогресса в промышленно развитых странах связана с повышением параметров создаваемых новых машин, агрегатов и сооружений - мощности, грузоподъемности, температуры эксплуатации, активности среды, срока службы и т.д. В первую очередь, это касается таких новейших областей техники как атомная энергетика, авиа- и судостроение, космическая техника, транспортные средства и т.п. Отклонения в режимах работы агрегатов и конструкций или их разрушение могут привести к серьезным последствиям. Проектировщики и конструкторы пытаются учесть возможные причины таких отклонений, но, учитывая, что многие конструкции работают десятки лет (газопроводы, крупные мосты, гидросооружения и т.п.) сделать это в полной мере не удается.

Из сказанного становится очевидным, что обеспечение надежности изделий должно жестко контролироваться не только на стадии их изготовления, но и в процессе всего срока эксплуатации. Это можно обеспечить путем создания специальных диагностических систем, способных в автоматическом режиме обнаружить критическое состояние конструкции, что позволит своевременно принять необходимые меры для предотвращения аварии.

Для создания таких систем необходимо изучить закономерности развития внутренних дефектов материалов конструкций на стадии предразрушающего состояния, освоить методику прогнозирования вероятных ситуаций разрушения, разработать и создать специальную аппаратуру для этих целей.

Решение такой комплексной задачи должно опираться на достижения в области прочности материалов, механики, математики, статистики, радиоэлектроники и вычислительной техники.

На каком же принципе основывается диагностика разрушения материалов? Чтобы ответить на такой вопрос проделаем простой эксперимент: возьмем оловянный пруток и будем его изгибать. При изгибе можно услышать специфический хрустящий звук, т.е. пластическая деформация олова, которая всегда сопровождает разрушение, хорошо слышима без всякой аппаратуры.

То же явление можно обнаружить и у других металлов, однако уровень звуковых колебаний у них настолько мал, что для их прослушивания требуется специальная усиливающая аппаратура. Это явление получило название акустической эмиссии (АЭ).

Таким образом, если на рабочую конструкцию прикрепить специальные улавливающие датчики (акустические приемники), то можно с помощью усиливающей аппаратуры зафиксировать момент возникновения и распространения трещины в наиболее нагруженном элементе конструкции. Разумеется, что это сильно упрощенная модель акустической эмиссии. Первые реальные системы АЭ, разработанные в Институте электросварки им. Е.О.Патона показали, что для реализации идеи диагностики и прогнозирования разрушения сварных конструкций необходимо решить комплекс проблем, основными из которых являются следующие: изучение закономерностей возникновения и распространения упругих колебаний в металле конструкции при накоплении его повреждаемости, образовании микротрещин и их распространении по сечению конструктивных элементов; создание информационно-измерительных систем для сбора и анализа АЭ и другой информации, необходимой для принятия решения о состоянии конструкции; разработка математического обеспечения для обработки поступающей информации и прогнозирования поведения конструкции и др..

В решении этих и других проблем наверняка будут участвовать сегодняшние студенты-сварщики и молодые специалисты, поскольку создатели и эксплуатационники новых ответственных сварных конструкций, машин и агрегатов должны получить возможность предотвращения аварий и катастроф, наподобие Чернобыльской.
^ 5.4. РОЛЬ МАТЕМАТИКИ И МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ В РАЗВИТИИ СВАРОЧНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ

Непрерывное развитие сварочной науки и техники ставит перед исследователями и инженерами все новые и новые задачи по разработке и созданию сварочных материалов, оптимальных сварных конструкций и технологии их изготовления, диагностике и прогнозированию вероятности разрушения сварных изделий и т.д. Для успешного решения названных задач требуется глубокое знание физико-химических явлений, присущих процессу сварки, применение новейших методик и аппаратов, разработка вероятностных методов расчета прочности и долговечности конструкций.

В этой связи особое значение приобретает использование математических методов исследования, позволяющих получить новую информацию о многих физико-химических процессах, протекающих в сварочной дуге, сварочной ванне, шве и околошовной зоне и т.д.

Электрические, тепловые, диффузионные, металлургические и деформационные явления, наблюдаемые в упомянутых выше зонах протекают в условиях высоких температур и скоростей их изменения и часто недоступны экспериментальному исследованию.

Перечисленные явления, сопровождающие сварочные процессы, могут быть описаны в рамках аппарата математической физики дифференциальными уравнениями теплопроводности, диффузии, электрического потенциала и подобных им. Иначе говоря, могут быть созданы, так называемые, математические модели, как средство познания изучаемых явлений.

К сожалению, аналитические возможности математики остаются все еще сравнительно скромными, поэтому решение сложных нелинейных дифференциальных уравнений и систем уравнений возможно лишь численными методами на быстродействующих вычислительных машинах.

Заметим, что во многих случаях при сварке явления настолько сложны (например, гидродинамика сварочной ванны), что не укладываются в известные дифференциальные уравнения матфизики, либо система этих уравнений получается настолько громоздкой, что ее решение пока непосильно доступным вычислительным средствам.

