Сварка высоколегированных сталей и сплавов

12.07.2018
Вопросам сварки высоколегированных сталей в Институте электросварки уделяется большое внимание с конца 1940-х г. Сварка кислотостойких, жаропрочных, окалиностойких сталей и биметалла занимала особое место в тематике ведущей группы исследователей этих материалов в СССР, которую возглавлял Б.И. Медовар. Разработана и получила признание теория образования горячих трещин. Основной вклад в ее становление внесли Б.И. Медовар и Б.А. Мовчан. Большое внимание уделено вопросам улучшения свариваемости существующих конструкционных сталей. За короткий период в ИЭС были созданы и освоены на металлургических заводах оригинальные электроды, сварочные проволоки и флюсы. С целью снижения содержания вредных примесей в металле и повышения стойкости против образования трещин при сварке Б.Е. Патон и Б.И. Медовар обосновывают целесообразность применения электрошлакового переплава. Рафинирование металла по содержанию серы и фосфора способом ЭШП стало широко применяться металлургами. Это позволило улучшить свариваемость сплавов на основе никеля в конструкциях для тепловой и атомной энергетики, а также комплексно легированных нержавеющих сталей со специальными свойствами — для большой химии.

В ИЭС была подтверждена положительная роль феррита при пониженном содержании углерода в повышении стойкости сварных соединений против особо опасных видов разрушения таких, как межкристаллитная и ножевая коррозия. Интенсивно развиваются работы, связанные со сваркой жаропрочных сталей и сплавов на никелевой основе. Менее чем за десять лет (с 1952 по 1962 гг.) ИЭС становится одним из мировых лидеров в области теории и практики механизированных процессов сварки трудносвариваемых высоколегированных сталей. Под редакцией Б.Е. Патона выходит монография «Сварка жаропрочных и аустенитных сталей и сплавов», выдержавшая несколько изданий (1954, 1958, 1966 гг.). В начале 1970-х гг. расширились работы в области сварки нового класса высоколегированных сталей, так как появилась потребность в использовании малоникелевых и безникелевых коррозионностойких, износостойких, теплоустойчивых сталей. В ИЭС создается специализированная лаборатория, которую возглавил Н.И. Каховский. В лаборатории ведутся исследования электрошлаковой сварки хромистых сталей для рабочих колес гидротурбин. Новая технология реализуется на Ленинградском металлическом заводе для гидроагрегатов Асуанской ГЭС в Египте. Совместно с ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина осуществляется широкое внедрение двухфазных малоникелевых ферритно-аустенитных сталей в большой химии. В химическом и горном машиностроении используются в сварных изделиях хромомарганцевые стали. Разрабатываются и внедряются в продовольственном машиностроении хорошо свариваемые хромистые стали ферритного класса. Это стало возможным благодаря тесным и добрым отношениям между Борисом Евгеньевичем и руководством таких ведущих материаловедческих организаций, как ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина, ИМЕТ им. А.А. Байкова, а также надежным связям ИЭС с флагманами металлургической промышленности — заводами «Электросталь», «Днепроспецсталь», «Запорожсталь», Челябинский металлургический комбинат и другие.

Бурное развитие ракетостроения, освоение ближнего и дальнего космоса, выполнение «лунной программы» потребовали надежных сварных конструкций, эксплуатирующихся при температурах, близких к абсолютному нулю по Кельвину (-272,3 °С). Прежде всего понадобились крупные изотермические резервуары большой емкости для ракетного топлива, способные эксплуатироваться длительное время при повышенном давлении жидкого кислорода, азота, водорода, гелия.

