Мелкосерийного сварочного производства

 

В настоящее время сварка является одним из ведущих технологических процессов. Более половины валового национального продукта промышленно развитых стран создается с помощью сварки и родственных технологий. Сварке подвергаются практически любые металлы и неметаллы на Земле, в морских глубинах и в космосе. Толщина свариваемых деталей колеблется от микрометров до метров, масса сварных конструкций – от долей грамма до сотен и тысяч тонн. Во многих случаях сварка является единственно возможным или наиболее эффективным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения ресурсосберегающих заготовок, максимально приближенных по геометрии к оптимальной форме готовой детали или конструкции. Среди многих ныне существующих способов сварки сварка плавлением является и останется в обозримом будущем основой сварочного производства. Современные способы сварки плавлением основаны на использовании поверхностных источников нагрева с интенсивностью от 10⁴ до 10⁸...10⁹ Вт/см². Казалось бы, что при столь широком диапазоне интенсивности не должны возникать проблемы поиска новых способов нагрева металла. А между тем, они существуют и, надо полагать, в будущем возникнут новые способы нагрева металла при сварке плавлением. Одной из таких проблем является связь между интенсивностью источника нагрева и давлением на жидкий металл. При низкой интенсивности нагрева проплавление основного металла осуществляется путем теплопередачи через жидкий металл. При более высокой интенсивности (например, при дуговой механизированной сварке) со стороны источника нагрева действуют силы электромагнитного происхождения, которые частично вытесняют расплавленный металл из ванны и тем самым способствуют проплавлению основного металла. При дальнейшем увеличении интенсивности нагрева определяющее влияние на вытеснение жидкого металла из ванны приобретает реакция паров. Парообразование – это бурно протекающий и трудно управляемый процесс. Стохастичность его протекания приводит к появлению дефектов формирования сварных соединений, а также к изменению химического состава свариваемого металла в зоне термического влияния (ЗТВ). Не исключено, что в будущем благодаря успехам в различных областях физики будут созданы новые средства нагрева металла, пригодные для сварки плавлением.

Решающее влияние на развитие дуговой сварки оказало изобретение в начале XX века покрытого электрода. Благодаря этому открылась перспектива получения сварных соединений действительно высокого качества. Следующим принципиально новым этапом было создание в 1930-х годах технологии сварки под флюсом, позволяющей механизировать процесс сварки и тем самым многократно повысить производительность труда и улучшить качество соединений. Следующие десятилетия ознаменовались тем, что была доказана возможность защиты металла активными газами, прежде всего углекислым и аргоном. Появились двойные, тройные и даже четверные смеси активных газов. По распространенности механизированная дуговая сварка в активных газах вышла на второе место после ручной дуговой сварки, а в некоторых странах этот способ опережает последнюю. В настоящее время очень распространенный способ сварки – ручная аргонодуговая сварка. Несомненно, и далее будут продолжаться поиски более совершенных способов и средств защиты расплавленного металла от влияния окружающей среды с целью использования их для формирования бездефектных сварных соединений. Все это требует развития теоретических основ по исследованию взаимодействия множества факторов, влияющих на качество сварки, и прежде всего, выполняемой в сложных монтажных условиях. Необходимо развивать наши представления о процессе образования сварного соединения и возникающих при этом дефектах с учетом множества факторов, в том числе существования поверхностных и объемных сил различного происхождения, зависимости поверхностного натяжения от температуры и др. Новые знания в этой области необходимы для дальнейшего совершенствования процессов сварки плавлением.

Первые опыты практического применения сварки плавлением были связаны с выполнением ремонтных работ. И сейчас посредством сварки в работоспособное состояние приводят множество самых разнообразных технических сооружений, машин и механизмов. Не утратит своего огромного значения ремонтная сварка и в будущем. Между тем, технология ремонтной сварки развивается слабо. Внимание к ней со стороны специалистов далеко не всегда соответствует ее значению. Нужно совершенствовать технику и средства подготовки изделий к ремонту, создавать специализированное сварочное оборудование, в том числе и механизированное, новые сварочные материалы, обеспечивающие получение соединений высокого качества в сложных специфических условиях ремонта, создавать технологию ремонта без предварительного нагрева изделий и решать множество других технологических задач. Также важное значение для выявления в полевых условиях различного рода повреждений, в том числе коррозионного происхождения, имеет совершенствование средств дефектоскопии и прежде всего неразрушающими методами контроля.

