Сварка в космосе

Сод$ержание

Введение

1. История сварки в космосе

2. Методы и способы сварки в космосе

2.1 Плазменная сварка

2.2 Электронно-лучевая (электронная) сварка

Заключение

Литература

Введение

В конце 50-х годов нашего столетия родилась новая отрасль человеческой деятельности — космонавтика. Об этом на весь мир возвестили сигналы первого советского спутника Земли, утвердив тем самым ведущую роль $нашей страны в освоении космического пространства.

Космонавтика поставила широкий круг задач и перед сварщиками: потребовалось в корне пересмотреть и усовершенствовать многие технологические процессы, создать технологию сварки специальных легких и жаропрочных сплавов, разработать и освоить изготовление высоконадежного автоматизированного сварочного оборудования. А в начале 60$-х годов по инициативе главного конструктора ракетно-космических систем академика С. П. Королева была поставлена принципиально новая задача — исследовать возможность выполнения сварки непосредственно в космосе. Решение этой задачи было поручено Институту электросварки им. Е. О. Патона АН УССР. К исследованиям были привлечены ведущие коллективы института$, руководимые Д. А. Дудко, И. К. Походной, В. К. Лебедевым, Б. А. Мовчаном, В. Е. Патоном, О. К. Назаренко. Научным руководителем всего комплекса исследований являлся академик Б. Е. Патон.

$1. История сварки в космосе

При проведении исследований предполагалось, что сварка в космосе будет использоваться в основном для выполнения следующих работ:

$

а) ремонт космических кораблей, орбитальных станций и различных металлоконструкций, находящихся в космическом полете или на Луне и других планетах;

б) сборка и монтаж металлоконструкций, находящихся в орбитальном полете или расположенных на поверхности Луны и других планет.

Необходимо было разработать технику и технологию выполнения сварочных работ в принципиально новой для человека среде — космическом пространстве, основными от$личиями которого являются:

1) невесомость,

2) глубокий вакуум при высокой скорости откачки (диффузии) газов и паров,

$3) широкий интервал температур, при которых может находиться свариваемое изделие (ориентировочно от 180 до 400 К).

Следовало учитывать и ряд дополнительных неблагоприятных факторов, которые оказывают отрицательное воздействие на качество свариваемых с$оединений (крайне ограниченная подвижность оператора в открытом космосе, сложность фиксации и ориентации, наличие различного рода излучений и т. п.).

Приступая к выполнению поставленной задачи, прежде всего, предстояло из всего многообразия существующих способов $сварки выбрать наиболее перспективные в отношении возможности их использования в столь необычных условиях. При этом руководствовались специфически сварочными критериями оценки (универсальность, технологичность, простота, возможность выполнения резки), а также критериями, принятыми для космического оборудо$вания (высокая надежность, безопасность, малая энергоемкость, минимальные масса и объем и т. п. На первых этапах исследований были отобраны следующие способы сварки: электронно-лучевая, дуговая плавящимся электродом, плазменная, контактная, холодная и диффузионная.

Накопленный на Земле опыт позволил сделать вывод, что такие способы$ сварки, как диффузионная, холодная и контактная, не связанные с наличием газов в зоне сварки, с интенсивным нагревом и расплавлением большого объема металла, могут быть вполне работоспособными в условиях космического вакуума и невесомости. Поэтому использование их в космосе не потребует проведения каких-либо специальных исследований.

Однако область применения этих способов ограничена их малой универсальностью и необходимостью тщательной подготовки и подгонки свариваемых поверхно$стей. В то же время такие достаточно универсальные и эффективные способы сварки, как электронно-лучевая, плазменная и дуговая, отличаются относительно большим объемом расплавляемого металла и выделением в зоне св$арки различных газов и паров, что делает их применение в космосе проблематичным. Поэтому перед использованием этих способов необходимо было провести тщательные исследования в условиях, имитирующих космические.

$Впервые такие исследования были выполнены в 1965 г. на летающей лаборатории ТУ-104, позволяющей кратковременно (до 25—30 с) воспроизводить состояние невесомости. Для проведения исследований был создан комплекс оборудования А-1084, состоящий из ряда вакуумных камер, механических форвакуумных и сорбционно-геттерных высоковакуумных насосов, регистрирующих приборов (обычные и скоростные кинокамеры, осциллографы) и$ аппаратуры управления. Весь комплекс оборудования размещался в салоне летающей лаборатории (рис. 1).

На крышках каждой из камер могли устанавливаться автоматические устройства для сварки различными методами —

электронным лучом, сжат$ой дугой низкого давления и дугой с плавящимся электродом.

Поскольку в конструкциях космических объектов, как правило, не используется металл большой толщины, мощность этих сварочных устройств не превышала 1,5 кВт. Проведенные исследования позволили выявить наиболее характерные особенности сварки в условиях невесомости и вакуума. Вкратце они сводятся к следующему .

Сварка в космосе$

Рис. 1. Размещение сварочного оборудования в салоне летающей лаборатории ТУ 104

При электронно-лучевой сварке и резке давление пучка и реактивное давление паров металла стремятся вытеснить жидкую ванно$чку из зоны плавления. Поэтому очень важно было установить, сможет ли расплавленный металл удерживаться в шве или в полости реза при работе в невесомости. Эксперименты показали, что величина силы поверхностного натяжения при электронно-лучевой сварке вполне достаточна для надежного удержания металла и нормального формирования шва. Так же надежно выполнялась и резка. Причем расплавленный металл не удалял$ся из полости реза в виде капель, чего можно было опасаться, а локализовался на кромках разрезаемых листов.

Значительные трудности пришлось преодолеть при сварке сжатой дугой низкого давления плавящимся и непла$вящимся электродами. Необходимо было разработать надежные методы контрагирования плазмы дуги в глубоком вакууме при высокой скорости откачки и приемы активного управления плавлением и переносом электродного металла в невесомости. Дело в том, что дуговые процессы при низком давлении связаны со значительной расфокусировкой дуги и, как следствие, с резким уменьшением ее пр$оплавляющей способности, а расплавляемый в невесомости электродный металл переходит в шов в виде капель чрезвычайно большого размера. Поэтому исследователям пришлось уделить большое внимание разработке специальных способов и устро$йств для фокусировки дуги и плазмы в вакууме, а также поискам путей эффективного управления плавлением и переносом электродного металла.

Сварка в космосе$

Рис.2 Установка «Вулкан»

Эксперименты на летающей лаборатории помогли решить и эти задачи. Тем самым были созданы предпосылки для проведения сварочных работ непосредственно в космосе.

На базе проведенных исследований была разработана и изготовлена специальная сварочная установка «Вулкан», назначение которой заключалось в проверке возможности использования названных выше способов свар$ки в условиях космоса. «Вулкан» представлял собой комплексное, полностью автономное устройство (рис.2), позволяющее выполнять автоматическую электронно-лучевую сварку и дуговую сварку плавящимся и неплавящимся электродами.

Установка состояла из двух основных отсеков. В одном — негерметичном — располагались сварочные устройства и соединяемые об$разцы; в другом — герметичном — блоки энергопитания, приборы управления, измерительные и преобразующие устройства, средства автоматики. Сам «Вулкан» был установлен в бытовом отсеке космического корабля «Союз», а пульт управления — в спускаемом аппарате. Вес установки — не превышал 50 кг.

$В соответствии с общей программой космиче$ских исследований первый в мире эксперимент по сварке в космосе был выполнен 16 октября 1969 г.на космическом корабле, «Союз-6». летчиками-космонавтами Г. С. Шониным и В. Н. Кубасовым. После разгерметизации бытового отсека космонавт-оператор В. Н. Кубасов, находившийся в спускаемом аппарате, включил автоматическую сварку сжатой дугой низкого давления. Вслед за этим он привел в действие автома$тические устройства для сварки электронным лучом и плавящимся электродом. Во время каждого опыта космонавт наблюдал за работой установки по сигнальным табло на пульте управления. Данные о режиме сварки и условиях проведения эксперимента передавались на Землю и фиксировались самопишущими приборами.

Выполненный в космосе эксперимент подтвердил сделанные ранее основные предположения и рез$ультаты исследований, полученные на летающей лаборатории. Было показано, что непосредственно в космосе процессы плавления, сварки и резки электронным лучом протекают стабильно; обеспечиваются необходимые условия для нормального формирования сварных соединений и резов.

Основные параметры режима сварки плавящимся электродом, а т$акже структура шва и зоны термического влияния, полученные на корабле «Союз-6», оставались практически такими же, как и на летающей лаборатории. Форма и качество швов, получаемых этими $способами на нержавеющих сталях класса 18—8 и титановых сплавах, были вполне удовлетворительными.

В то же время был обнаружен и ряд аномалий, вызванных, по мнению исследователей, невесомостью и специфическими условиями космического вакуума. $Так, например, при электронно-лучевой сварке алюминиевых сплавов в космосе была обнаружена значительно большая пористость швов, чем на Земле (сварка сжатой дугой низкого давления на установке «Вулкан» не дала ожидаемых результатов. По-видимому, скорость диффузии плазмообразующего газа в окружающее корабль пространство превысила ожидаемую. Поэтому его концентрация в дуговом промежутке оказалось недостаточной для контра$гирования сжатой дуги.

Малогабаритные сварочные устройства, включенные в комплекс установки «Вулкан», показали достаточную надежность и работоспособность в условиях космоса. Принципиальные решения, принятые при разработке этих $устройств, оказались правильными и пригодными для конструирования сварочных установок, предназначенных для сварки в космосе конкретных изделий.

Таким образом, к началу 70-х годов вопрос о принципиальной возможности выполнения автоматической сварки в космосе был решен положительно. В то же время существовала большая категория работ, в том числе почти все виды ремонта, которые практически не могли бы быть выполнены с использованием автомати$ческой сварки. Поэтому весьма актуальной представлялась задача по исследованию возможности выполнения ручной сварки в космосе. Причем были веские основания опасаться, что космонавт-оператор, снаряженный в космический скафандр под значительным избыточным давлением, из-за крайне ограниченной подвижности не сможет к$ачественно выполнять такой профессионально сложный процесс, как сварка. Задача о$сложнялась еще и необходимостью обеспечения полной безопасности оператора.

Все сказанное заставило на первоначальных этапах отказаться от работы в космическом скафандре непосредственно в вакууме. Было найдено компромиссное решение. Для проведения исследований по ручной сварке в ус$ловиях, максимально приближенных к космическим, Институтом электросварки им. Е. О. Патона в 1972 г. разработан специальный испытательный стенд 06-1469 (рис. 3).

Сварка в космосе

$

Рис. 3. Стенд тренажер для исследования ручной сварки в условиях, имитирующих космические

Стенд представлял собой герметичную рабочую камеру объемом около 0,8 м3, на передней стенке которой монтировался специальный фрагмент космического скафандра. Между фрагментом и камерой мог создаваться требуемый перепад давления, наиболее полно восп$роизводящий реальные условия работы космонавта. Внутри рабочей камеры размещались инструменты и ручные сварочные устройства. Остекление гермошлема скафандра снабжалось набором сменных светофильтров, позволяющих работать с источниками нагрева различной яркости. Наиболее важным конструктивны$м преимуществом стенда являлось надежное обеспечение безопасности оператора при случайных разгерметизациях, что обеспечивало благоприятную психологическую обстановку при работе с высокотемпературными объектами. Большое значение имели также возможность свободного медико-биологического контроля за состоянием оп$ератора и удобство проведения различных эргономических исследований.

Одновременно со стендом в Институте электросварки им. Е. О. Патона разработан комплекс специальных космических инструментов А-1500, позволяющих выполнять сварку различными способами. Вначале эксперименты проводились в наземных лабораториях, причем в этом случае рабочая камера обычно заполнялась инертным или углекислым газом.

На более поздних этапах исследования были перенесены на летающую лабораторию и в вакуум. Эксперименты не подтвердили высказанных $выше опасений. Напротив, оказалось, что после определенной непродолжительной тренировки операторы (даже не профессиональные сварщики) могли качественно выполнять ручную сварку различных сварных соед$инений — стыковых, угловых, нахлесточных — на таких металлах, как нержавеющие стали, алюминиевые и титановые сплавы. Выяснилось также, что при дуговой сварке в инертном газе плавящимся электродом при невесомости опасность$ прожогов значительно меньше, чем на Земле. Это было объяснено специфическими условиями существования сварочной ванны при отсутствии силы тяжести.

Такие обнадеживающие результаты позволили сделать попытку выполнить вручную и электронно-лучевую сварку — процесс, отличающийся очень высокой концентрацией тепловой энергии в пятне нагрева. Д$ля этой цели разработана специальная ручная электронная пушка (рис. 4), которая позволила с использованием стенда 06-1469 успешно провести ряд экспериментов по ручной электронно-лучевой сварке. Эксперименты показали, что этот способ имеет большие потенциальные возможности для применения его в космических условиях.

Работа в открытом космосе предъявляет очень высокие требования к эргономическим аспектам конструирования сварочного оборудова$ния, в особенности для ручной сварки. В этом направлении Институтом электросварки и Центром подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина в 1972—1977 гг. выполнен ряд важных экспериментальных исследований. В эти же годы продолжались и технологические исследования, касающиеся, в частности, отработки технологии сварки н$аиболее перспективных для космического а$ппаратостроения алюминиевых сплавов. Был обнаружен ряд характерных особенностей сварки этих сплавов в условиях невесомости. Предприняты попытки изыскать меры борьбы с повышенной пористостью.

Сварка в космосе

Рис. 4. Электронная пушка для ручной сварки

Следует отметить, что на протяжении 70-х годов работы по сварке в космосе проводились широким фронтом. Было предложено использовать в космических условиях ряд новых перспективных способов сва$рки, таких, например, как гелиосварка, магнитоимпульсная сварка, сварка взрывом, экзотермическая сварка и пайка и т. п. Кроме Института электросварки, в проведение исследований включились Институт проблем материаловедения АН УССР,$ МВТУ им. Н. Э. Баумана, Московский авиационный институт им. С. Орджоникидзе, Институт металлургии им. А. А.$ Байкова АН СССР, Институт космических исследований АН СССР и др. Это способствует ускоренному решению проблем, стоящих перед сварщиками, работающими в области космических исследований.

2. Методы и способы сварки в космосе

2.1 Плазменная сварка

Один из перспективных способов сварки — плазменная сварка — производится плазменной горелкой. Сущность этого способа сварки состоит в том, что дуга горит между вольфрамовым элек$тродом и изделием и продувается потоком газа, в результате чего образуется плазма, используемая для высокотемпературного нагрева металла. Перспективная разновидность плазменной сварки — сварка сжатой дугой (газы столба дуги, проходя через калиброванный канал сопла горелки, вытягиваются в тонкую струю). При сжатии дуги меняются её свойства: значительно повышается напряжение дуги, резко возрастает температура (до$ 20000-30000 С). Плазменная сварка получила промышленное применение для соединения тугоплавких металлов, причём автоматы и полуавтоматы для дуговой сварки легко могут быть приспособлены для плазменной при соответствующей замене горелки. Плазменную сварку используют как для сое$динения металлов больших толщин (многослойная сварка с защитой аргоном), так и для соединения пластин и проволоки толщиной от десятков мкм до 1 мм (микросварка, сварка. игольчатой дугой). Плазменной струей можно осуществ$лять также др. виды плазменной обработки, в том числе плазменную резку металлов.

2.2 Электронно-лучевая (электронная) сварка

Электронно-лучевая (электронная) сварка производится сфокусированным потоком электронов. Изделие помещается в камеру, в которой поддерживается вакуум (10-2-10-4 н/м2), необходимый для свободного движения электронов и сохранения концентрированного пучка электронов. $От мощного источника электронов (электронной пушки) на изделие направляется управляемый электронный луч, фокусируемый магнитным и электростатическими полями. Концентрация энергии в сфокусированном пятне до 109 вт/см2. Перемещая луч по линии сварки , можно сваривать швы любой конфигурации при высокой скорости. Вакуум спос$обст$вует меньшему окислению металла шва. Электронный луч плавит и доводит до кипения практически все металлы и используется не только для сварки , но и для резки, сверления отверстий и т. п. Скорость сварки этим способом в 1,5- 2 раза превышает скорость дуговой при аналогичных операциях. Недостаток этого способа — большие затраты на создание вакуума и необходимость высокого напряжения для обеспечения достаточно мощного излучения. Этих недостатков лишён др. способ лучевой сварки — фотонная (светова$я) сварка. В отличие от электронного луча, световой луч может проходить значительные расстояния в воздухе, не теряя заметно энергии (т. е. отпадает необходимость в вакууме), может почти без ослабления просвечивать прозрачные материалы (стекло, кварц и т. п.), т. е. обеспечивается стерильность зоны сварки при пропускании луча через прозрачную оболочку. Л$уч фокусируется зеркалом и концентрируется оптической системой (например, кварцевой линзой). При потребляемой мощности 50 квт в луче удаётся сконцентрировать около 15 квт.

Для создания$ светового луча может служить не только искусственный источник света, но и естественный — Солнце. Этот способ сварки , называется гелиосваркой, применяется в условиях значительной солнечной радиации, Для сварки используется также излучение оптических квантовых генераторов — лазеров, Лазерная сварка занимает видное место в лазерной технологии.

Заключение

Отметим важную сторону проводи$мых исследований по сварке в космосе: разработанные для космических условий малогабаритные высоконадежные сварочные установки, например для электронно-лучевой сварки и$ли сварки сжатой дугой низкого давления, все чаще находят применение в промышленности на Земле.

Учёные Технологического института штата Джорджия заявляют, что радиоволны можно использовать для изменения формы массивных конструкций и их сварки в космосе. Ранее учёными была доказана возможность управлять мельчайшими частицами вещества с помощью звуковых и световых волн, и, судя по всему, эта же технология должна срабо$тать и для больших кусков твёрдых веществ.

Литература

1. Бернадский В.Н. (в соавторстве с Патоном Б.Е., Дудко Д.А., Загребельным А.А., Лапчинским В.Ф.). О возможности ручной электронно-лучевой сварки в космосе//Космическое материаловед$ение и технологии.-1977.- «НАУКА» — М. — с. 17-22.

2. Бондарев А.А., Лапчинский В.Ф. ,Лозовская А.В. и др. Исследование структуры и распределения элементов в сварных со$единениях, выполненных электронным лучом на сплавах 1201 и Ам-Г6 в условиях невесомости.- М.: Наука, 1978.

3. Загребельный А.А., Цыганков О.С. Сварка в космосе // Сварочное производство -№12 2002

$

4. Патон Б.Е., Дудко Д.А., Бернадский В.Н. Применение сварки для ремонта сварных космических объектов. — Киев: Наук.думка, 1976.

5. Патон Б.Е., Кубасов В.Н. Эксперимент по сварке в космосе. // Автомат. Сварка, 1970, №5.

6. Патон Б.Е., Патон В.Е., Дудко Д.А. и др. Космические исследования на Украине. –Киев: Наук.думка, 1973.

7. Сварка в СССР. в двух томах. –М.: Наука, 1981

Post Comment