CC BY
1
УДК 621.79.01
ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ СВАРОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
О.В. Щербина*, А.И. Лапков, Н С. Плеханов Научный руководитель - В.В. Богданов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail*: olg_307@mail.ru
Рассмотрены общие основы функционально-ориентированных сварочных технологий. Они базируются на основных особенностях и принципах синтеза комбинированных технологий. Применение этих принципов рационально при разработке технологических процессов производства ответственных сварных конструкций. Такие технологии относятся к новому организационно-технологическому классу. На базе этих технологий обеспечивается качественно новая совокупность свойств изделий.
Ключевые слова: функционально-ориентированная технология, технологический процесс, сварка, сварная конструкция, конструкторско-технологические решения.
FUNCTION-ORIENTED WELDING TECHNOLOGIES
О. V. Shcherbina*, A.I. Lapkov, N.S. Plekhanov Scientific supervisor - V.V. Bogdanov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail*: olg_307@mail.ru
The general principles of functionally oriented welding technologies are considered. They are based on the main features and principles of the synthesis of combined technologies. The application of these principles is rational in the development of technological processes for the production of critical welded structures. Such technologies belong to a new organizational and technological class. Based on these technologies, a qualitatively new set of product properties is provided.
Keywords: function-oriented technology, technological process, welding, welded structure, design and technological solutions.
С развитием современного машиностроительного производства постоянно повышаются требования к качеству и эксплуатационным характеристикам изготавливаемых технических систем и изделий, в т.ч. сварных конструкций. Следовательно, машиностроительная продукция постоянно совершенствуется, при этом качество данной продукции должно отвечать самым высоким требованиям и стандартам. Для поддержания данного тренда необходимо постоянно генерировать новые конструкторско-технологические решения и обеспечивать высочайший технический уровень производства.
Обычно в современных машиностроительных конструкциях и технических системах каждая деталь и сборочная единица реализуют целый комплекс разнообразных по назначению функций, при этом они обладают абсолютно определенным набором эксплуатационных характеристик. На этапе производства процесс изготовления изделия
направлен на обеспечение полного комплекса заданных функций и параметров, свойственных для конкретного изделия. Довольно ярко это выражено на этапах сборки, сварки, контроля и испытаний сварных конструкций и изделий. Применение единых технико-технологических решений при производстве трудоемких машиностроительных изделий, в большинстве случаев не целесообразно, как с точки зрения производительности труда и материальных затрат, так и с точки зрения получения изделий заданного высокого качества.
При эксплуатации изделий, изготовленных по такой схеме, может возникнуть эффект не равномерных изменений свойств и характеристик различных его элементов, в зависимости от времени и условий работы изделия, так как в подобных элементах влияют разные по виду и параметрам функции. Для ответственных сварных конструкций это совершенно не допустимо, так как при этом теряется функциональная устойчивость, и снижаются эксплуатационные характеристики изделия.
Физико-химические, термодинамические и микрометаллургические процессы, протекающие при сварке металлов, в подавляющем большинстве случаев связаны с преобразованием различных типов и видов энергии в тепловую энергию. Теплота, переданная источниками энергии свариваемому телу, распространяется в нем, подчиняясь законам теплопроводности. Свойства околошовной зоны и металла шва, значительно зависят от температурного и термомеханического циклов. Формирование сварного соединения приводит к пластическим деформациям металла и возникновению собственных напряжений, которые также влияют на свойства сварных швов.
Условия протекания термических процессов в металле шва и в околошовной зоне, оказывают критическое влияние на развитие кристаллизации сварного шва и структурные превращения, а так же формирование и развитие термодеформационных нагрузок и напряжений, что в конечном итоге оказывает значительное влияние на качество сварной конструкции.