Можно привести немало примеров использования способов сварки плавлением для получения особо износостойких изделий. Это направление в дальнейшем получит должное развитие. Здесь существует очень большое поле для деятельности главным образом в материаловедческом плане, а также в поиске наиболее эффективных технологий получения в наплавленном слое интерметаллидных и других особо твердых включений в прочной и пластичной матрице. Для тонких наплавок найдут применение микроплазма и лазерное излучение. Дальнейшее совершенствование технологии наплавки в первую очередь необходимо для ремонта множества деталей машин и механизмов, подвергающихся абразивному износу.

Во второй половине XX века сформировались представления о физических явлениях, протекающих при сварке плавлением, и о причинах возникновения трещин, пор и других дефектов сварных соединений. Многие явления получили достаточно полное математическое описание. Находят применение различные базы экспериментальных данных и экспертные системы. Тем не менее, мы продолжаем тратить средства, силы и время на изготовление множества образцов и на их испытания. Очевидно, что в ближайшем будущем одной из основных задач в области теории сварочных процессов будет доведение и взаимная увязка математических моделей всего многообразия явлений до той степени совершенства, при которой проведение эксперимента с металлом станет особым исключением.

Последние годы ознаменовались внедрением в дуговую сварку источников питания инверторного типа. В отличие от традиционных они обеспечивают равномерную загрузку фаз электрической сети, имеют коэффициент мощности, близкий к единице. Их масса и габариты значительно уменьшены. Но самое главное преимущество состоит в широчайших возможностях, которые открываются в отношении автоматического управления сварочным процессом. Воздействие на перенос электродного металла, движение металла в сварочной ванне, а следовательно, и кристаллизация шва, его дегазация, формирование внешней поверхности – на все это можно влиять средствами автоматического управления. Чтобы использовать такие возможности, следует углублять наши знания о процессе дуговой сварки как объекте управления.

В рыночной экономике проблема изготовления бездефектной высококачественной продукции является важнейшим фактором ее конкурентоспособности, экономической, социальной и экологической безопасности. Качество – комплексное понятие, характеризующее эффективность всех сторон деятельности: разработка стратегии, организация производства, маркетинг и др. Важнейшей составляющей всей системы является качество продукции. В современной литературе и практике существуют различные трактовки понятия качество. Международная организация по стандартизации определяет качество (стандарт ИСО-8402) как совокупность свойств и характеристик продукции или услуги, которые придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности. Этот стандарт ввел такие понятия, как "обеспечение качества", "управление качеством", "спираль качества". Требования к качеству на международном уровне определены стандартами ИСО серии 9000:

– ИСО 9000 – 2000 «Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь»;

– ИСО 9001 – 2000 «Системы менеджмента качества. Требования»;

– ИСО 9004 – 2000 «Системы менеджмента качества. Рекомендации по улучшению деятельности»;

– ИСО 19011 – 2002 «Руководящие указания по аудиту систем менеджмента качества и/или систем экологического менеджмента».

Эти стандарты дополняются стандартами серии 10000, содержащими руководящие указания по разработке программ качества, обеспечению качества измерений, непрерывному обучению и подготовке кадров, по экономическим аспектам качества и др. Вместе они образуют согласованный комплекс стандартов на системы менеджмента качества [1 – 8].

Применительно к качеству сварки разработаны международные стандарты серии ISO 3834:

– ISO 3834-1 (СТБ ИСО 3834-1-2002) «Требования к качеству сварки плавлением. Часть 1. Руководящие указания по выбору и применению»;

– ISO 3834-2 (СТБ ИСО 3834-2-2002) «Требования к качеству сварки плавлением. Часть 2. Всесторонние требования»;

– ISO 3834-3 (СТБ ИСО 3834-3-2003) «Требования к качеству сварки плавлением. Часть 3. Типовые требования»;

– ISO 3834-4 (СТБ ИСО 3834-4-2003) «Требования к качеству сварки плавлением. Часть 4. Элементарные требования».

– ISO 3834-5 «Требования к качеству сварки плавлением. Часть 5. Документы, которым необходимо соответствовать при заявлении соответствия требованиям к качеству, установленным в ISO 3834-2, ISO 3834-3 или ISO 3834-4»;

– ISO 3834-6 «Требования к качеству сварки плавлением. Часть 6. Руководство по выполнению требований ISO 3834 [технический отчет]».

В скобках указаны номера белорусских стандартов, представляющих собой аутентичные тексты соответствующих международных.

Сварка относится к «специальным процессам», поскольку соответствие качества сварных соединений установленным требованиям нельзя в полной мере проверить последующим контролем и испытаниями. Качество готовой продукции должно, прежде всего, не проверяться, а обеспечиваться [9 – 12, 35, 36, 40, 41]. Это означает, что сварка обычно требует непрерывного регулирования конкретных используемых технологических процессов, и ISO 3834 регламентирует как требования к качеству сварки, так и устанавливает средства управления этими технологическими процессами. ISO 3834 не относится к стандартам на системы менеджмента качества и не заменяет ISO 9001, но является полезным дополнением при использовании изготовителями ISO 9001, и, следовательно, в ситуации, когда соответствие его требованиям должно быть зарегистрировано в сертификатах или другой документации. Однако ISO 3834 может использоваться и независимо от ISO 9001.

Всего ИSО разработано около 8 тысяч международных стандартов (МС). Ежегодно публикуется около 500 новых и пересмотренных МС. В среднем разработка международного стандарта занимает 5 − 6 лет. Один из двухсот технических комитетов ИСО ТК 176 “Менеджмент качества и обеспечение качества” отвечает за разработку стандартов по управлению качеством.

Первая редакция международных стандартов ИСО серии 9000 вышла в конце 80-х годов и ознаменовала выход международной стандартизации на качественно новый уровень. Эти стандарты вторглись непосредственно в производственные процессы, сферу управления и установили четкие требования к системам обеспечения качества. Они положили начало сертификации систем качества. Возникло самостоятельное направление менеджмента – менеджмент качества. В настоящее время ученые и практики за рубежом связывают современные методы менеджмента качества с методологией TQM (total quality management) – всеобщим, тотальным менеджментом качества. Стандарты ИСО серии 9000 установили единый, признанный в мире подход к договорным условиям по оценке систем качества и одновременно регламентировали отношения между производителями и потребителями продукции. Иными словами, стандарты ИСО – жесткая ориентация на потребителя.

Прежде всего, это работа, связанная с обеспечением высокого организационно-технического уровня производства, надлежащих условий труда. Качество работы включает обоснованность принимаемых управленческих решений, систему планирования. Особое значение имеет качество работы, непосредственно связанной с выпуском продукции (контроль качества технологических процессов, своевременное выявление брака). Бездефектное изготовление сварочной продукции является важнейшей составляющей и следствием качества всего комплекса подготовительных и сварочно-монтажных работ. Здесь непосредственно оценивается качество сварных соединений [13 – 17].

Для дальнейшего уточнения понятия управления качеством продукции целесообразно обратить внимание на трактовку понятия продукции и уточнить само это понятие. Необходимость такого уточнения обусловлена тем, что понятие продукция не совсем точно даже в инструктивных материалах, действующих в Беларуси и других странах СНГ. Так, в статистической форме "Отчет о прибылях и убытках" приведен показатель "выручка (нетто) от реализации товаров, продукции, работ, услуг...". Но ведь товары, работы и услуги входят в общее понятие продукция. Продукция – комплексное понятие. Это результат деятельности фирмы, который может быть представлен товарами, продуктами (имеющими вещественную форму) и услугами (не имеющими вещественной формы). Для того, чтобы произвести ту или иную продукцию, выполнить работу, оказать услугу, необходимо осуществить целый ряд операций, подготовительных работ. Конечное качество зависит от качества работы на каждом этапе.

Формирование качества продукции начинается на стадии ее проектирования.

Понятие качества формировалось под воздействием историко-производственных обстоятельств. Это обусловлено тем, что каждое общественное производство имело свои объективные требования к качеству продукции. На первых порах крупного промышленного производства проверка качества предполагала определение точности и прочности (точность размеров, прочность ткани и т. п.).

Повышение сложности изделий привело к увеличению числа оцениваемых свойств. Центр тяжести сместился к комплексной проверке функциональных способностей изделия. В условиях массового производства качество стало рассматриваться не с позиций отдельного экземпляра, а с позиций стандарта качества всех производимых в массовом производстве изделий [18, 19, 20 – 25, 29, 30].

С развитием научно-технического прогресса, следствием которого стала автоматизация производства, появились автоматические устройства для управления сложным оборудованием и другими системами. Возникло понятие “надежность ”. Таким образом, понятие качества постоянно развивалось и уточнялось. В связи с необходимостью контроля качества были разработаны методы сбора, обработки и анализа информации о качестве. Фирмы, функционировавшие в условиях рыночной экономики, стремились организовать наблюдения за качеством в процессе производства и потребления. Упор был сделан на предупреждение дефектов. Для этой цели разработана специальная область науки квалиметрия – наука о способах измерения и квантификации показателей качества, позволяющая давать количественные оценки качественным характеристикам продукта. Квалиметрия исходит из того, что качество зависит от большого числа свойств рассматриваемого продукта. Для того, чтобы судить о качестве продукта недостаточно только данных о его свойствах. Нужно учитывать и условия, в которых продукт будет использован. По мнению голландских ученых Дж. Ван Этингера и Дж. Ситтига, качество может быть выражено цифровыми значениями, если потребитель в состоянии группировать свойства в порядке их важности. Они считали, что качество – величина измеримая и, следовательно, несоответствие продукта предъявляемым к нему требованиям может быть выражено через какую-либо постоянную меру [ 23, 26, 27, 28].

Вместе с тем нельзя рассматривать качество изолированно с позиций производителя и потребителя. Без обеспечения технико-эксплуатационных и других параметров качества, записанных в технических условиях (ТУ), не может быть осуществлена сертификация продукции. Следовательно, качество является комплексным понятием, отражающим эффективность всех сторон деятельности фирмы. В результате сформировалось концептуальное видениекачества как одной из фундаментальных категорий, определяющих образ жизни, социальную и экономическую основу для успешного развития человека и общества [1, 2, 31, 32, 33, 38].

По мере развития экономических реформ в Беларуси все большее внимание уделяется качеству продукции. В настоящее время одной из серьезных проблем для белорусских предприятий является создание систем качества, позволяющих обеспечить производство конкурентоспособной продукции. Система качества важна при проведении переговоров с зарубежными заказчиками, считающими обязательным условием наличие у производителя системы качества и сертификата на эту систему, выданного авторитетным сертифицирующим органом. Система качества должна учитывать особенности предприятия, обеспечивать минимизацию затрат на разработку продукции и ее внедрение. Потребитель желает иметь уверенность, что качество поставляемой продукции будет стабильным и устойчивым.

В теории и практике управления качеством выделены две проблемы: качество продукции и менеджмент качества.

Обеспечение качества продукции требует немалых затрат. До недавнего времени основная доля в затратах на качество приходилась на физический труд. Но сегодня высока доля интеллектуального труда. Проблема качества не может быть решена без участия ученых, инженеров, менеджеров.Должна быть гармония всех составляющих профессионального влияния на качество. Значение качества продукции состоит в том, что только качественная продукция открывает экспортную дорогу на платежеспособные западные рынки. Большую роль в обеспечении качества продукции отечественных производителей и ее успешной конкуренции на мировых рынках должны сыграть специальные конкурсы с присуждением их победителям почетных наград, широко использующиеся в мировой практике [13, 14, 19, 55, 56].

Качество является важным инструментом в борьбе за рынки сбыта. Именно качество обеспечивает конкурентоспособность товара. Оно складывается из технического уровня продукции и полезности товара для потребителя через функциональные, социальные, эстетические, эргономические, экологические свойства.

Значение повышения качества достаточно многообразно. Решение этой проблемы на микроуровне важно и для экономики в целом, т. к. позволит установить новые и прогрессивные пропорции между ее отраслями и внутри отраслей. Например, между металлургической промышленностью, машиностроением и сборочно-сварочным производством. Обеспечение этих пропорций может быть обеспечено путем совершенствования технологии производства машиностроительной продукции и повышения ее экономичности. Повышение же качества продукции машиностроения имеет значение для автоматизации производственных процессов в других отраслях.

Достаточно высокая надежность приобретенного потребителем оборудования обеспечит пропорциональность производственного процесса, что важно для предотвращения аварийных и внеплановых выходов оборудования из строя, возникновения “узких” мест.

Если не уделять серьезного внимания качеству, потребуются значительные средства на исправление дефектов. Гораздо больший эффект будет достигнут путем разработки долгосрочных программ по предотвращению дефектов.

До недавнего времени считалось, что качеством должны заниматься специальные подразделения. Переход к рыночной экономике обусловливает необходимость изучения опыта ведущих фирм мира по достижению высокого качества. Ведущие фирмы стран с развитой рыночной экономикой считают, что на достижение качества должны быть нацелены все службы. Ключевую роль в повышении качества играют требования потребителей, информация о неисправностях, просчетах и ошибках, оценки потребителей.

Исследования, проведенные в ряде стран, показали, что в компаниях, мало уделяющих внимания качеству, до 60% процентов времени может уходить на исправление брака.