При поддержке Б.Е. Патона был создан творческий коллектив, состоящий из сотрудников институтов HAH УССР — ИЭС им. Е.О. Патона, ИПП, ФТИНТ. Этот коллектив совместно с работниками ВНИИ-криогенмаш, ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина, Челябинского металлургического завода и Института «Союзкислородмаш» Минмонтажспецстроя России создали уникальные базы криогенного ракетного топлива на стартовых комплексах в Байконуре и Плиссецке, которые успешно эксплуатируются с 1975 г. Институт электросварки стал одним из ведущих разработчиков и исполнителем этого грандиозного проекта. Правительством России было поставлено задание не только разработать новые конструкционные материалы и процессы сварки, но и создать массовое производство специальных конструкций, уникальных по своим служебным характеристикам. В России по инициативе патоновцев была создана хорошо свариваемая стабильно-аустенитная сталь 03Х2ОН16АГ6, которая на долгие годы обеспечила преимущество и приоритет советской сварочной и материаловедческой школы в криогенной технике. На ее основе совместно с Институтом атомной энергии им. И.В. Курчатова и ВНИИЭФА им. Д.В. Ефремова были созданы несущие элементы сверхпроводящих систем первых опытных установок серии ТОКАМАК для изучения термоядерного синтеза. Силовые системы сверхпроводящего криогенератора были разработаны совместно с ФТИНТ HAH Украины им. Б.И. Веркина и Ленинградским заводом «Электросила», а в содружестве с ИВТАН АН России и Волгоградским заводом «Атоммаш» — корпус сверхпроводящей системы МГД-генератора.

Для отработки конструкций и элементов крупных космических аппаратов потребовалось создание в СССР уникальных имитаторов космического пространства. ВНИИкриогенмаш, учитывая опыт предыдущих работ, посвященных созданию криогенных систем стартовых комплексов, предложил ИЭС совместно выполнить такую работу. И здесь были созданы условия для творческой работы коллективов Института электросварки, ЦНИИЧермет, Челябинского металлургического завода и Института черной металлургии Грузии, возглавляемого Ф.Н. Тавадзе. В очень короткий период были созданы и освоены новые экономнолегированные никелем стали, их сварка и построен уникальный имитатор космоса объемом 10000 м3. Эти работы и исполнители были высоко оценены Правительством России — Государственными Премиями России, Премиями Совета Министров России, орденами и медалями.

Криогенное материаловедение и сварка криогенных конструкций нового поколения для энергетических устройств развиваются в Институте электросварки и сейчас. На повестке дня уже стоит развиваемая физиками многих стран мира идея промышленной реализации управляемого термоядерного синтеза. Опыт совместной работы Института электросварки, ВНИИЭФА им. Д.В. Ефремова и ИАЭ им. И.В. Курчатова 1970-х гг. по термояду позволил на новом этапе интегрировать украинскую физическую и материаловедческую науку в общемировые и Европейский проекты создания действующих установок серии ИТЕР, которые начнут эксплуатироваться с 2040 г.

В современном турбостроении и авиадвигателях все больше используются конструкционные материалы нового поколения. Это высокопрочные стали и сплавы с управляемой структурной дисперсностью, композиционные материалы с металлической или интерметаллидной матрицей, сложные полимеры с металлической составляющей, монокристальные и особо чистые металлы. Необходимо создавать сварные изделия из этих материалов и, соответственно, изыскивать новые технологические процессы сварки. Это относится к созданным или развитым в ИЭС новым методам сварки плавлением и давлением, применению новых источников нагрева, прежде всего использованию микродугового и микроплазменного разряда, геротронных технологий.

К технологическим процессам, которые до сих пор исследуются сварщиками всего мира, относится метод активации процесса дуговой сварки вольфрамовым электродом, первые результаты которого были получены под руководством и при участии Б.Е. Патона почти полвека тому назад. Увеличение производительности процесса сварки в 3-7 раз было достигнуто при минимальных затратах — за счет нанесении тонкого слоя активатора (в несколько десятков микрон). Идея активации процесса проплавления металла получила развитие при создании в Институте электросварки серии активаторов ПАТИГ для соединения большой гаммы нержавеющих сталей и сплавов на основе никеля. Патоновские активаторы этой серии триумфально прошли испытания во многих странах мира и снова подтвердили высокий научный и прикладной уровень разработок ИЭС. Впервые было показано, что возможность управления глубиной проплавления связана с созданием в анодной зоне на поверхности жидкой металлической ванны особо перегретого локального участка металла и с активным электродинамическим воздействием дуги. Это позволило дать обобщенное теоретическое обоснование активации проплавления металла при различных модификациях методов сварки.

