Методична розробка "Нові технології зварювання та майбутні тенденції"

Нові технології зварювання та майбутні тенденції

Оскільки технології розвиваються безпрецедентними темпами, у всіх галузях промисловості відбуваються значні зміни в тому, як вони працюють. Зварювальна промисловість не є винятком, у ній з’являються цікаві нові тенденції, які революціонізують спосіб з’єднання металів та інших матеріалів. Від прогресу в автоматизації та робототехніки до все більшого використання штучного інтелекту та віртуальної реальності, майбутнє зварювання обіцяє бути передовим і високоефективним.

Технологічне вдосконалення внесло значні зміни в процеси з'єднання металів. Як наслідок, майбутні тенденції зварювальних технологій повільно переходять від традиційних металів, методів і ручного зварювання до вдосконаленого дугового зварювання, автоматизованого зварювання та новітніх металів і сплавів. Крім того, навчання зі зварювання та безпека зварювання також були виведені на новий рівень, щоб сприяти безпечному зварювальному середовищу.

Зварювання MIG, TIG і ММА все ще є фаворитами у багатьох галузях промисловості, але ми вже спостерігаємо збільшення використання сучасних металів. Сучасні метали, такі як інтерметалічні алюмініди титану, інтерметалічні сплави алюмініду нікелю, інтерметалічні сплави алюмініду заліза, сплави з дисперсійним зміцненням оксиду (ods), композити з металевою матрицею (mmcs), суперсплави на основі нікелю, Al-сплави, включаючи сплави Al-Li, Mg-сплави, супермартенситна нержавіюча сталь, вимагають вдосконалених продуктивність і процеси дугового зварювання. Під час зварювання сучасних матеріалів зварникам потрібно мати справу з точним підведенням тепла, меншою кількістю бризок, кращим контролем дуги та якістю зварювання. Щоб вирішити ці проблеми, потрібно скористатися сучасними методами зварювання.

Сучасні методи зварювання

Состерігається збільшення використання зварювання тертям, зварювання лазерним променем, гібридного зварювання, зварювання магнітною дугою, зварювання вибухом, ультразвукового та електронного променю. Крім того, підготовка зварників більше зосереджена на доповненій або віртуальній реальності та індивідуальному досвіді, тоді як зменшення викидів сприяє безпеці. Найважливіше те, що багато компаній мають справу з браком кваліфікованих зварювальників, впроваджуючи роботизоване зварювання та роботів для спільної роботи.

Процес магнітно-дугового зварювання

Магнітно-дугове зварювання — це високоефективний метод зварювання, який використовує потужне магнітне поле, яке створюється магнітною котушкою поблизу зони зварювання, щоб контролювати та направляти зварювальну дугу. Поле відхиляє та спрямовує дугу по заздалегідь визначеному шляху. Тепло, що виділяється дугою, сплавляє додатковий присадковий дріт і основний метал, створюючи міцний зварний шов.

Цей спосіб є корисний при зварюванні товстих пластин і роботі у вузьких приміщеннях. Магнітне поле стабілізує дугу та запобігає її відхиленню, що забезпечує точні та точні зварні шви. Крім того, це універсальна техніка зварювання, яка може з’єднувати широкий діапазон матеріалів.

Зварювання вибухом

Зварювання вибухом — це процес зварювання твердого тіла, який використовує енергію вибуху для створення міцного зв’язку між двома металами. У цьому процесі два метали, що зварюються, знаходяться в тісному контакті один з одним. Потім відбувається детонація невеликого вибухового заряду, що створює ударну хвилю, яка штовхає один метал на інший із величезною силою.

Кутова схема зварювання вибухом у фазі вибуху:
1 - Рухома (приварювана) деталь
2 - Сплавлена поверхня, 3 - Нерухома деталь
4-5 -  Заряд вибухової речовини
6 - Кумулятивний струмінь

Цей метод зварювання зазвичай використовується через його здатність зварювати різнорідні метали, наприклад мідь з алюмінієм, зварювати які традиційними методами складно. Він також створює однорідне та високоякісне з’єднання, яке не має такого ж рівня деформації чи залишкових напруг, як інші процеси зварювання.

