Инновационные технологии сварочного производства для работы в Арктике

До конца 19 века все способы получения неразъемных соединений металлов сводились к кузнечному и литейному видам производства. Данные производства были весьма ограничены технологически, соединения, полученные таким образом не обладали требуемыми конструкционными свойствами. Сварные соединения, как правило, заменялись болтовыми или заклепочными.

Открытие электричества произвело революцию во многих отраслях промышленности. В 1802 году российский ученый Василий Владимирович Петров смог получить электрическую дугу между двумя угольными электродами и предложил использовать полученную технологию для мгновенного расплавления металлов с последующим их соединением. Это и было истоком той сварочной технологии, которая существует сегодня. Однако в то время к такой идее отнеслись скептически, и она была забыта до конца столетия.

Лишь спустя 80 лет русский инженер Николай Николаевич Бенардос актуализировал разработки Петрова и всерьез взялся за развитие способа электрической дуговой сварки, ставшего прародителем современной сварочной технологии. В 1882 году он получил первое сварное соединение с помощью электрической дуги.

В 1888 году другой выдающийся русский инженер, Николай Гаврилович Славянов, модернизировал способ сварки Бенардоса, взяв вместо угольного плавящийся металлический электрод. Также Славянов первым начал применять флюс для защиты сварочной ванны и улучшения характеристик сварочного шва. В таком виде принципиально сварочное производство электрической дуговой сваркой не изменилось до сих пор.

Модернизировалась сварка главным образом в применении других, более качественных сварочных материалов, в теоретических расчетах сварочных режимов, изменении оснастки и конструкций сварочных агрегатов. Нельзя не отметить достижения советского академика Евгения Оскаровича Патона, который сначала создал лабораторию, а затем первый в мире институт электросварки, из стен которого вышли новые способы сварки – порошковыми материалами, плазменная, контактная, электрошлаковая, сварка под водой, в космосе и многие другие.

По поводу подводной сварки стоит сказать, что это тоже целиком разработка советских ученых. По итогам разработок академика Константин Константиновича Хренова (в частности, метод «мокрой сварки», специальные электроды для сварки под водой) в 1936 году метод подводной сварки был успешно применен на практике в первый раз в мировой истории.

Вместе с этим появлялись новые виды сварки – газовая, плазменная, лазерная, электрошлаковая, контактная, электронно-лучевая, диффузионная, высокочастотная и другие. В целом отечественная наука внесла значительный вклад в теорию и практику сварки, что подробно изложено в работах [3, 4, 5].

Очередную промышленную революцию, последствия которой не могли не отразиться на сварочном производстве, произвело изобретение микропроцессоров и развитие электроники. Благодаря новым технологиям удалось значительно расширить возможности сварочного производства. Подверглись модернизации процессы самого возбуждения и поддержания горения дуги, увеличился спектр и точность регулировки сварочных режимов. Также благодаря развитию автоматизации появились сварочные комплексы и сварочные автоматизированные линии, оснащенные роботизированными сварочными установками.

Среди специалистов в области материаловедения, особенно в тяжелых отраслях промышленности, есть четкое понимание, что в обозримом будущем металлы по-прежнему будут играть значительную роль для производства машин, оборудования, конструкционных материалов. В то же время технологии Четвертой промышленной революции, такие как композитные материалы, наноматериалы, 3D-печать, а также их различные сочетания (в том числе при снижении себестоимости), будут представлять определенный вызов для специалистов уже в ближайшее время.

С учетом специфики нефтегазовых проектов, а также намеченного тренда на развитие проектов в Арктическом регионе и Восточной Сибири, важным «заказчиком» развития требований к оборудованию и материалам являются суровые климатические условия. Для сохранения своей конструкционной надежности материалы должны быть хладостойкого исполнения, обладающими коррозионной устойчивостью и способностью сопротивляться циклическим нагрузкам при отрицательных температурах и многократных переходах через температурный «ноль» [6].

Помимо материалов, особые требования предъявляются к сварным соединениям и сварочным работам. При сварке в условиях отрицательных температур, характерных для Крайнего Севера, изменяются условия горения сварочной дуги, увеличивается скорость остывания сварочной ванны, в ней значительно замедляются диффузионные процессы.

Отрицательные температуры также негативно влияют на прочность сварного соединения. Увеличение скорости остывания зоны термического влияния приводит к образованию закалочных структур и повышению критической температуры хрупкости материала в этой зоне.

В целом для развития инновационных технологий сварочного производства необходима комплексная взвешенная политика, которая была бы направлена на решение следующих задач:

• разработка и применение нового поколения сварочных технологий;

• разработка и внедрение новых методов диагностики сварных соединений;

• разработка и применение новых источников питания;

• разработка и внедрение средств цифровизации и роботизации в области сварки.

Авторы отмечают следующие, на их взгляд, особо заметные направления развития в рассматриваемой области с учетом происходящих изменений, вызванных Четвертой промышленной революцией.

Одним из конструкционных материалов могут являться аустенитно-ферритные (дуплексные) стали. В результате того, что структура такой стали состоит из двух фаз, они обладают высокой прочностью и коррозионной стойкостью. На данный момент основной объем таких сталей импортируются, однако потребность в таких материалах может быть повышена при освоении подводных месторождений нефти и газа.

Дуплексные стали характеризуются высоким сопротивлением разрушению и теряют способность сопротивляться разрушению при более низких температурах, нежели стали с однофазной структурой. Обладают хорошей свариваемостью и способностью к механической обработке.

При этом стоимость таких сталей ниже, чем, например, у легированных сталей аустенитного класса, ввиду высокой стоимости самих легирующих элементов. При этом дуплексные стали нечувствительны к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Все большее внимание завоевывают другие конструкционные материалы – полимеры, композиты. Обладая рядом преимуществ (так, некоторые типы композитов – волокнистые, слоистые, упрочненные – могут заменить сварочные технологии), новые композитные материалы на основе полимеров или в сочетании с металлами или биметаллами потенциально могут обладать куда более существенными прочностными и качественными характеристиками. При этом также будет происходить расширение производства высокопрочных и легированных сталей, соответствующих требованиям по улучшению свариваемости и прочностным механическим свойствам.

В качестве инновационных материалов рассматриваются различные би- и триметаллы, наноструктурированные стали и сплавы, сочетание (построение композиций) металлов и неметаллов. Зачастую такие композиции, оснащенные современными средствами автоматизации и интегрированные с цифровыми моделями на жизненном цикле всей конструкции, называют «интеллектуальными вставками» или «интеллектуальными материалами». Данное направление обладает существенным потенциалом развития, особенно в области синтезирования указанных выше материалов для получения образцов с заданными свойствами, превышающих аналогичные материалы, изготовленные традиционными способами. Так, принято считать, что, несмотря на пока относительно высокую стоимость, замена традиционных сталей или алюминиевых сплавов на инновационные композитные может дать увеличение предела прочности на 50–100 % при сокращении массы конструкции до 50 %.

Читать полностью