Первый юбилей

Технологии завтрашнего дня

Дмитрий Колодяжный
советник президента ОСК, доктор технических наук

На пороге промышленной эксплуатации аддитивные технологии, развивается сварка, наступают композиты…
Но уже сейчас начинаются научные исследования, которые позволяют, может быть, еще неуверенно, но прогнозировать, что ждет нас в недалеком будущем

Hачнем с самой привычной для судостроителей технологии – обычной сварки. Здесь сплетаются воедино несколько новых направлений работы или исследований, прежде всего это лазер и цифра. Понятно, что с появлением лазера появилась возможность с его помощью сваривать между собой детали. Реализованная под руководством ректора «Корабелки» доктора технических наук, профессора Глеба Туричина опытно-конструкторская работа «Орбита» показала потенциал этого направления: скорость сварки двух стальных листов толщиной 16 мм достигала 85 м в час.

Точность и скорость

Эта очень перспективная технология имеет сразу несколько преимуществ по сравнению с существующим процессом. Во-первых, она обеспечивает стабильность сварочного процесса при высоких скоростях обработки. Во-вторых, позволяет управлять структурой и свойствами сварного соединения. В-третьих, обеспечивает свариваемость специальных сталей и сплавов. В-четвертых, снижает сварочные деформации и обеспечивает высокое качество сварного соединения. И наконец, по сравнению с дуговой, лазерно-гибридная сварка позволяет в два-три раза повысить скорость процесса.

Остается пройти все необходимые испытания и начать внедрять эту технологию на верфях. Уже сейчас ведутся разработки технологии и оборудования для гибридной лазерно-дуговой сварки трубных, судостроительных, высокопрочных сталей специального назначения, легких сплавов, алюминия и титана.

Конечно, этой технологии нужна система перемещения, которая будет двигать лазерную сварочную головку. Ей может быть портал, рука робота или просто робот, имеющий возможность передвигаться по сложным криволинейным поверхностям, автоматизированная тележка, если речь идет о сварке плоских листов, металлообрабатывающий станок.

Если вставить сварочную головку в патрон пятикоординатного фрезерного комплекса, мы получим гибридную технологию, значительно расширяющую возможности как фрезерной обработки, так и сварки. Ранее я писал о работах российской компании ABAGY Robotics Systems, направленных на экономически оправданное использование роботов при единичном и мелкосерийном производстве, коим является судостроение. Думаю, что в ближайшем будущем мы увидим симбиоз лазерно-гибридной сварки и искусственного интеллекта, позволяющий эффективно сваривать различные, в том числе сложные криволинейные конструкции.

Центром же цифровизации ручной сварки вполне можно назвать МГТУ им. Н.Э. Баумана, где свои исследования ведет доктор технических наук, академик РАН Николай Алёшин. Основная цель, которую он ставит перед собой, – это цифровизация сварочных процессов и их контроль. Создаваемая цифровая платформа, имеющая название С60, позволяет управлять сварочными процессами, повышая их качество, проводить цифровой контроль технологии сварки и осуществлять переход к ведению исполнительной документации
в цифровом виде. В цифровой платформе реализуется процесс дистанционного контроля сварочного процесса и его соответствия технологической карте сварки.

Уже сейчас хорошо отработан режим следования технологической карте: проверка допуска сварщика к производству работ, выбор технологической карты и номера сварочного шва, измерение и запись текущих параметров сварочного процесса, информирование сварщика звуковыми и световыми сигналами при нарушении параметров.

Как изменится этот процесс в недалеком будущем? Так же как и в предыдущей технологии, придет искусственный интеллект и обработка больших массивов данных. Сегодня идет процесс формирования базы данных сварочного производства на цифровой платформе. Причем процесс накопления знаний затрагивает все технологические этапы: подготовку, непосредственно сам процесс сварки, неразрушающий контроль, термообработку и прием исполнительной документации. Использование искусственного интеллекта позволит активно работать со сформированной базой знаний, распознавая различные сварочные дефекты в автоматическом режиме, давая обратную информацию для оптимизации сварочных параметров и формируя исполнительную документацию.

Внедрение цифровой сварочной платформы влечет за собой такие перспективы, как повышение персональной ответственности сварщика через внедрение «живого рейтинга», ведение цифрового сварочного журнала с цифровыми паспортами стыков и основное – предотвращение брака на ранних стадиях.

Технологии роста

Особый интерес для судостроения представляет выращивание деталей или высокоточных заготовок из металлических порошков. В рамках нескольких работ Глеба Туричина был создан ряд установок для прямого лазерного выращивания изделий, освоен технологический процесс получения высокоточных заготовок из целого ряда сплавов. На сегодня необходимо провести испытания и сертификационные работы, которые позволят использовать эту технологию в отрасли. А каковы перспективы развития или возможности этой технологии в будущем?

Для начала предлагаю вспомнить суть самого процесса. Через узкий факел газовой взвеси порошка пропускается лазерное излучение. Режим излучения и время полета частицы в поле лазера автоматически поддерживаются таким образом, что мы получаем жидкую оболочку и твердое ядро порошинки. Сплошного проплавления не происходит. В результате объем жидкой фазы мал, что обеспечивает очень высокие скорости кристаллизации. Это сохраняет и даже улучшает структуру. Установив головку в руку робота, описывающую необходимую траекторию, получаем установку, позволяющую выращивать изделия. Конечно, все это сильно упрощено, но кратко суть технологии такова.