Увеличение номенклатуры сварочных и свариваемых материалов, расширение областей применения сварочных технологий, повышение требований к прочности и долговечности сварных конструкций требует новых научно-технических и конструкторско-технологических подходов в создании и разработке функционально-ориентированных сварочных технологий. В связи с этим, необходимо более тщательно и тонко разрабатывать и применять специальные сварочные технологии, технологические воздействия которых топологически точно должны быть ориентированы только на зоны сварной конструкции, где действуют отличные друг от друга функциональные характеристики и нагрузки. Причем подобные воздействия необходимо выполнять на всех этапах комплексного технологического процесса, начиная от заготовительных операций до окончательной сдачи изделия, так как технологическая наследственность особенностей воздействий и параметров на каждом этапе изготовления конструкции может привести при эксплуатации изделия к серьезным отклонениям от заданных параметров.
Функционально-ориентированная технология - это специальная наукоемкая технология, базирующаяся на функционально-ориентированном технологическом процессе и обеспечении, которые позволяют ориентировать технологические воздействия и управлять свойствами изделия при изготовлении в зависимости от функциональных особенностей его эксплуатации в технической системе, выполняемые на основе группы особых принципов ориентации по уровням глубины технологии.
К основным достоинствам функционально-ориентированных технологий изготовления изделий можно отнести следующее:
- повышаются технико-экономические показатели эксплуатации изделий;
- обеспечивается возможность реализации полного потенциала возможностей изделий при эксплуатации;
- создаются возможности обеспечения равной долговечности и качества эксплуатации всех элементов изделия в целом;
- снижаются трудовые затраты по изготовлению изделий;
- уменьшается себестоимость производства изделий [1].
Признаками функционально-ориентированной технологии, несомненно, обладает электронно-лучевая сварка (ЭЛС), позволяющая сваривать за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 до 400 мм. Вакуум исключает загрязнение металла вредными газами. Малый объем литого металла и кратковременность теплового воздействия при ЭЛС обеспечивают незначительные термические деформации соединяемых деталей, во многих случаях не превышающие допусков на механическую обработку. Импульсный режим сварки, при котором тепловложение дополнительно регулируется частотой и длительностью сварочных импульсов, широко применяется при сварке стыков, расположенных вблизи от спаев металла со стеклом или керамикой, при герметизации изделий электронной техники и приборостроительной промышленности, тепловыделяющих элементов атомных реакторов и т.п. Отклонение потока электронов в магнитном или электрическом поле осуществляется практически безынерционно. Это дает возможность перемещать пучок по поверхности свариваемой детали с помощью электромагнитной отклоняющей системы по прямой линии, окружности, прямоугольнику или другому сложному контуру [2].
Так же можно отнести к функционально-ориентированной технологии импульсно-дуговую сварку в среде защитных газов (MIG/MAG). Данный способ сварки позволяет реализовать управление сварочной дугой и ее свойствами, что необходимо для повышения стабильности горения дуги и получения направленного переноса электродного металла в сварочную ванну. Это особенно актуально при сварке в положениях, отличных от нижнего, а также воздействия на процессы, протекающие в сварочной ванне и околошовной зоне (управление первичной кристаллизацией металла шва и термическим циклом в околошовной зоне).
Импульсные процессы при сварке можно разделить следующим образом.
1. Сварка модулированным током. С целью удержания сварочной ванны в пространственных положениях, отличных от нижнего, сварочный ток необходимо снижать, а для обеспечения требуемых сварочно-технологических свойств электрода ток должен быть значительно больше величины, обеспечивающей удержание сварочной ванны.
Выполнение указанных противоречивых требований возможно методами импульсной модуляции сварочного тока. По сравнению со сваркой стационарной дугой, сварка модулированным током имеет ряд основных преимуществ: это улучшение формирования шва во всех пространственных положениях, повышение механических свойств сварных соединений, улучшение дегазации сварочной ванны, снижение сварочных деформаций и др.
2. Сварка пульсирующей дугой. Сварка пульсирующей дугой представляет собой специализированный процесс сварки со струйным переносом металла. При горении пульсирующей дуги в инертных газах может наблюдаться очень мелкокапельный (струйный) перенос электродного металла. Изменение характера переноса электродного металла с капельного на струйный происходит при увеличении сварочного тока до "критического" или же при подаче импульсного напряжения. Геометрия сварного шва и глубина провара регулируется при этом процессе очень хорошо. Импульсы высокого напряжения быстро обеспечивают глубину расплавления основного металла, но не вызывают интенсивного разогрева материала. Импульсная дуга увеличивает глубину проплавления, при этом, не повышая температуру зоны сварки. Скорость сварки при этом падает на 20 - 40%, а частота следования импульсов может достигать 1 кГц.
3. Импульсно-дуговая сварка. Технология SpeedPulse объединяет преимущества импульсной дуги и скорость струйного переноса электродного металла. При этом обеспечивается уменьшенное тепловложение, улучшенный провар и четкое формирование
шва. Отличие от традиционного импульсного процесса заключается в том, что во время пауз между импульсами на долю миллисекунды включается струйный процесс сварки, тем самым перенос электродного металла происходит и между импульсами.
Особенностями технологии БрееёРи^е являются высокая скорость сварочного процесса (увеличение составляет до 40-45%) и резкое снижение удельного тепловложения.
Сварочный процесс БТТ является усовершенствованием традиционного процесса М1О/МЛО с переносом электродного металла короткими замыканиями. Однако БТТ принципиально отличается от него возможностью прямого управления условиями переноса в сварочную ванну металла.
4. Сварка "холодной" дугой. Это вариант усовершенствованного МЮ/МЛО процесса, называемый СоЫЛгс относится к сварке короткой дугой и поэтому характеризуется циклической сменой дуг и фаз короткого замыкания. Поскольку электрическое напряжение при зажигании является решающим критерием эффективности сварки тонких листов, то оно оказывает большое влияние на динамику подвода энергии всего процесса, то есть на фазу дуги, фазу короткого замыкания и, в первую очередь, на зажигание дуги. Характер изменения напряжения идентичен изменению при обычной сварке короткой дугой. Напряжение является задающим параметром при регулировке силы тока.
Благодаря импульсу после каждого короткого замыкания на конце электродной проволоки образуется большая капля расплавленного металла, что ведет к плавному протеканию процесса и возможности работать в фазах между замыканиями с низкой силой сварочного тока, не прибегая к последующему плавлению проволоки или гашению дуги [3].
Применение функционально-ориентированных сварочных технологий при производстве особо ответственных изделий машиностроения позволяет максимально повысить их эксплуатационные свойства и параметры за счет местного улучшения технических характеристик и функциональных возможностей отдельных деталей, элементов, и модулей изделия в зависимости от функциональных особенностей их эксплуатации. При этом изделия машиностроения, изготавливаемые с применением таких технологий, по своим параметрам полностью соответствуют специфики эксплуатации и вырабатывают весь эксплуатационный ресурс возможностей, указанный в конструкторско-технической документации. Следует отметить, что функционально-ориентированные технологии могут усложнять процесс изготовления изделий, но при этом обеспечивают качественно новую совокупность свойств и эксплуатационных характеристик машиностроительной продукции. Это дает возможность существенно повысить технико-экономические и ресурсные показатели сложных технических систем.
Библиографические ссылки
1. Михайлов, А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения / А.Н. Михайлов. - Донецк: Изд-во ДонНТУ, 2009. - 346 с.
2. Назаренко, О.К. Схемотехника управления током сварочного пучка электронов / О. К. Назаренко. - Киев: Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, 2013. — 56 стр.
3. Крампит, А.Г. Современные способы импульсно-дуговой М1О/МЛО сварки / Крампит А.Г., Зернин Е.А., Крампит М.А. //Технологии и материалы. - 2015. - № 1. - С. 4-11.
© Щербина О.В., Лапков А.И., Плеханов Н.С., 2022