Несомненным успехом Института электросварки является создание теории сварки особо жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основе и тугоплавких материалов. Предложены новые подходы к решению проблем свариваемости различных материалов, теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность соединять материалы, ранее считавшиеся не свариваемыми. Установлено, что с помощью сварки можно изготавливать новые поколения высокоэффективных газотурбинных двигателей, крупные элементы турбин из сплавов с монокристальной структурой.

Комплексные исследования, выполняемые с участием ВИАМ (г. Москва), ЦКБ «Прогресс» им. А.Г. Ивченко (г. Запорожье), ОАО «Мотор-Сич» (г. Запорожье), заводом им. В.А. Малышева (г. Харьков) открыли возможность получения и ремонта новых видов конструкций авиационной и транспортной техники.

Управление свариваемостью материалов позволяет институту не только расширить перечень материалов, из которых изготавливаются конструкции с невиданными до сих пор эксплуатационными свойствами, но и предложить новые процессы их соединения. Время ставит задачу вхождения сварки и родственных процессов в технический и технологический мир, оперирующий наноразмерным влиянием на материалы и их сварные соединения. Потребность в нанотехнологиях проявляется уже сейчас, когда все больше требуется конструкций из разнородных, в том числе композиционных материалов. В ИЭС эти работы имеют приоритетное значение.

В 1980 г. Правительство Украины приняло решение создать серию памятных сооружений в ознаменовании 1500-летия г. Киева. К ним относятся памятный знак-стела «Город-Герой Киев» на площади Победы, арка Дружбы народов, архитектурный комплекс Музей Великой Отечественной Войны 1941-1945 гг.

Архитектор, народный художник России В. Бородай, задумал создать 64-метровую скульптуру из стали, которая венчает здание музея. Наиболее сложную задачу — создание технологии сварки и сооружения монументальной скульптуры «Родина-Мать» поручили Институту электросварки им. Е.О. Патона. До настоящего времени это самая крупная цельносварная металлическая скульптура в мире.

Группа специалистов Института электросварки совместно с проектировщиками из института «Укрпроектстальконструкция» за короткий период разработали и осуществили на Киевском заводе им. Парижской коммуны весь цикл изготовления скульптуры.

Впервые в мировой практике был реализован уникальный проект с использованием технологии блочного изготовления крупнотоннажных элементов скульптуры, изготовленных методами сварки. При этом решались не только вопросы точного воспроизведения художественного образа по маломасштабной модели автора, но и задача идеального сочленения блоков на монтаже без деформаций на любом участке корпуса и деталей скульптуры. Важно было также обеспечить длительную работоспособность всех сварных элементов при любых атмосферных нагрузках и предусмотреть возможность (при необходимости) выполнения ремонтных работ без нарушения целостности скульптуры. Б.Е. Патон пристально следил за всеми этапами этой работы. Многотонная цельносварная монументальная скульптура «Родина-Мать» поднялась ввысь на одном из Печерских холмов г. Киева в мае 1982 г. Она была изготовлена из украинского металла (сталь завода «Запорожсталь») трудом и умением рабочих-сварщиков Украины, умом и опытом технологов, проектировщиков, архитекторов, большой группы заводских инженеров, монтажников и других специалистов. Участники этой работы были удостоены Ленинской премии, награждены орденами и медалями России. Удивительное сочетание научной смелости, художественного дерзания, инженерной мысли и рабочей смекалки позволили коллективу ИЭС подтвердить еще раз, что сварка может решать задачи любого уровня сложности, многие из которых — впервые в мире. Символично, что в древнем Киеве на небольшом расстоянии друг от друга стоят и служат городу два уникальнейших сооружения XX века — самые крупные в свое время в мире — цельносварной мост через Днепр и цельносварная скульптура «Родина-Мать» комплекса Музей Великой отечественной Войны 1941-1945 гг.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: