5 (1016819), страница 3
Текст из файла (страница 3)
К приоритетному направлению в разработке конкретных сварочных технологий отнесено компьютерное моделирование процесса сварки и образования сварного соединения. Такой современный методический подход позволит создать системы выбора оптимальных сварочных параметров, оперативного управления процессом и активного контроля. Особенно в этом нуждаются контактная точечная сварка и TIG-процесс. Не менее сложна и проблема моделирования капельного переноса металла в сварочной дуге в зависимости от химического состава проволоки, состава защитной среды и формы кривой сварочного тока. Также актуальна задача электронного моделирования и имитирования процессов в ванне жидкого металла и ее последующего затвердевания при ЭДС, ЭЛС и ЛС.
Специалистами отмечена необходимость комплексного подхода к выбору и отработке технологии сварки плавлением, включающего подбор оптимальной комбинации основного и присадочного материалов, состава защитных газов или их смеси, экономичного источника питания и эффективной системы управления процессом образования соединения.
В области автоматизации сварочного производства Япония продолжает курс на роботизацию сварки и родственных технологий как в крупномасштабном производстве (автомобиле-, судостроение и др.), так и в условиях средних и малых предприятий. Растет конструктивное разнообразие роботов и расширяется их технологическая функциональность. Предстоит создание роботизированных поточных линий, комплексов и сварочных ячеек. Начата замена сварочных роботов первых поколений на более прогрессивные, типа ROBUDEX-2Q00, оснащенных сверхсовременным программным обеспечением, сенсорами, системой самообучения и обладающих большой производительностью. В ближайшей перспективе парк роботов должен пополниться роботами, управляемыми голосом оператора и способных к аналитической оценке хода технологического процесса.
Большинство специалистов по сварке отводят определяющую роль компьютеризации в научных исследованиях на всех этапах сварочного производства. Есть основания полагать, что в XXI в. большая часть научных и производственных проблем может быть решена на основе соответствующих компьютерных моделей. Этому должно способствовать создание универсального программного обеспечения и умение извлекать из сети Internet необходимые БД и другую информацию.
Конечная цель моделирования направлена на сокращение трудовых затрат при исследованиях и при разработке сварочных технологий и материалов. С повышением уровней модели, как правило, сокращается объем необходимых теоретических и экспериментальных исследований. Утверждается, что как моделирование технологического процесса, так и проектирование сварочных материалов и сварных конструкций, независимо от характера и параметров объекта моделирования, будут основываться на применении нейронных сетей.
5.4. 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).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
