В рамках выставки WELDEX выставочной компанией IT и Московским межотраслевым альянсом главных сварщиков (ММАГС) был организован новый конкурс на лучший инновационный проект в области сварки и родственных технологий 2022–2023 года. В нем приняли участие пять нацеленных на прогресс в области сварки предприятий. Осваивая уникальные компетенции, они помогают самим себе, своим заказчикам увеличивать производительность труда на сварочных участках, повышать качество и в корне менять культуру современного сварочного производства. Представленная информация заслуживает особого внимания.

 

 

Анатолий Владимирович Люшинский, ООО «Авиационно-­космические технологии» (г. Москва), представил работу «Исследования и разработка технологий диффузионной сварки разнородных материалов». Компания в 2017 году была зарегистрирована как резидент «Сколково» для того, чтобы продолжить развитие данного высокотехнологичного направления, разработанного еще в Советском Союзе, где существовала проблемная научно-­исследовательская лаборатория диффузионной сварки (ПНИЛДСВ), основателем которой являлся Николай Федотович Казаков, автор и разработчик, изобретатель этого метода соединения материалов. К сожалению, эта лаборатория перестала существовать. Во многих институтах и научно-­исследовательских организациях это направление также перестало развиваться. Связано это с тем, что диффузионная сварка в вакууме требует для реализации дорогостоящего оборудования, а также очень много усилий и знаний в области металловедения, металлографии, физики твердого тела, порошковой металлургии и так далее.

 

Диффузионная сварка — процесс соединения материалов, в основном в вакууме, а также в защитной среде при определенных параметрах температуры, давления и времени сварки. Если приходится соединять разнородные материалы, такие как, например, монокристалл кремния с медью или стекло с металлом, то здесь возникают еще два параметра, которые важны при реализации технологии. Это скорости нагрева и охлаждения.

 

Принципиальная схема проста. В вакуумной камере находится рабочий стол, на котором размещаются детали под сварку, существует нагреватель детали, система измерения температуры, система нагружения деталей, и, в принципе, процесс может быть реализован.
Технология диффузионной сварки может быть выполнена в двух направлениях. Непосредственно соединение двух или нескольких материалов без промежуточных слоев, при одном условии — что эти соединяемые материалы не образуют между собой хрупкие интерметаллиды, иначе сварное соединение будет разрушаться. Второе направление, используемое в 90% случаев, — это применение промежуточных слоев (промежуточных прокладок). В качестве прокладок используются гальванические слои, напыленные, металлические фольги и порошковые материалы. Применение таких промежуточных слоев как раз и позволяет достичь преимуществ: снизить химическую неоднородность в зоне соединения, снизить остаточное напряжение в сварном шве и, наконец, исключить влияние различия в коэффициентах термического расширения, предотвратить макропластические деформации материалов, а самое главное — ряд промежуточных слоев, особенно на основе порошков, позволяет снизить основные параметры процессов сварки: температуру, давление, время процесса.

 

В этом направлении, которым коллектив компании занимается уже не один десяток лет, было выполнено много работ. Производилась не просто разработка технологии соединения тех или иных материалов, но и проводились исследования, которые позволили оценить качество с точки зрения металлургических процессов, происходящих в сварном шве, с точки зрения прочностных свой­ств, с точки зрения обеспечения герметичности и вакуум-­плотности сварных соединений. Эти работы выполнялись для авиации, для космических систем, для атомной и электротехнической промышленности. Причем электротехническая промышленность — это в основном соединение металлических материалов с неметаллическими материалами.

 

Из тех промежуточных слоев, которые можно использовать, наиболее активными являются порошки металлов. В этом направлении были разработаны технологии получения ультрадисперсных высокоактивных никелевых порошков, которые позволяют снизить основные параметры диффузионной сварки.

 

Например, существуют магнитные системы авиационных приборов, состоящие из двух материалов: постоянный магнит и магнитопроводы. Соединить их по классической технологии без применения промежуточных слоев практически невозможно, потому что процесс реализуется при температуре выше точки Кюри, а у большинства постоянных магнитов точка Кюри в районе 700 градусов Цельсия. Если процесс реализовать ниже этой температуры, то качество сварки будет практически нулевое. Применение порошковых промежуточных слоев обеспечивает получение равнопрочного сварного соединения при температурах порядка 530–550 градусов Цельсия. Разрушение такого соединения происходит по постоянному магниту. Это говорит о высоком качестве соединения.
Ещё пример — это соединение алюминия с медью, которое различными видами сварки плавлением очень сложно осуществить (рис. 1). Есть только две разновидности твердофазного соединения. Это диффузионная сварка и сварка взрывом. Так как сварка взрывом — это более экзотичный метод соединения, то при соединении этих материалов нашла применение диффузионная сварка.

 

Рис. 1. Диффузионная сварка Cu+Al16

 

Другие достижения:
— Соединение монокристалла кремния с медью при большой разнице в коэффициентах термического расширения.
— Создание образцов соединения жаропрочного сплава ВЖЛ12У и конструкционной стали 13Х11Н2В2МФ для авиационного двигателестроения.
— Соединение титановых сплавов (рис. 2). Сварщики знают, что к сварке титановых сплавов всегда надо подходить очень ответственно, очень внимательно, очень осторожно.
— Диффузионная сварка жаропрочного сплава ЭП8066 и композита карбонитрид титана. Соединение на уровне прочности композита.
— Самое сложное соединение — соединение титанового сплава с никелевым сплавом ЭП741 (рис. 3).
— Диффузионная сварка жаропрочных сплавов ЖС‑32.
— Диффузионная сварка вакуумной керамики с никелевым сплавом 29НК.
— Соединение монокристалла кремния со стеклом (рис. 4) и др.

 

Рис. 2.  Диффузионная сварка VTi3+VTi3 

Рис. 3. Диффузионная сварка ВТ8‑1 + ЭП 741

Рис. 4. Диффузионная сварка монокристалла кремния со стеклом

 

Ведутся работы с Академией наук по созданию соединения палладиевой фольги с нержавеющей сталью для водородной энергетики.
То оборудование, на котором осуществляются работы, создано еще при жизни Н.Ф. Казакова. Разработано новое поколение оборудования с использованием промышленных компьютеров (рис. 5), позволяющих задавать и автоматически контролировать параметры процесса. Установка карусельного типа и отличается наличием трех камер. 

 

Рис. 5. Установка диффузионной сварки
 

 

 

Дмитрий Сергеевич Загребин, главный сварщик ООО «Вятское машиностроительное предприятие «Лазерная техника и технологии» (г. Киров), представило проект по теме «Гибридная технология лазерно-дуговой наплавки», выполненный на основе собственных разработок компании.

 

 

ООО «Вятское машиностроительное предприятие» уже более 20 лет занимается разработкой новейших технологий под различные задачи. Например, предприятием разрабатывались технологии лазерной сварки алюминиевых сплавов больших толщин 3–5 миллиметров, сварка стали с высоким углеродным эквивалентом, сварки трубных досок из титановых сплавов ВТ4. Одно из направлений деятельности — восстановление изношенных деталей машин. Для «Газпрома», например, восстанавливали вал нагнетателя газоперекачивающего агрегата, имеется большой кейс по восстановлению роторов, электрических двигателей, насосов и прочего оборудования для теплоэнергоцентралей, осуществлялась прецизионная наплавка лопаток авиационных турбин. Упрочнялись различные поверхности, резьбы, в том числе насосно-­компрессорных труб.

 

В целом в настоящее время разработано достаточно большое количество технологий, которые позволяют как восстанавливать изношенные детали с целью добиться определенных геометрических размеров, так и при изготовлении новых деталей добиться ­каких-то заданных служебных свой­ств поверхностного слоя. Технологии наплавки концентрированными источниками энергии — это хорошо известные электрическая дуга, газопламенная, индукционная. Не так давно разработали лазерную технологию, которая дала некий новый виток в совершенствовании процесса.

 

Каждая из существующих технологий имеет, естественно, свои преимущества и недостатки. Поэтому при выборе той или иной технологии для той или иной задачи, по мнению компании, необходимо провести некий сравнительный экономический анализ с целью понять, какая технология будет применяться более эффективно и целесообразно.

 

Какими наиболее понятными и простыми критериями необходимо пользоваться при выборе? Это технические, технологические, экономические и экологические критерии и критерии технологической воспроизводимости процесса наплавки.

 

К техническим критериям относятся: возможность механизации, автоматизации, роботизации процесса, чтобы исключить влияние человека, человеческого фактора на процесс, возможность интеграции оборудования в технологическую цепь на заводе или на производстве, сложность технического оборудования. Технологические критерии: производительность процесса, глубина проплавления, значение коэффициента перемешивания, тепловложение в наплавляемую деталь, которые влияют соответственно уже на деформации и прочее, получение заданных свой­ств, качество наплавленного слоя, припуски на обработку, энергоемкость процесса. К экономическим, естественно, относятся критерии: значение стоимости 1 кВт мощности энергоносителя, значение технологической себестоимости наплавки 1 кг металла, период окупаемости оборудования. К экологическим: экологическая безопасность, утилизация технических отходов. Также есть критерии технологической воспроизводимости — сохранение технических характеристик наплавленного слоя в поле допуска в процессе наплавки, т. е. именно по сечению наплавленного слоя, чтобы свой­ства, химический состав были одинаковыми независимо от величины наплавленного слоя.

 

Сейчас постепенно развитые страны переходят на лазерную наплавку, которая вытесняет традиционные альтернативные способы наплавки, потому что имеет преимущества, такие как: низкие тепловложения в детали, высокое качество наплавленного слоя, возможность получить заданные служебные свой­ства наплавленного слоя уже в первом проходе, в первой дорожке при толщине слоя от несколько сот микрон до нескольких миллиметров. Минимальное тепловлажение значит и исключение деформации. Но тем не менее есть и недостатки. К недостаткам лазерной наплавки относится высокая стоимость лазерного оборудования, что увеличивает и себестоимость процесса лазерной наплавки. И плюс производительность лазерной наплавки на один киловатт мощности, конечно, тоже уступает дуговым источникам.

 

В таблице 1 показано сравнение различных технологий наплавки.

 

Решение объединить, интегрировать во времени и в пространстве два источника: лазер и электрическую дугу — позволяет получить все преимущества (рис. 6), которые характерны для лазерной наплавки, такие как высокое качество наплавленного слоя, минимальные зоны термического влияния (рис. 7), минимальные деформации, но при этом снизить технологическую себестоимость, увеличить производительность процесса, а также за счет снижения жесткости термического цикла обеспечить за один проход при толщине слоя в несколько миллиметров наплавленный слой с твердостью более 60 единиц по Роквеллу, что в принципе невозможно добиться отдельно ни дугой, ни лазером.

 

Рис. 6. Роботизированная установка гибридной наплавки. Фото: ООО «Вятское машиностроительное предприятие»

Рис. 7. Металлографическое исследование наплавленного слоя при дуговой и гибридной наплавке. Фото: ООО «Вятское машиностроительное предприятие»

 

Экономический эффект представлен в таблице 2. Для той или иной задачи цифры будут разные, но тенденции понятны: снижение технологической себестоимости процесса, повышение производительности и повышение качества наплавленного слоя.

 

Таким образом:
1. Гибридная технология лазерно-­дуговой наплавки сохраняет все преимущества технологии лазерной наплавки, позволяет повысить производительность до уровня электродуговой наплавки плавящимся электродом, повысить технологическую прочность наплавленного слоя, снизить технологическую себестоимость процесса лазерной наплавки, сделав ее конкурентоспособной по сравнению с альтернативными технологиями.
2. Гибридная технология лазерно-­дуговой наплавки открывает возможность создания компактных мобильных лазерных технологических комплексов, в том числе роботизированных, которые можно с успехом применять для ремонта энергетических и транспортных систем, бурового и нефтедобывающего оборудования, железнодорожного транспорта, металлургической промышленности, горнодобывающей промышленности, судостроения
3. Гибридная лазерная наплавка является одной из самых перспективных технологий для аддитивной технологии при производстве деталей двигателестроения, космической, авиационной промышленности, имеющих значительные массогабаритные показатели.
4. Интеграция гибридной лазерной наплавки с нанотехнологиями открывает новые потенциальные возможности повышения функциональных свой­ств поверхностей деталей машин и механизмов, инструмента.

 

 

Иван Андреевич Мамонтов, ООО «ГСП‑2» (холдинг «Газстройпром»), рассказал об уникальном проекте «Обустройство сеноман-­аптских залежей Харасавэйского ГКМ» (газоконденсатного месторождения), которое находится далеко за полярным кругом. При таком расположении производственные задачи подчас приходится решать, когда температура окружающего воздуха достигает минус 30–50 градусов. Проект состоит из трех частей (рис. 8). В рамках его реализации специалисты предприятия решали вопрос повышения эффективности труда за счет автоматизации сварочного производства на всех этапах.

 

Рис. 8. План проекта. Слайд из презентации: ГСП‑2 

 

Естественно, для линейной части первое, что нужно было сделать, — сварить двутрубные секции. Варить на базе легче, чем в тундре при минус 40 градусах. Соответственно, была выбрана технология отечественной сварки на БТС‑142В. Это автоматическая сварка под флюсом двусторонняя. Внутри передвигается трактор, на тракторе монитор. В процессе задействованы два оператора: один смотрит сверху за головкой, другой смотрит в монитор и варит корень шва на трубе 1420х27,7. Темп сварки в среднем до 9 стыков в сутки, в то время как одна сварочная бригада (4 сварщика, 4 монтажника) варит максимум 1 стык. При этом уровень брака не превышал 2% согласно формуле ПАО «Газпром». В сумме, с учетом того, что данный комплекс был куплен за 120 миллионов, экономия составила минимум 90 миллионов в сравнении с комплексом ПМУ (более простая автоматическая сварка, где корень выполняется не автоматически, а ручной дуговой сваркой).

 

Для сварки двух трубок был использован импортный комплекс CRС-Еvans P600. Его принцип работы: перемещающийся самоходный центратор варит корень в специализированную разделку, дальше идут 4 палатки. У каждой палатки настройка под конкретный слой шва. Все выверено до мелочей, и благодаря этому достигается производительность до 22 стыков в смену. Рекордом стали 73 стыка такой трубы, сваренные за 10 часов.

 

Однако проблема Р600 в том, что с его помощью невозможно варить детали (труботройник, трубоотвод и так далее). Соответственно, необходимо было ­каким-то образом автоматизировать и этот процесс, чтобы уйти от работы сварщиков ТТ (технологических трубопроводов), которых в нашей стране огромный дефицит. Например, на сегодняшний день в ГСП‑2 с 1320 сварщиками дефицит составляет 200 технологов.

 

Этот этап был выполнен с помощью комплекса CRС-Еvans M300-C. Его производительность значительно меньше, поскольку варят, во‑первых, заводскую разделку, во‑вторых, корень варят с помощью ручной дуговой сварки. Тем не менее таким образом было сварено порядка 
600 стыков на линейной части (на P600 было сварено 4500 стыков). По сравнению с ручной дуговой сваркой экономия составила порядка 60 млн руб. Если всё бы варили ручной дуговой сваркой, затраты только на сварку составили больше 2 млрд руб. Если бы варили все M300, затраты бы составили 850 млн руб. С применением же P600 — всего 448 млн руб­лей. Это с учетом всех затрат, ремонтов, аренды техники, трубоукладчиков и так далее.

 

Дальше стояла более сложная задача, где нельзя было применять P600, потому что типоразмера 426‑530 внутренних самоходных центраторов в России (насколько известно докладчику) нет. Кроме того, на коллекторах процесс осложнялся тем, что на 18 стыков линейной части приходится 8 стыков так называемых компенсаторов. Поэтому было принято решение варить двутрубные секции комплексом ПМУ‑1400 (автоматическая сварка осуществляется под флюсом, а корень варится ручной дуговой сваркой). ПМУ‑1400 — это полевая многофункциональная установка разработки холдинга «Газстройпром» (рис. 9).

 

Рис. 9. Выполнение работ комплексом ПМУ‑1400. Фото: ГСП‑2

 

Еще один момент: монтажные стыки гораздо легче сварить в стыковых условиях в так называемые скулы. Для этой задачи использовали комплекс автоматической аргонодуговой сварки российского производства «ОКА». Им было сварено более 7000 стыков при диаметре трубы от 57 до 89 мм. Уровень брака составил до 3% согласно формуле ПАО «Газпром». Экономия по сравнению с ручной аргонодуговой сваркой составляет порядка 10 миллионов руб­лей. Опять же темп сварки — 20–25 стыков 57х5 в смену.

 

И самая большая изюминка проекта — это хорошо забытое старое — внедрение контактно-­стыковой сварки оплавлением. Для того чтобы скомпенсировать выкачку газа из скважины, строят метанолпровод, который закачивает в скважину метанол, воду и др. Обычные диаметры у них небольшие, 57х4, но это огромные протяженные участки, например, как в проекте, — порядка 110 километров. Контактная сварка плавлением показала себя просто идеально. На 30 апреля 2023 г. было сварено 7187 стыков, ни одного брака за этот период обнаружено не было. Никакой подготовки, никаких сварочных материалов, ничего для этой сварки не требуется: монтажник взял болгарку, отпилил трубу, засунул в замечательную машину — и стык готов. Благодаря использованию этой технологии экономическая выгода составила порядка 15,5 млн руб­лей по сравнению с ручной аргонодуговой сваркой. Был установлен рекорд 120 стыков одним комплексом в две смены.

 

Если оценить динамику по ГСП‑2, то автоматизация сварочного производства неуклонно растет: 2021 г. — 9%, 2022 г. — 18%, на октябрь 2023 г. — 26%. Казалось бы, не внедряется ничего нового, но это дает значительный экономический эффект, благодаря чему компания выступает как надежный подрядчик, выполняющий работы в установленные сроки.

 

 

Следующей демонстрировалась уникальная разработка ООО «Смартметал» (г. Москва). Ее представил генеральный директор компании Тимур Сулутдинов.

 

ООО «Смартметал» — небольшая компания, которая изначально оказывала услуги наплавки для ремонта сосудов и технологического оборудования, которые страдали от коррозионного износа, работая на нефтеперерабатывающих и мусорожигающих заводах, а также осуществляла диагностику данного оборудования. Соответственно, тот продукт, о котором идет речь, — компактная сварочная видеокамера — был изначально разработан и создан под собственные проекты. Часто сосуды имеют небольшой диаметр и сварщикам опасно работать внутри подобного типа оборудования. Возникала необходимость дистанционного контроля сварочных процессов, чтобы сварщик не находился у сварочной головки, как это происходит до сих пор.
На текущий момент существующие модели видеокамер, основанные на матрицах со сверхшироким динамическим диапазоном, не обеспечивают должного качества изображения, не дают качественной картинки. У них, как можно видеть на рис. 10а, есть пятно засветки, которое скрывает процесс плавления металла и формирования шва.

 

Рис. 10. Видеокамеры: а) традиционная на матрицах сверхширокого диапазона, б) компании «Смартметал». Фото: ООО «Смартметал»

 

 

В компании же «Смартметал» была создана компактная видеокамера (45х45 мм) с модулем лазерной подсветки, который обеспечил ее принципиальное отличие от традиционных технологий визуализации сварочных процессов.

 

В конструкции видеокамеры «Смартметал» применяются так называемые узкополосные светофильтры, которые пропускают свет в очень узком диапазоне спектра, плюс-минус 10 нанометров. А для того чтобы осветлить окружающее пространство, используется лазерная подсветка именно в том спектре, в котором пропускает узкополосный светофильтр. Таким образом, можно наблюдать окружающее пространство (рис. 10б), т. е. сам процесс плавления металла, в динамике. Это очень важно как для автоматизации, так и для управления сварочным процессом дистанционно.

 

Технические характеристики камеры: разрешение 1440х1080, степень защиты IP65, жидкостное охлаждение, регулируемая возможность дистанции наблюдения. Работа камеры возможна при температурах вплоть до плюс 300–400 градусов по Цельсию. Это полезно, когда требуется наплавка в труднодоступных местах толстостенных конструкций и необходим сопутствующий подогрев от плюс 100 до плюс 400 градусов по Цельсию. Процент отечественных компонентов в видеокамере превышает 50%, в том числе ключевые элементы в виде микросхемы и программы.

 

Данный инструмент позволит дальше развивать технологии автоматизации и роботизации. На его основе сейчас дорабатывается программное обеспечение, которое, по сути, является источником машинного зрения. Машина будет понимать, как идет процесс, возникают ли дефекты, какие необходимо внести коррекции в процесс, причем видеть на более высоких скоростях, чем человек может управлять процессом. Кроме этого, дорабатывается конструкция, чтобы видеокамера была способна работать в условиях вакуума, это полезно для электронно-­лучевой сварки. Также разрабатывается и собирается опытный образец высокоскоростной лазерной подсветки с целью осуществления высокоскоростной видеосъемки. В дальнейшем предполагается снизить габариты видеокамеры в два раза, потому что часто наплавка происходит внутри труб малого диаметра, где также требуется визуальный контроль процессов.

 

 

Михаил Микушин, руководитель направления роботизации сварки компании Technored, представил проект, связанный с роботизацией сварочных процессов.

 

По известной статистике, показатель роботизации в России очень низкий, а количество вакансий по данному направлению на предприятиях — высокое. Благодаря большому опыту внедрений и стремлению сделать роботизацию в стране доступной компании Technored предлагает на рынок новые продукты.

 

Компанией было создано коробочное роботизированное решение, которое может быть внедрено на предприятии за три дня (рис. 11).

 

Рис. 11. Коробочное роботизированное решение. Фото: Technored
 

 

Для демонстрации проекта компанией было выбрано здание строящегося космического центра высотой 288 метров (рис. 12). Одно из ноу-хау — всем привычные светопрозрачные конструкции фасадов. Они висят на кронштейнах на отвесной конструкции и выполнены не из стали, как это было раньше, а из конструкционного алюминия. Алюминий варится сложнее, чем сталь, и это был вызов.

 

 

Рис. 12. Здание строящегося космического центра. Фото: Technored 

 

 

Компания, которая производит стекло и фасады, осуществляла и сварочные работы. Нужно было организовать 6–9 рабочих мест сварщика. По современным реалиям это сделать непросто. И здесь на помощь пришло роботизированное решение коробочного типа с отработанной технологией сварки алюминиевых сплавов. Замена аргонодуговой сварки со скоростью 3–5 м/час на механизированную сварку в среде защитных газов плавящимся электродом подняла скорость в 5 раз. То есть скорость сварки стала 18 м/час. Также был применен специальный процесс импульсной сварки для разбивания оксидной пленки и формирования нормального шва, использована функция колебания сварочной горелки, чтобы получить чешуйчатость, которая считается качественным показателем и улучшает свой­ство шва.

 

После внедрения данного решения завод обеспечил выпуск изделия, увеличив производительность более чем в три раза. Здание строится согласно срокам, фасады уже монтируются. На рис. 13 показаны сварные швы до и после очистки. Правый же кадр рис. 13 демонстрирует недельный объем изделий, выполненный за один день сварщиком, которому понравилось варить на двух роботах.

 

Рис. 13. Сварной шов до и после зачистки, недельный объем, выполненный за один день. Фото: Technored

 

Уважаемое жюри, куда вошли эксперты Национальной технологической палаты, Всероссийского общества изобретателей и рационализаторов, ММАГС, выразило восхищение представленными проектами, оценив глубину научных исследований. 

 

 Рис. 14. Победитель конкурса в номинации «Лучший проект в области научных разработок в сварке» А.В. Люшинский.
Фото: https://weldex.ru/ru

 

 

Победителями конкурса стали:
В номинации «Лучший проект в области научных разработок в сварке» — ООО «Авиационно-­космические технологии» и персонально Анатолий Владимирович Люшинский (рис. 14).
В номинации «Лучший проект импортонезависимости в сварке» — ООО «Смартметал» в лице генерального директора Сулутдинова Тимура Рафаисовича, главного технолога Головина Евгения Николаевича, главного конструктора Афонина Дмитрия Васильевича.
В номинации «Лучший проект по освоению передовых технологий сварки» — ООО «ГСП‑2» в лице главного сварщика Мамонтова Ивана Андреевича.

 

Всем докладчикам были вручены сертификаты участников и подарки от компании TSS (рис. 15).

 

Рис. 15. Вручение подарков участникам конкурса от компании TSS. Фото: https://weldex.ru/ru  

 

 

 

Презентации и видеозапись выступлений доступны 
на сайте https://weldex.ru/ru/ 
для зарегистрированных пользователей.

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 2-2024