5 (1016819), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

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.

5.5. СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НОВОГО ТЫСЯЧЕЛЕТИЯ

Фирма ESAB—один из признанных мировых производителей сва­рочной техники. Ведущие специалисты фирмы Л. Э. Свенссон и Дж. Элвандер, изучая динамику потребления сварочных материалов за период 1975-1996 гг. странами Западной Европы, США и Япони­ей и направления научных разработок в данной области, делают про­гноз о развитии отрасли сварочных материалов в XXI в.

Мероприятия по совершенствованию сварочного производства можно условно разделить на три основные группы:

- совершенствование сварных конструкций;

- разработка новых и совершенствование известных сварочных процессов;

- разработка новых сварочных материалов. При производстве сварочных материалов можно выделить следу­ющие направления:

- повышение прочности и ударной вязкости при требуемой кор­розионной стойкости для сталей новых типов;

- сохранение высокой ударной вязкости при высоких температу­рах у сталей, использующихся в жестких условиях окружающей сре­ды, для поддержания прочности и вязкости швов, наплавленных с помощью высокопроизводительных процессов.

Большие преимущества свариваемости конструкционных сталей появились при использовании термомеханических (ТМ) процессов обработки сталей в начале 1980-х годов. По сравнению с традиционными нормализованными сталями новые стали имеют меньшее количество легирующих элементов при том же пределе те­кучести. Содержание углерода в ТМ-сталях ниже, прочность повы­шается за счет мелкозернистости и повышенной плотности дислока­ций. Иногда применяется ускоренное охлаждение, дающее допол­нительную прочность. Наряду с низким содержанием углерода каче­ство стали было значительно улучшено в результате снижения со­держания фосфора и серы.

Расширяется использование сталей с повышенным уровнем проч­ности. Преимущества здесь очевидны: возможность снизить массу изделий и увеличить уровень предельных нагрузок. Жесткость и ус­талостная прочность являются основными критериями при про­ектировании конструкций.

Стали повышенной прочности находят широкое применение в раз­личных отраслях промышленности. В некоторых современных кон­струкциях мостов использовались ТМ-стали с пределом текучести от 420 до 460 МПа, например мост Great Belt в Германии, который строился в середине 90-х годов. Часть моста выполнена в форме стальной навесной конструкции массой около 80000 т. Половина кон­струкций моста изготовлены из ТМ-стали с пределом текучести

520 МПа.

Еще одним примером применения высокопрочных QT-сталей яв­ляется конструкция самого большого в мире навесного моста Akashi в Японии длиной 1990 м. Построение этого моста было закончено в 1997 г., и мост сейчас эксплуатируется. В балках коробчатого сече­ния моста массой в сотни тонн использованы высокопрочные стали НТ780 с пределом текучести более 780 МПа. Интересно обратить внимание на то, что необходимая температура предварительного по­догрева при сварке этих сталей не превышает 50 °С. Высокая их проч­ность обеспечивается за счет специальной технологии сварки и тер­мообработки.

Стали с пределом текучести около 500 МПа используются в стан­дартных несущих стальных конструкциях, оборудовании для экскаваторов, трубопроводах, грузоподъемном оборудовании, в конст­рукциях кровли шахт и, конечно, в конструкциях, работающих в воде. Высокопрочные стали с пределом текучести 690 МПа использу­ются для трейлеров, перевозящих тяжелые грузы, в кранах с высо­кой несущей способностью, тележках. Стали с пределом текучести 900 МПа и выше обычно используются в конвейерных системах, мостах, турбинах.

Стали, которые традиционно используются при высоких темпе­ратурах в таких областях, как нефтехимическая промышленность или энергетика, могут быть разделены на две группы. Одна группа, обо­значенная в стандарте EN 10 028-02 Steel — стали, работающие под давлением. Они являются основой в производстве жаростойких дви­гательных установок.

Широкое распространение получили стали с повышенным содер­жанием легирующих элементов. В этой группе сталь 12Сг-1Мо име­ет самое высокое содержание легирующих элементов. Однако наи­больший интерес сейчас вызывают стали с 9 % Сг и 1 % Мо. Ожида­ется, что если использование сталей с 9 % Сг в нефтехимической промышленности будет возрастать, то это станет одной из перспек­тивных областей разработок сварочных материалов в последующие годы. Сварочные материалы для сварки модифицированных сталей 9Сг-1Мо пока только разрабатываются.

Использование коррозионно-стойких сталей возросло во всем мире, и этот рост, как ожидается, будет продолжаться. При этом со­вершенствуется состав сталей и улучшаются их характеристики. Одна из важных движущих сил развития новых коррозионно-стой­ких сталей — необходимость улучшения их характеристик при эксплуатации в хлоридсодержащих средах. Такие жесткие условия работы вызывают питтинг и коррозионное растрескивание под на­грузкой. Стали этих типов сейчас очень широко используются в не­фтяной и газовой промышленности, целлюлозной и бумажной про­мышленности и в других отраслях, например при изготовлении тан­керов для перевозки химикатов. Сварка сталей такого типа хорошо изучена, разработаны сварочные материалы для различных спосо­бов сварки.

Наиболее популярный способ сварки коррозионно-стойких ста­лей - ручная дуговая сварка плавящимся электродом, а также полу автоматическая аргонодуговая сварка (MIG), использующая прово­локу сплошного сечения. Однако при использовании проволоки сплошного сечения существует повышенный риск образования де­фектов сварки, таких как непровар. Порошковая проволока, которая недавно была разработана для многих общих типов коррозионно-стойких сталей, существенно улучшает эту ситуацию. Производи­тельность процесса возросла приблизительно на 30 %, а разбрызги­вание значительно снизилось.

Алюминий находит все более широкое применение в боль­шинстве инженерных проектов. Новые высокоскоростные суда типа Stena Line, курсирующие между Швецией и Данией и пересекаю­щие Ирландское море, -хороший пример использования алюминия, который позволяет снизить массу конструкции, увеличить грузо­подъемность, повысить скорости передвижения. Однако исполь­зование алюминия вызывает необходимость видоизменения конст­рукции судов.

Преимущества алюминия как конструкционного материала оче­видны: это легкий и в то же время сравнительно прочный материал с относительно хорошей коррозионной стойкостью. Кроме того, он экологически благоприятен и регенерируем. Но существуют некото­рые недостатки алюминия: пониженная жёсткость, большие дефор­мации при сварке и необходимость правки конструкций; значитель­ные потери прочности в ЗТВ. Кроме того, для производства алюми­ния требуется большое количество энергии.

В настоящее время принципиальные технические проблемы при сварке алюминия следующие:

- кристаллизационные трещины в наплавленном металле;

- ликвация трещин в ЗТВ;

- образование пор;

- снижение прочности в ЗТВ.

Имеются все необходимые предпосылки для решения в будущем данных технических проблем.

Алюминий хорошо сваривается при использовании MIG (дуговая сварка в среде инертных газов плавящимся электродом) или TIG (ду­говая сварка в среде инертных газов неплавящимся вольфрамовым электродом). Существует широкий диапазон сварочных материалов для сварки алюминия, даже чистого алюминия, или твердосплавных упрочняемых сплавов. Однако разработки сплавов для сварочных проволок идут относительно медленно, вероятно, это зависит от спро­са рынка.

В целом можно отметить следующие основные тенден­ции в разработке сварочных материалов:

— разработка порошковых проволок для конструкционных и кор­розионно-стойких сталей;

— разработка материалов с улучшенными характеристиками теп­лоустойчивости и коррозион нестойкости;

— разработка материалов с низким содержанием водорода.

Характеристики

Список файлов лекций