Ультразвукове зварювання

Ультразвукове дугове зварювання — це процес твердотільного зварювання, який використовує ультразвукові коливання для створення тепла тертям і зварювання двох металів разом. У цьому процесі два зварювані метали контактують один з одним, а ультразвуковий рупор використовується для вібрації одного з металів проти іншого з високою частотою.

Зварювальники зазвичай обирають цей прогресивний метод завдяки його здатності створювати високоякісні точні зварні шви без використання наповнювача чи флюсу. Його також можна використовувати для зварювання різнорідних металів з різними температурами плавлення.

Зварювання тертям

Зварювання тертям — це високоефективний процес зварювання, який використовує механічне тертя для створення тепла між двома металами. Застосовуючи тиск і обертаючи метали на високій швидкості, створюється тертя, що змушує їх розм’якшуватися та сплавлятися, створюючи міцний зв’язок.

Ця техніка корисна для зварювання різнорідних металів, таких як алюміній і сталь, зварювання яких традиційними методами складно або неможливо. У багатьох галузях промисловості віддають перевагу зварюванню тертям, оскільки воно може створити точний і чистий зварний шов без пористості, дефектів або деформацій.

Електронно-променеве зварювання

Електронно-променеве зварювання (EBW) — це високоенергетичний процес зварювання, який використовує промінь високошвидкісних електронів для плавлення та з’єднання металів. Пучок електронів генерується електронною гарматою і фокусується на зварному з’єднанні електромагнітними лінзами.

Електрони високої енергії проникають глибоко в метал, змушуючи його плавитися і плавитися, коли промінь рухається вздовж зварного з’єднання. Процес зазвичай виконується у вакуумі, щоб запобігти взаємодії променя з навколишнім повітрям.

Лазерне зварювання

Лазерне зварювання (LBW) — це потужний і універсальний процес зварювання, який використовує сфокусований промінь світла для плавлення та з’єднання металів. У цьому процесі потужний лазер генерує концентрований промінь світла, який спрямовується на зварювальне з’єднання.

Сильно сфокусований промінь забезпечує точний контроль над проникненням зварного шва та надходженням тепла, що забезпечує чистий і однорідний зварний шов. Залежно від застосування, процес може виконуватися з наповнювачем або без нього.

Гібридне зварювання

Гібридне зварювання поєднує два або більше методів зварювання, наприклад лазерне зварювання та GTAW (зварювання газовою вольфрамовою дугою) або зварювання MIG, щоб поєднати переваги та обмежити недоліки обох процесів. Різні методи зварювання працюють разом, щоб створити більш точний і стабільний процес зварювання.

Наприклад, лазерне зварювання може забезпечити контроль тепла та розплавлення металу, тоді як GTAW або GMAW забезпечують додатковий наповнювач і контролюють зварювальну ванну. У результаті гібридне зварювання можна використовувати для зварювання більш широкого діапазону матеріалів і товщини, а також для отримання високоякісних зварних швів з мінімальною деформацією та пористістю.

Автоматизація в зварювальному виробництві

Четверта промислова революція — це тенденція до автоматизації та обміну даними в технологіях і процесах виробничої промисловості, включаючи кіберфізичні системи (CPS), IoT, хмарні обчислення та штучний інтелект.

Це має значний вплив на зварювальну галузь, від збільшення використання автоматизації та робототехніки до аналізу даних, що покращує майбутні зварні шви. Штучний інтелект і нові технології зварювання також відкривають нові можливості в галузях промисловості, де використовуються новітні та найделікатніші метали, що вимагають найвищого рівня контролю під час зварювання. Оскільки галузь продовжує розвиватися, очікуємо подальших удосконалень у зварюванні, які підвищать безпеку, якість і продуктивність.

Роботизоване зварювання

Протягом багатьох років роботизоване зварювання використовувалося в різних галузях промисловості для підвищення продуктивності шляхом автоматизації виробництва та забезпечення незмінної якості. Традиційно роботи-зварювальники вимагали значних інвестицій в обладнання та навчання персоналу. Однак вони еволюціонували, тому сьогодні вони пропонують унікальний набір переваг, таких як:

• Автоматизація виробництва
• Загальне зниження витрат (високі початкові витрати, але вони окупаються, оскільки підвищують продуктивність)
• Постійність і повторюваність ведуть до підвищення якості та точності зварювання
• Персонал не піддається впливу небезпечних випарів або радіації
• Забезпечує високий попит на кваліфіковану робочу силу, залучаючи операторів, а не зварювальників
• Підвищена гнучкість (у порівнянні з жорсткою автоматизацією)
• Підвищення ефективності (корисно в масовому виробництві)
• Зменшити повторювані травми

Зварювальні коботи

Окрім роботів, у виробничому процесі використовуються коботи. Зварювальний кобот, або спільний зварювальний робот, призначений для допомоги людям-зварникам у процесі зварювання. Він оснащений датчиками та програмуванням, які дозволяють йому працювати разом із людьми-зварювальниками, не потребуючи захисних бар’єрів чи кліток.

Зварювальний кобот може виконувати різноманітні зварювальні роботи, і він запрограмований на співпрацю зі зварниками-людьми, допомагаючи їм виконувати повторювані або фізично складні аспекти зварювання. Однією з головних переваг зварювальних коботів є їх здатність підвищувати безпеку та ергономічність процесу зварювання. Наприклад, передове зварювальне обладнання та датчики сповіщають кобота про зварювальників і операторів поблизу, тому він зупиняється, щоб запобігти зіткненню та травмуванню оператора. Тим часом роботизовані зварювальні апарати попередньо запрограмовані, тож вони можуть сильно поранити вас, якщо ви станете на їх шляху.

Зварювальні дрони

Зварювальні дрони — це безпілотні літальні апарати (БПЛА), оснащені камерами, датчиками та роботами для виконання зварювальних завдань і перевірок. Безпілотники знадобляться у важкодоступних або небезпечних місцях, таких як висотні будинки, мости або морські нафтові платформи, які є найбільш ризикованим середовищем для будь-якого зварника.

Безпілотниками дистанційно керує людина-оператор, який може стежити за процесом зварювання та вносити необхідні налаштування. Крім того, вони можуть отримати доступ і зварювати у важкодоступних місцях, що може заощадити час і гроші, усуваючи потребу в риштуваннях або іншому обладнанні для доступу.

Крім того, зварювальні дрони можуть виконувати зварювальні роботи в небезпечних місцях, знижуючи ризик отримання травм або смерті зварювальників. Це робить зварювальні дрони особливо корисними в таких галузях, як нафтогазова промисловість, де зварювальні роботи часто виконуються в небезпечних або віддалених місцях.

Інноваційні засоби індивідуального захисту

Засоби індивідуального захисту (ЗІЗ) є життєво важливими для забезпечення безпеки зварювальників. Правильний ЗІЗ допомагає запобігти опікам, травмам очей і респіраторним проблемам, забезпечуючи безпечну та ефективну роботу зварників.

Нові розробки в ЗІЗ для зварювання

Шоломи: сучасні зварювальні каски оснащені фільтрами з автоматичним затемненням, які регулюють відтінок лінзи відповідно до зварювальної дуги, забезпечуючи безперервний захист очей без необхідності піднімати шолом. Деякі шоломи мають вбудовані світлодіодні ліхтарі для покращення видимості в умовах слабкого освітлення та підключення до мобільних додатків для моніторингу та діагностики в реальному часі.

Крагм: інновації в дизайні привели до створення краг, які забезпечують кращу посадку та більшу спритність. Завдяки попередньо вигнутим пальцям ці рукавички відповідають природній формі руки, зменшуючи втому та підвищуючи точність під час зварювальних робіт. Виготовлені з передових матеріалів, вони забезпечують кращу термостійкість і довговічність.

Захисний одяг: нові матеріали та конструкції забезпечують покращену тепло- та вогнестійкість, залишаючись легкими та дихаючими. Цей одяг забезпечує кращий захист без шкоди для комфорту, дозволяючи зварювальникам вільно рухатися та зберігати прохолоду.

Навчання зварників

Навчання зварників у віртуальній (VR) або доповненій реальності (AR) використовує найсучаснішу технологію для імітації сценаріїв зварювання в реальному світі. Ця технологія дозволяє зварювальникам практикуватися та розвивати свої навички в безпечному, контрольованому середовищі з експертним керівництвом та реальними результатами під час зварювання товстих металів та листових частин.

Під час навчання за допомогою VR зварювальник носить гарнітуру віртуальної реальності, яка імітує сценарії зварювання в реальному світі. Гарнітура забезпечує огляд навколишнього середовища на 360 градусів і дозволяє зварнику практикуватис. Навчання зварювальників AR, з іншого боку, передбачає накладання цифрової інформації на реальне середовище. У цьому типі навчання зварювальник використовує мобільний пристрій або пристрій, який можна носити, наприклад розумні окуляри, щоб отримати доступ до цифрових накладок, які надають інструкції, вказівки та відгуки під час процесу зварювання.

Навчання віртуальній реальності та доповненій реальності може забезпечити миттєвий зворотний зв’язок і рекомендації, що дозволить покращити навички та визначити сфери, які потребують подальшого розвитку. Це може допомогти організаціям зменшити зварювальні дефекти, доопрацювання та простої, підвищити якість і продуктивність.

Зменшення викидів

Процес зварювання може сприяти викидам ПГ (парникових газів) через використання енергоємного обладнання та утворення відходів, зокрема зварювальних димів і газів. Викиди парникових газів сприяють зміні клімату, що має глибокі екологічні, економічні та соціальні наслідки.

Багато країн встановили цілі щодо скорочення своїх викидів, і зварювальна промисловість повинна буде адаптуватися до цих цілей. Бачимо цілі скорочення на 43% (порівняно з рівнями 2005 року) до 2030 року та остаточну ціль щодо нульового чистого викиду до 2050 року. У співпраці з урядом багато підприємств переходять від вуглецевих до безвуглецевих галузей, включаючи зварювання.

Поточна кліматична політика зменшить викиди, але не настільки швидко, щоб досягти міжнародних цілей.

Технологічні досягнення та заходи, які допомагають зменшити викиди, включають:

• Встановлення світлодіодного або сенсорного освітлення
• Програми зменшення відходів
• Програми переробки, переробки та перепрофілювання
• Цифрова трансформація
• Програми скорочення використання води
• Установка сонячних панелей
• Реалізація плану чистого нульового викиду вуглецю
• Корекція коефіцієнта потужності
• Пристосовуючись до заходів, компанії нового покоління підвищують свою стійкість і продуктивність, покращуючи якість середовища та умов зварювальника.

Впровадження зелених ініціатив у зварюванні може призвести до значних екологічних та економічних вигод.

Екологічні технології та матеріали

• Системи відведення диму: ці системи вловлюють і фільтрують шкідливі зварювальні пари, які містять частки та гази, які можуть бути шкідливими для здоров’я людини та навколишнього середовища.
• Переробка металів: використання перероблених металів зменшує попит на нову сировину, зберігаючи енергію та ресурси. Більше людей у ​​галузі використовують відновлену сталь і алюміній, підтримуючи більш стійкий ланцюг поставок.
• Екологічно чисті витратні матеріали: використання екологічно чистих витратних матеріалів для зварювання, таких як флюс на водній основі та електродні покриття, мінімізує вплив на навколишнє середовище. Ці матеріали розкладаються природним шляхом, зменшуючи накопичення небезпечних відходів.

Висновок

З роками технологія зварювання значно вдосконалилася, і майбутнє зварювання є світлим, з постійним прогресом у технологіях і практиках, спрямованих на підвищення безпеки, якості та стійкості.

Нові зварювальні технології, такі як автоматизація, роботизація, використання даних і аналітики, зробили зварювальну промисловість безпечнішою та продуктивнішою. Крім того, нові технології зварювання, такі як гібридне зварювання, адитивне виробництво або інші методи, відкривають нові можливості для зварювання та з’єднання передових матеріалів.