Возникают вопросы. Почему бы не создать многопорошковую машину? Если в результате прямого лазерного выращивания мы получаем высокоточную заготовку, то можно ли совместить несколько технологий в одной машине и сразу получать готовую деталь или узел? Например, прямое лазерное выращивание и обработку металлов резанием или еще и лазерно-гибридную сварку. И как повысить качество выращиваемых заготовок?

Проводимые изыскания уже дали первые результаты. Например, удалось получить демонстратор биметаллического изделия массой 0,7 кг, диаметром 100 и высотой 30 мм из материалов CuNiAl + Inc625 с минимальной толщиной стенки 1,1 мм. То есть за один проход выращена заготовка, состоящая сразу из двух материалов. Это открывает огромные возможности выращивания различных каркасных, скелетных и других конструкций и узлов. Если же представить, что управление подачей нескольких порошков будет происходить не дискретно, а плавно, то можно получать детали с изменяемым составом по длине. То есть на вопрос: «Из какого материала эта деталь?» – придется задавать уточняющий вопрос: «В каком месте?».

Теперь о попытках создания гибридных технологий. Институт лазерных и сварочных технологий СПбГМТУ создает симбиоз машины для прямого лазерного выращивания и пятикоординатного фрезерного станка. Прототип будет иметь следующие характеристики: пятиосевая кинематика с синхронной интерполяцией, порошковый питатель – две емкости по пять литров, фрезерно-токарная функция, а также выращивание и обработка детали с одного установа. Максимальный размеры изделия – диаметр 1100 и высота 400 мм. Производительность на сплавах Fe, Ni, Co – до 2,5 кг/ч. Кроме того, будет обеспечена локальная газовая защита. Думаю, такой гибридный станок займет достойное место в производственных цепочках предприятий судостроительной отрасли.

Уже ведутся разработки технологии и оборудования для гибридной лазерно-дуговой сварки высокопрочных сталей спецназначения, легких сплавов, алюминия и титана<

Также ведутся работы по совмещению технологий прямого лазерного выращивания и лазерно-гибридной сварки. На одной установке отрабатывается сначала прямое лазерное выращивание заготовок, а затем их сварка между собой. После изготовления конструкция прошла достаточно тяжелые испытания, показав возможность работы при температуре порядка 950 °С и внутреннем давлении около 100 атмосфер.

Стоит сказать и о работах по повышению качества получаемых изделий. Конечно, за последние годы существенно повысилось понимание самой физики процесса прямого лазерного выращивания. Кроме этого, ученые стали применять не только прямые бесконтактные лазерные измерения, но и компьютерные вычисления для расчета возникающих тепловых деформаций. Таким образом, мы преднамеренно формируем рассчитанную «неправильную» геометрию детали, которая после остывания попадет в заданные чертежом допуски и станет пригодной для использования.

Именно эта «неправильная» геометрия закладывается в управляющую программу промышленного робота для выращивания годной детали. Вообще физика процесса выращивания достаточно сложна, именно поэтому разрабатываемое программное обеспечение для создания управляющих программ должно учитывать множество аспектов: физические свойства материала, из которого выращивается деталь, его поведение при формировании той или иной геометрии (например, потеря устойчивости), деформацию материала подложки и многое-многое другое. Кроме всего сказанного, программное обеспечение должно обеспечивать и свои основные функции: импорт геометрии всех распространенных стандартов, построение траекторий обработки, их редактирование, сортировку по слоям, назначение порядка обработки, назначение технологических параметров (мощность лазера, расход газов и порошка), симуляцию движения робота с учетом геометрии каждой отдельной установки, проверку движения робота на столкновения, создание управляющей программы и ее отправку на установку прямого лазерного выращивания.

На начальных этапах разработки технологии порошки были в основном импортными. Именно их высокая цена стала основным сдерживающим фактором внедрения аддитивных и гибридных технологий на их основе. Но сейчас ситуация заметно меняется в лучшую сторону. Вслед за ВИАМ свою установку по получению высококачественных порошков для аддитивных технологий запустил «Русполимет» (г. Кулебаки Нижегородской области) и еще несколько отечественных предприятий. В связи с производством больших объемов порошков и использованием нового высокоэффективного оборудования цена на них будет, несомненно, снижаться, что приведет к росту применения аддитивных технологий в различных отраслях промышленности.

Уверен, что в скором будущем сложные изделия судового машиностроения, различные компоненты глубоководных аппаратов и многие другие отраслевые изделия будут выращиваться и обрабатываться на инновационном оборудовании.

При подготовке статьи использовались материалы Института лазерных и сварочных технологий СПбГМТУ и научно-учебного центра «Сварка и контроль» при МГТУ им. Н.Э. Баумана
Технологии завтрашнего дня
Технологии завтрашнего дня
Технологии завтрашнего дня
Технологии завтрашнего дня
Технологии завтрашнего дня