В этих случаях рекомендуется применение статистических моделей, связывающих основные параметры изучаемого процесса с экспериментальными данными.

Большой практический интерес представляют вопросы, связанные с оптимальным проектированием сварных конструкций и технологии их изготовления. Здесь также нужны специальные расчетные методы, включая разработанные в теории вероятности.

Самостоятельную проблему составляют вопросы, связанные с управлением сварочными процессами, обеспечивающим оптимальный характер протекания интересующих явлений или операций.

Используя математические модели на основе данных о параметрах режима сварки, размерах и форме шва можно, с помощью специальных технических средств - микропроцессоров, регулировать процесс с целью обеспечения заданного качества сварного соединения. Микропроцессор - это элементарный (в смысле неделимый), миниатюрный логический автомат (объем самого кристаллика около 0,01 см3), который может встраиваться в любое устройство промышленного (технологическое оборудование, роботы, рабочий инструмент и т.д.) или бытового (телевизоры, микроволновые печи, стиральные машины и т.д.) назначения. Цель встраивания микропроцессоров - обработка информации в месте ее возникновения и выработка корректирующих команд исполнительным органом, что придает рядовой технике принципиально новое качество - "интеллектуальность".

При всей несопоставимости микропроцессора и нейрона по сложности и функциям аналогия между организацией многопроцессорной ЭВМ и нейронной сети мозга очевидна: многопроцессорные системы обеспечивают возможность достаточно эффективного отображения многих явлений реального мира.

Применительно к сварочному производству микропроцессорная техника позволяет исключить ошибки, допускаемые сварщиками (операторами), сократить объем контроля сварных соединений, предотвратить производство бракованной продукции, улучшить условия труда сварщика.

Таким образом, расширение областей применения микропроцессорной техники, математических методов исследований, использование математического моделирования и современной вычислительной техники будет способствовать дальнейшему развитию сварочной науки, техники и технологии.

Сварка и родственные технологии продолжают активно и всесторонне развиваться как вглубь, так и вширь. Создаются теоретические и технологические предпосылки для изготовления новых изделий в традиционных областях сварочного производства, а также для освоения все более широких сфер ее применения, которые раньше считались «экзотическими». На протяжении всего XXI века сварка и родственные технологии сохранит свою роль ведущей и массовой технологии во всех отраслях промышленного производства.

В заключение отметим, что в данной главе были рассмотрены лишь некоторые из многих направлений развития сварки. Сварочная наука и техника охватывает настолько разнообразные отрасли знаний, что осветить перспективу их развития в небольшом пособии не представляется возможным. Молодым людям, решившим заниматься проблемами сварки, предоставляется необозримое поле для творчества и дерзания.

1 Патон Б.Е. Современные направления исследований и разработок в области сварки, и прочности конструкций. Автоматическая сварка, №10-11, 2003.




Похожие:

Современные проблемы и перспективы развития сварочной технологии, техники и науки iconПроводится V международная научно-практическая интернет-конференция...
Информируют Вас, что с 17 по 19 ноября 2012 г проводится V международная научно-практическая интернет-конференция «Проблемы и перспективы...
Современные проблемы и перспективы развития сварочной технологии, техники и науки iconУчреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»...
Представлены рецензированные статьи, посвященные последним достижениям медицинской науки
Современные проблемы и перспективы развития сварочной технологии, техники и науки iconУчреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»...
Представлены рецензированные статьи, посвященные последним достижениям медицинской науки
Современные проблемы и перспективы развития сварочной технологии, техники и науки iconУчреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»...
Представлены рецензированные статьи, посвященные последним достижениям медицинской науки
Современные проблемы и перспективы развития сварочной технологии, техники и науки icon«Актуальные проблемы и перспективы развития топливно-энергетического комплекса Украины»
Топливно-энергетический комплекс – основа экономики любого государства. От его состояния и перспективы развития зависит будущее страны,...
Современные проблемы и перспективы развития сварочной технологии, техники и науки iconТемы практических занятий тема 1: методологические основы истории...
Роль Средневековых университетов и академий наук в возникновении экспериментальной науки
Современные проблемы и перспективы развития сварочной технологии, техники и науки iconМеждународный форум молодежного туризма «проблемы и перспективы развития...
«бюро международного молодежного туризма и сотрудничества» приглашает принять участие в I международном форуме молодежного туризма:...
Современные проблемы и перспективы развития сварочной технологии, техники и науки iconПрограмма курса лекций теоретические основы химической технологии...
Этапы формирования химической технологии как науки. Тенденции развития химической технологии
Современные проблемы и перспективы развития сварочной технологии, техники и науки icon«Оптимизация территориальных основ местного самоуправления в контексте...

Современные проблемы и перспективы развития сварочной технологии, техники и науки iconМастер – класс «Современные технологии управления персоналом»
Современные технологии управления персоналом – комплекс специальных методов и приемов эффективного использования человеческих ресурсов....
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница